Progetto di un sistema di allarme di terremoti con Arduino – Parte 2

Nel precedente articolo abbiamo descritto le caratteristiche di un terremoto e, in particolare, le tipologie di onde sismiche. Abbiamo introdotto il progetto di un dispositivo di allarme di terremoti basato sull’accelerometro ADXL335 e sul microcontrollore Arduino UNO. In questo articolo tratteremo la seconda parte del progetto di un sistema di allarme di terremoti con Arduino e il sensore ADXL335. Faremo un breve riepilogo del progetto e descriveremo i principali componenti del dispositivo di allarme terremoti iniziando dalla scheda di sviluppo Arduino UNO Revisione 3.

Riepilogo del progetto

Per chi non avesse seguito l’articolo “Progetto di un sistema di allarme di terremoti con Arduino - Parte 1”, faremo un sintetico riepilogo del progetto. In Figura 1 riportiamo lo schema elettrico del dispositivo di allarme terremoti.

Figura 1: Schema elettrico del dispositivo di allarme terremoti

Seguendo lo schema elettrico di Figura 1, le tre uscite degli assi X-Y-Z del sensore ADXL335 sono collegate ai rispettivi ingressi analogici ADC di Arduino UNO. All’interno della breakout che integra il chip ADXL335, tra ogni pin di uscita dei tre assi e massa è collegato un condensatore da 0,1 uF che, insieme al resistore da 32 kOhm interno al sensore, realizza un filtro passa-basso con banda a -3db da 0,5Hz a 50 Hz. I tre condensatori sono stati riportati anche sullo schema elettrico solo per rimarcare la presenza di questi condensatori, pertanto non devono essere inseriti nel dispositivo. I tre segnali analogici dei tre assi contenenti l’informazione di accelerazione vengono applicati agli ingressi ADC di Arduino, convertiti in valori digitali e confrontati con valori digitali di soglia predefiniti di minimo e massimo livello di terremoto. Il superamento di questi valori di soglia (negativi o positivi) provoca l’attivazione di un allarme audio e video mediante l’attivazione di un buzzer e la rappresentazione sul display LCD dei valori di accelerazione di ogni asse dell’ADXL335. Inoltre, il monitoraggio delle onde sismiche sarà effettuato utilizzando Processing riportando graficamente le variazioni dell’accelerazione di ogni asse del sensore ADXL335.

La scheda di sviluppo Arduino UNO R3

La scheda Arduino UNO è ormai nota a tutti gli appassionati di elettronica e non solo, quindi sembrerebbe superfluo parlarne, ma a forza di dire che sappiamo cos’è Arduino, magari non siamo mai “entrati a vedere che c’è dentro questa scheda”. Bene, in questa parte dell’articolo cercheremo di scoprire tutto ciò che è necessario sapere riguardo la scheda Arduino UNO. In generale, la scheda Arduino nei progetti viene anche identificata come un microcontrollore, ma in realtà è un dispositivo molto più di un microcontrollore, intanto perché a bordo ne monta due di microcontrollori, il microcontrollore principale ATMega328P e l’ATMega16U2 utilizzato come convertitore da USB a interfaccia seriale. Dunque, in realtà Arduino è una scheda di sviluppo che utilizza come microcontrollore l’ATMega328P che è il cervello della scheda di sviluppo Arduino UNO. La scheda Arduino è un compatto dispositivo hardware open source con molte librerie open source disponibili per interfacciare il suo microcontrollore con molti altri componenti esterni come LED, motori, LCD, tastiera, modulo Bluetooth, modulo GSM e molte altre cose che si desidera interfacciare con la scheda Arduino.
Fondamentalmente basato su un microcontrollore, ha tutte le principali interfacce per connettersi con altri dispositivi ed ha anche un programmatore integrato che viene utilizzato per programmare Arduino dal computer. Ci sono molte schede Arduino disponibili sul mercato, in questo articolo faremo una panoramica sulla più popolare e utilizzata scheda: Arduino UNO R3. Arduino UNO R3 è una scheda basata sul microcontrollore ATMega328P di Atmel che può essere alimentata e programmata tramite connessione USB. L'ATMega328P è dotato di bootloader integrato che rende molto semplice eseguire il flashing (la programmazione) della scheda con il codice di un progetto. Come tutte le schede Arduino, si può programmare il software in esecuzione sulla scheda utilizzando un linguaggio derivato da C e C++. L'ambiente di sviluppo è l'IDE (Integrated Development Environment), l’ambiente integrato di sviluppo di Arduino. In Figura 2 viene riportato lo schema elettrico della scheda Arduino UNO R3.

