Architettura della Scheda Arduino UNO

SCHEDA TECNICA

La scheda Arduino UNO è la scheda originaria del sistema Arduino. Nel corso del tempo ha subito una lunga serie di evoluzioni tecniche ed elettroniche fino a raggiungere le definizione della scheda che noi utilizzeremo in questa guida, ovvero la scheda Arduino UNO R3.

Osserviamo la foto

1. PORTA USB – è la porta con cui si collega la scheda al computer tramite cavo apposito. Il suo ruolo, ovviamente, è anche quello di scambiare i dati con il computer permettendo l’upload dello sketch. Una volta che lo sketch è caricato sulla scheda, questa porta può anche essere utilizzato per alimentare la scheda con un alimentatore esterno da 5 V con uscita USB.
2. ALIMENTAZIONE ETERNA – Questo jack permette l’alimentazione esterna alla scheda. Si suggerisce di non superare i 12 V onde evitare problemi di stabilità e surriscaldamento della scheda.
3. CONVERTITORE USB-SERIALE – è una parte importantissima della scheda che consente la comunicazione bidirezionale tra il computer e la scheda, in particolare, tra il computer e il microcontrollore, scambiando dati e consentendo l’upload degli sketch.
4. CIRCUITO DI REGOLATORE DI ALIMENTAZIONE – Nel caso siano presenti sia alimentazioni tramite USB che tramite jack, grazie a questo ripartitore, la scheda è in grado di scegliere dove prendere la tensione necessaria. È considerata fonte primaria quella proveniente dal jack esterno. In ogni caso, come già detto, la tensione proveniente dal jack non dovrebbe mai superare i 12V, ma nemmeno essere inferiore ai 7V. In quest’ultimo caso, infatti, è possibile che il sistema non riesca a fornire alla scheda i 5V nominali di cui ha bisogno per funzionare.
5. PIN DIGITALI – Sono 14 PIN che rispondono ad una logica digitale I/O. Significa che possono essere collegati in lettura a dei sensori o a dei dispositivi esterni a patto che essi funzionino con logica digitale. La logica digitale è quella booleana, ovvero che prevede solo due stati, 0 e 1 (acceso/spento, on/off, alto/basso) e che, in termini elettrici, associa 0V allo 0 e 5 V all’1. Se colleghiamo a questo PIN una lampadina potremmo accenderla e spegnerla non modulare, almeno in linea teorica, la sua luminosità. Una menzione speciale meritano i PIN 3, 5, 6, 9, 10 e 11 che possono essere utilizzati come PIN analogici e impulsi PWM (Pulse Width Modulation che vedremo negli esempi in seguito) utilissimi per la regolazione di attuatori come motori e servomotori.
6. PIN ANALOGICI – Sono 6 PIN che possono leggere e inviare segnali analogici, con valori cioè compresi tra 0V e 5V. In particolare il microcontrollore legge la tensione presente sul PIN e restituisce un valore compreso tra 0 e 1023 (un numero a 10 bit). Alcuni sensori provvedono a mappare il valore risultante nella scala desiderata (ad esempio temperatura o distanza), in altri casi, la conversione va effettuate nel codice stesso.
7. PIN ALIMENTAZIONE- Sono i PIN dedicati all’alimentazione dei sensori, degli attuatori o dei circuiti creati e collegati alla scheda. Possono fornire una tensione di 5V e 3,3V con i rispettivi PIN, mentre quelli contrassegnati con GND servono per raccogliere la “massa”, il ritorno della corrente dal circuito. Una piccola menzione per i due PIN RESET e Vin. Il primo serve per resettare il microcontrollore con azione identica a quella del pulsante dedicato installato a bordo macchina. Il secondo permette di prelevare alimentazione in quantità pari a quella fornita dal jack o di restituire la stessa direttamente al regolatore di tensione di Arduino (non useremo questi due PIN in questo corso).
8. MICROCONTROLLORE ATMEL ATMEGA328P – Poco da dire senza entrare in un dettaglio tecnico che esula dalla trattazione di questa guida. È il vero cuore della scheda che consente di agire come microcontrollore, controllando cioè dispositivi esterni, integrando quella che è la memoria su cui è salvato il programma.

BREADBOARD

Per i progetti, anche i più semplici, occorre un componente esterno alla scheda Arduino che funga da supporto per sensori, attuatori ed dispositivi esterni e che consenta di aumentare le possibilità di collegamento della scheda che, viste le ridotte dimensioni, è, in questo, molto limitata. Parliamo della Breadboard (basetta di prototipazione o basetta millefori in italiano). Vediamo come funziona

La sua principale comodità sta nel fatto che, grazie ad opportuni cavetti, i componenti possono essere elettricamente collegati senza difficoltà ed evitando saldature. Ogni foro ha al suo interno una piccola molletta metallica che regala stabilità al collegamento, ma che, contemporaneamente, permette modifiche rapide ed immediate.

L’altro grosso vantaggio è che i fori sono elettricamente collegati fra loro nella maniera indicata in figura.

Le quattro righe laterali sono collegate orizzontalmente. Significa che posso, ad esempio, portare l’alimentazione a 5V dalla scheda Arduino al primo foro di una riga indicata col rosso ed essere sicuro che tutti i fori delle riga saranno alimentati a 5V con possibilità di collegare loro un dispositivo per ogni foro. Alla stessa maniera potrei collegare la massa di ogni dispositivo alla linea blu e collegarla poi una sola volta al PIN GND della scheda Arduino. In questa maniera tutti i dispositivi a massa sarebbero raccolti da un solo collegamento e portata alla scheda.

Nella parte interna della basetta, i fori sono collegati in verticale, in figura con le linee verdi, a gruppi di 5.

CAVETTI JUMPER

Sono cavetti morbidi con all’estremità una punta rigida che consente la connessione diretta alla Breadboard o con degli alloggiamenti per punte rigide che siano di altri cavetti dei dispositivi elettronici. Ce ne sono di tre tipi:

• maschio-maschio;
• maschio-femmina;
• femmina-femmina;

a seconda che terminino con punte rigide o con alloggiamenti per le punte. Sono di diversi colori e lunghezze per adattarsi meglio ai vari progetti e per rendere maggiormente riconoscibili i collegamenti fatti.