Decoriamo un albero di Natale con luci e riproduzione di musiche utilizzando Arduino

In questo articolo presentiamo il progetto di un sistema di decorazioni natalizie audio-luminose per l'albero di Natale. Verrà utilizzato il microcontrollore Arduino Nano per gestire il sistema, una strip LED NeoPixel di luci a LED RGB, un modulo vocale MP3 JQ6500 per trasmettere melodie natalizie e un sensore PIR HC-SR501 per rilevare la presenza di persone in prossimità dell’albero di Natale.

Il progetto

Nel progetto della decorazione natalizia viene utilizzata la scheda a microcontrollore Arduino Nano, una strip di LED RGB, un modulo vocale e un sensore PIR. La Figura 1 riporta lo schema elettrico del progetto.

Figura 1: Schema elettrico del progetto

Il funzionamento del circuito riportato in Figura 1 del sistema di decorazioni per un albero di Natale è basato su Arduino Nano; è piuttosto semplice, in quanto è costituito dal microcontrollore Arduino Nano (U1), modulo sensore PIR HC-SR501(U2), modulo audio MP3 JQ6500 (U3), strip LED NeoPixel (LD1), altoparlante SPK1 da 0,5 W 8 ohm. Arduino Nano è il gestore/controllore del funzionamento del sistema.

Il sensore PIR viene utilizzato per rilevare la presenza di una persona consentendo l’attivazione delle luci e dell’audio di decorazione dell’albero di Natale. Due dei tre pin di questo sensore, ovvero Vcc e GND, sono collegati rispettivamente ai pin 5V e GND di Arduino Nano, mentre il pin dati OUT è collegato al pin D5. Il pin dati della strip LED NeoPixel è collegato al pin D2 di Arduino Nano, mentre l’alimentazione è fornita dal pin 5V.

Il modulo JQ6500 è un modulo logico a 3,3 V, quindi non è possibile collegarlo direttamente ai pin I/O di Arduino, ma può essere alimentato dalla linea di alimentazione a 5 V di Arduino. I pin RX e TX, rispettivamente 9 e 10 del modulo, sono collegati ai pin digitali D9 e D8 di Arduino Nano. Una resistenza da 1 kΩ viene inserita tra il pin digitale D9 di Arduino e il pin RX del modulo JQ5600 per ridurre la tensione a 5 V del pin digitale D9 di Arduino. I pin 15 e 16 di uscita audio del modulo sono collegati ad un altoparlante da 0,5 W e impedenza 8 ohm. Il circuito è alimentato a +5 V mediante un adattatore DC-DC o da un power bank con uscita USB a 5 V da collegare al connettore USB di Arduino Nano.

Descrizione dei componenti

Dato per scontato che ormai conosciamo le schede Arduino, ci soffermeremo a descrivere gli altri componenti, ovvero la strip LED RGB, il modulo audio MP3 e il sensore PIR.

La strip LED NeoPixel

Ogni colore è composto da tre colori: rosso, verde e blu. Utilizzando un semplice LED RGB è possibile generare qualsiasi colore. Tuttavia, il limite dei LED RGB è che sono costituiti da tre LED separati e richiedono tre pin di qualsiasi microcontrollore per attivarsi. Quindi, non è possibile collegare centinaia di LED con un solo microcontrollore, a meno che vengano utilizzati numerosi circuiti integrati driver d’interfaccia fra i microcontrollori ed i LED RGB. Per superare questo problema, Adafruit ha creato la strip LED NeoPixel. Richiede solo tre pin per pilotare numerosi LED RGB NeoPixel. Due pin sono utilizzati per l'alimentazione e un pin per l'ingresso dati (D2). Il pin d’ingresso dati viene utilizzato per indirizzare e controllare i diversi LED della strip con il loro colore, luminosità, ed altro. Per ottenere queste funzionalità, la strip LED RGB NeoPixel richiede l’impiego di un microcontrollore, che in questo progetto è Arduino Nano, molto utilizzato con strip NeoPixel. La Figura 2 riporta una strip LED RGB NeoPixel.

Figura 2: Una strip LED RGB NeoPixel

I LED RGB NeoPixel possono essere illuminati in qualsiasi colore, quindi si possono ottenere vari colori per illuminare l’albero di Natale. È anche possibile aggiungere altri interessanti effetti e pattern tramite programmazione, consentendo di realizzare un sistema decorativo completo controllato da Arduino Nano utilizzando i LED RGB NeoPixel.

Il modulo audio MP3 JQ6500

Il modulo audio MP3 JQ6500 è perfetto per trasmettere messaggi tramite altoparlante, come nei sistemi di allarme antincendio, sistemi di allerta per treni e autobus, allarmi di guasti alle apparecchiature, ed altro ancora. Può decodificare file in formato MP3, MP3 codificati o WMV in un formato vocale udibile tramite altoparlante. È dotato di un convertitore digitale-analogico a 24 bit con una gamma dinamica di 90 dB e supporta frequenze di campionamento di 8 / 11.025 / 12/16 / 22.05 / 24/32 / 44.1 / 48 kHz. I file MP3 possono essere controllati tramite pulsanti o tramite un protocollo di comunicazione seriale. La Figura 3 mostra un modulo JQ6500.

Figura 3: Modulo MP3 JQ6500

I file MP3 possono essere caricati sulla memoria integrata del JQ6500 utilizzando un computer con sistema operativo Windows (gli utenti Mac o Linux dovranno utilizzare il JQ6500-28p e una scheda SD). I passaggi per caricare i file sono riportati di seguito:

• Collegare la scheda al computer tramite il connettore Mini USB.
• Apparirà una nuova unità "CD-ROM" sul computer, quindi fare doppio clic su di essa e aprire l'applicazione denominata "MusicDownload.exe".

Alcuni dispositivi JQ6500-16P non hanno MusicDownload.exe installato. Se non riuscite a trovarlo, potete scaricare il file zip andando al sito seguente: https://sparks.gogo.co.nz/assets/_site_/downloads/JQ6500_MusicDownload.zip. L'applicazione è in lingua cinese, quindi per caricare i file aprite il file .exe e cliccate sulla seconda scheda da sinistra.
Il modulo MP3 JQ6500 funziona a 3,3 V, quindi non è possibile collegarlo direttamente ai pin I/O della scheda Arduino, ma può essere alimentato dalla linea di alimentazione a 5 V di Arduino Nano. I pin RX e TX del modulo MP3 possono essere collegati ai pin digitali di Arduino Nano, il pin RX interponendo una resistenza da 1 kohm fra esso e il pin digitale di uscita di Arduino Nano.

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