Scratch e Arduino - Progetto #6: Tastierino 4x4

Alcuni mesi fa' ho acquistato un  modulo keypad 4x4 come questo [disponibile qui]

Obiettivi del progetto

Interfacciare Arduino con il tastierino e leggere la pressione dei tasi con Scratch ed eseguire un azione.

Lista Componenti

Vediamo di cosa abbiamo bisogno per eseguire il progetto.

Scheda Arduino
Breadboard
Keypad 4x4
4x Resistenza da 10K ohm
Fili Maschio-Maschio e Machio-Femmina

Il tastierino 4x4

Per comprendere al meglio l'uso del tastierino 4x4 si consiglia di leggere ed imparare ad usare un singolo pulsante come descritto in questo articolo Scratch e Arduino - Progetto #3: Il pulsante

Come si vede da questa figura un tastierino 4x4 e' composto da 16 pulsanti organizzati a matrice.

Come detto prima per capirne il funzionamento e' necessario capire il funzionamento di un singolo pulsante.

La matrice e' organizzata il righe e colonne. Piu' precisamente ogni riga collega 4 pulsati ed ogni colonna collega 4 pulsanti.

Quando un pulsante viene premuto (il circuito si chiude) ed il valore presenta sulla sua riga (esempio R1) si puo' leggere sulla colonna relativa al pulsante premuto (esempio C1)

Come si vede dall'animazione, solo per esempio,  quando si preme il pulsante 1 il valore di R1 si legge su C1 e quando si preme il pulsante 5 il valore di R2 si legge su C2.

Comprendere questo modo di funzionamento e' molto importante quando scriveremo il programma Scratch.

Circuito e collegamenti

Qui lo schema dei collegamenti da realizzare. Ho usato il software Fritzing per rappresentare gli schemi di collegamento.

Partendo da sinistra i primi 4 fili (blu,giallo,blu,arancio) rappresentazo le 4 righe (R1-R4).

I successivi 4 fili (marrone,nero,marrone,nero) rappresentano le 4 colonne (C1-C4)

Come spigato nell'articolo relativo al pulsante, le 4 resistenze sono quelle che si chiamano resistenze di pull-up e servono a leggere correttamente il valore dei pulsanti.

I fili vanno collegati in questo modo:

• blu (R1) -> pin 11
• giallo (R2) -> pin 10
• blu (R3) -> pin 9
• arancio (R4) -> pin 8
• marrone (C1) -> prima resistenza di pull-up
• nero (C2) -> seconda resistenza di pull-up
• marrone (C3) -> terza resistenza di pull-up
• nero (C4) -> quarta resistenza di pull-up

Ora tra un piedino di ogni resistenza ed il filo che viene dal tastierino bisogna collegare un filo verso arduino, nel seguente modo:

• arancio (C1) -> pin 7
• rosso (C2) -> pin 6
• marrone (C3) -> pin 5
• nero (C4) -> pin 4

E qui la realizzazione su breadboard del circuito

Programma Scratch

Questo e' il programma principale

Come si vede il programma principale e' piuttosto semplice. Piu' in dettaglio una volta che il programma e' avviato si procede con l'inizializzazione del tastierino e dei pin di arduino.

Piu' in dettaglio i pin associati alle righr (11,10,9,8) sono impostato come pin di OUTPUT, mentre i pin associati alle colonne (7,6,5,4) come pin di INPUT

Dopo l'inizializzazione inizia un ciclo infinito che effettua ciclicamente la scansione di ogni singola riga e per ogni riga di tutte le colonne.

Le righe sono scansionate da 4 funzioni chiamate scansione_R1,scansione_R2,scansione_R3 e scansione_R4.

Mentre le colonen sono scansionate da un unica funzione chiamata scansione_Colonne che prende il numero di riga come parametro in ingresso.

Vediamo in dettaglio questi blocchi

Quando la funzione scansione_Rx viene invocata dal ciclo principale imposta una variabile chiamata ROW ad valore corrente di riga.

A questo punto imposta in modo opportuno i valori delle varie righe in modo da garantire sempre che una sola riga ha valore 0 (Livello logico BASSO-LOW) e tutte le altre hanno valore 1 (Livello logico ALTO-HIGH).

A questo punto si legge in sequenza il livello logico di ogni colonna e memeorizzo il risultato in una variabile apposita (V1-V4).