Figura 2: Schema elettrico della scheda Arduino UNO R3

Applicazioni

Arduino è molto semplice da usare per le applicazioni di sistemi embedded. Grazie alla disponibilità del software open source, chi non ha una grande capacità di programmazione ma desidera comunque lavorare su progetti di sistemi embedded, può facilmente utilizzare Arduino per lo sviluppo di progetti di base di sistemi embedded. Per iniziare a progettare con Arduino, occorre solo avere le basi di elettronica per sapere cosa sono e come utilizzare resistori, condensatori, transistor, diodi e altri componenti elettronici di base. Ma, nel caso non sapeste nulla di elettronica, non dovrete preoccuparvi in quanto su Elettronica Open Source trovate molti argomenti e progetti discussi nei tutorial di Arduino. Di seguito, sono riportati alcuni dei campi di applicazione di Arduino:

Robotica
GSM
Ethernet
Wi-Fi
Bluetooth

In Figura 3 è riportata la disposizione dei pin e la relativa funzione.

Figura 3: Disposizione e funzione dei pin della scheda di sviluppo Arduino UNO R3

Gli shield Arduino

Gli shield Arduino sono schede pin compatibili con i connettori di Arduino, ovvero riportano nella shield gli stessi pin disposti sulla scheda Arduino. Facili da usare, gli shield si possono utilizzare per realizzare varie applicazioni. Sul mercato sono disponibili vari shield Arduino, ma potreste anche realizzarne voi stessi, se avete abbastanza capacità di progettazione di circuiti.
Di seguito, sono riportati alcuni dei più famosi shield:

Controller di motori
Bluetooth
Wi-Fi
Interfaccia fotocamera
ZigBee
GSM

Il Software e la programmazione di Arduino

L’ultima versione del software (IDE) da installare nel computer per la programmazione di Arduino può essere scaricata gratuitamente dal sito web ufficiale di Arduino www.Arduino.cc. Il software Arduino fornisce anche degli esempi di sketch per diverse librerie come GSM, Ethernet, Bluetooth e molte altre.

Specifiche tecniche del microcontrollore ATMega328P

CPU AVR 8-bit
Tensione di funzionamento 5V
Tensione di funzionamento minima 2,7V
Tensione di funzionamento massima 5,5V
14 I/O Digitali (di cui 6 con funzione PWM)
6 Ingressi analogici (ADC)
Massima corrente continua per ogni I/O 20 mA
Risoluzione ADC 10 bit (da 0 a 1023 step)
Memoria Flash 32 kb
SRAM 2 kb
EEPROM 1 kb
Frequenza di clock fino a 20 MHz
2 timer/contatori a 8 bit 1x timer/contatore a 16 bit
1 USART
1 SPI
1 I2C
1 Comparatore analogico (AC) con ingresso di riferimento scalabile
Watchdog Timer con oscillatore su chip dedicato

Specifiche tecniche del microcontrollore ATMega16U2

Microcontrollore basato su RISC AVR a 8 bit
Memoria Flash 16 kb
EEPROM 512B
SRAM 512B
Interfaccia debugWIRE per il debug e la programmazione su chip
Tensione di funzionamento 5V
Tensione di funzionamento minima 2,7V
Tensione di funzionamento massima 5,5V

Specifiche tecniche della Scheda Arduino UNO R3

VINMax Tensione di ingresso massima al pin VIN 20 V
VINMin Tensione di ingresso minima al pin VIN 6 V
VUSBMax Massima tensione di ingresso dal connettore USB 5,5 V
Alimentazione via VIN 7V-12V
Massima corrente continua al pin 3V 150 mA
Regolatore di tensione 5V (NCP1117ST50T3G)
Tensione di uscita 5V
Tensione di uscita 3,3V
Programmazione con IDE Arduino

Il sistema di Alimentazione di Arduino UNO R3

E’ molto importante avere ben chiaro come alimentare la scheda Arduino, sia per fare la più idonea scelta, che per evitare danni irreversibili alla scheda. Per questi motivi riteniamo utile descrivere ampiamente il sistema di alimentazione. La scheda Arduino UNO può essere alimentata in tre modalità: dal connettore DC Power JACK, dalla porta USB o dal pin VIN, come mostrato nello schema elettrico della sezione delle alimentazioni estratta dallo schema elettrico di Arduino UNO R3 (Figura 4), e come descritto di seguito.

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