A questo punto dopo aver letto i valori delle 4 collonne per una data riga, li processiamo e' facciamo dire a Scratch il numero corrispondente al tasto che abbiamo premuto

Qusta funzione riceve in ingresso il numero di riga per cui i valori delle colonne sono stati letti.
La funzione inizia calcolando il numero del primo tasto della riga ricevuta in input con la seguente formula:

• (numero riga -1) * 4 

Quindi quando numero riga = 1, la variabile tasto1 viene impostata a 0 e cosi' via

Nota: in informatica si parte "sempre" a contare da zero.

Nota2:  non so se ci hai mai pensato, ma questo spiega perche' l'anno 2000 e' nel 21mo secolo :) L'informatica aiuta a capire anche i piccoli/grandi problemi e quesiti della vita quotidiana :)

A questo punto si verifica il valore di ogni colonna (V1-V4) precedentemente letto. Solo 1 sara' a 0 in coincidenza del tasto premuto.

Quindi Scratch dira' (dire) "Hai Premuto (tasto1 + numero colonna)

A questo punto si riparte con la scansione della riga successiva e cosi' via ripartendo dalla prima quando si e' arrivati alla quarta.

Nota: per i piu' curiosi, questo e' il principio in cui funziona anche la tastiera di un PC

Ora vediamo il programma in funzione

Complimenti!!!
Con questo progetto hai imparato a ricevere l'input di una tastiera in Scratch e lo puoi utilizzare in mille modi diversi.


Idee

Questo progetto puo' essere esteso con progetti precedenti presenti su questo blog, per esempio:

• Scratch e Arduino - Progetto #1: Il Led
• Scratch e Arduino - Progetto #2: Led effetto supercar

Non abbiate timore di sperimentare. Uno scrittore Inglese dice:

"Piú impari, meno temi"
(Julian Barnes)

Modulo Digital Tube - Display 7 Segmenti

In qusto post spiego come programmare il modulo Digital Tube Display Module TM1637 con Arduino e Scratch

Questo modulo e' composto da 4 display a 7 segmenti pilotati dal driver TM1637 (qui il datasheet) monato sul retro del modulo

Il chip TM1637 ha anche la capacita' di leggere gli scan code di un tastierino 4x4, ma non viene trattato in questo post.

Piedinatura

Il modulo ha 4 piedini

• VCC: piedino di alimentazione +5V
• GND: piedino di massa
• CLK: piedino di clock
• DIO: piedino di scambio dati seriali tra Arduino ed il TM1637

Come si vede tolti i due piedinio di alimentazione, il modulo si programma con un semplice protocollo seriali a due fili (CLK e DIO).

Programmazione

Qui una breve descrizione (volutamente non completa) sul come programare il modulo. Tutti i dettagli sono contenuti nel datasheet

Leggendo il datasheet (chiunque vuole smanettare con Arduino e i vari componenti elettronici deve imparare a leggere un datasheet :) ) si capisce che il modulo puo' essere programmato con due modalita' differenti di indirizzamento (autoincrementale, fissa)  (in questo post ne usiamo solo quella fissa).

Questa figura ci spiega come programmare il display. Piu' precisamente bisogna inviare al modulo 3 comandi ed il dato da visualizzare sul display a 7 segmenti. I tre comandi sono definiti come:

• Data command settings: comando di impostazioni
• Address command settings: comnado di impostazione indirizzo
• Display and control command settings: comando di impostazioni display

Nel datasheet e' definito il formato di ogni singolo comando (ometto ulteriori dettagli dato il target di questo post)

In conclusione per far visualizzare una cifra sul display bisogna inviare questi comandi (valore esadecimale del byte di comando):

• 0x40: write data to display:  diciamo al modulo che vogliamo scrivere una cifra su un  display a 7 segmenti
• 0xC0: indirizzo (0 - 3 siccome ci sono 4 display) del display che vogliamo usare 
• 0x88: impostazione della luminosita'

Circuito

Vediamo ora come collegare il modulo Digital Tube ad Arduino

• piedino VCC: va collegato al piedino 5V di Arduino
• piedino GND: va collegato al piedino GND di Arduino
• piedino CLK: va collegato al pin 7 di Arduino
• piedino DIO: va collegato al pin 6 di Arduino

I piedini CLK e DIO possono essere collegati a qualsiasi pin digitale di Arduino, ma questo post usa il 6 ed il 7.

Codice Scratch

Ok ora che abbiamo capito come programmare e collegare il modulo digital tube ad Arduino vediamo il codice Scratch di prova

Il codice implementa il protocollo seriale descritto nel datasheet. 

Il blocco creaFont  e' usato per definire una tabella di mapping tra i valori numerici da 0 - 9 ed il relativo valore numerico da passare al modulo.

In altre parole i 7 segmenti sono pilotati dal vaore di un bit all'interno di un byte. Quindi andando a mettere a 0 o a 1 specifici bit si dice al modulo di accendere o spegnere il display.

In questo modo si possono far visualizzare al display le 10 cifre ed anche altri caratteri

I segmenti dal A a G, sono rappresentati in questo modo in uun byte (A = LSB)

0gfedcba

Quindi per esempio la cifra 1 si visualizza accendendo il segment b ed il segmento c e spegnendo tutti gli altri segmenti.

Quindi scrivendo in binario otteniamo 00000110 che  in deciamale e' 6.

I blocchi sequenzaStart e sequenzaStop sono usati per impostare particolari sequenze di valori sui piedini CLK e DIO in modo da rispettare ed implementare il protocollo descritto.

Il blocco scriviByte accetta un valore in ingresso ed ha il compito di inviare il byte passato in ingresso (bit per bit) al modulo

Il blocco displayCifra accetta due valore in ingresso:

• l'indirizzo [0-3] del display da usare (cifra)
• il valore numerico [0-9] da visualizzare (valore)

Infine nel blocco principale (main) impostiam i valori dei 3 comandi necessari per progammare il modulo.

Dopo creaiamo la tabella dei font ed impostiamo la luminosita' (da 0 - a 7).

Assegniamo i pin di CLK e DIO ai pin di Arduino (6 e 7) e li impostiamo come Output.

A questo punto possiamo chiamare il blocco displayCifra per far apparire sul display selezionato la cifra voluta

Buon divertimento e sperimentate a visualizzare altri caratteri.

Modulo Matrice 64 Led con MAX7219 - Programmazione

In questi due post Modulo Matrice 64 Led con MAX7219 - Assemblaggio  e precedenti Modulo Matrice 64 Led con MAX7219 - Test iniziale abbiamo saldato ed assemblato il modulo matrice 8x8 led con MAX7219 e lo abbiamo testato con un programma in Scratch.

In questo post vediamo come programmarlo per visualizzare una figura sulla matrice.

Codice Scratch

Il codice Scratchper programmare la matrice led si basa sul codice utilizzato per testare la matrice spiegato nel post precedente.

Vengono aggiunti alcuni blocchi utili.

Conversone da Esadecimale a Decimale

Questo blocco accetta in input un valore esadecimale (in base 16) e lo converte in decimale (base 10)

Invesrione di un byte

Questo blocco dato un valore in byte ne calcola il valore decimale invertendo a specchio tutti i suoi bit.

Per esempio se il valore in input e' 123 il risultato fornito dal blocco sara' 222.

Se scriviamo i numeri in binario risulta tutto piu' chiaro

123 -> 01111011
222 -> 11011110

Come vedete se invertitr i bit del numero 123 si ottiene il numero 222.

I due blocchi introdotti sopra sono utili per programmare la matrice con una figura arbitraria.

Accensione di una linea della matrice

Questo blocco sfrutta il blocco scriviComando per accendere i led di una specifica riga (riga) della matrice in base al valore (data) fornito

Editor per Matrice a Led

Su Internet e' disponibile un editor web per la matrice 8x8 usata in questo post.

Questo ottimo sito permette di disegnare il bitmap 8x8 che si vuole visualizzare sulla matrice.
La cosa piu' bella e' che fornisce moltissime immagini (font, numeri ed iconi) gia' disegnate, quindi ideale per una prova veloce.

Una volta terminato di editare il bitmap della matrice, il sito visualizza una porzione di codice C che rappresenta il bitmap stesso.

Inoltre rappresenta tutto il bitmap con un singolo numero a 64 bit rappresentato in formato esadecimale.

Per esempio il bitmap in figura e' rappresentato con questo codice: 10387cfe7c381000

Il nostro codice Scratch usa questo codice esadecinmale per visualizzare il bitmap sulla matrice andando a programmare l'accensione o lo spegnimento di ogni singolo led della matrice.

Programma Principale

L'unico input da fornire e' il codice prese dal sito Editor per Matrice (10387cfe7c381000) ed assegnarlo alla variabile matrice, come si vede nel secondo blocco in figura.

Dopo di cio', allo stesso modo del programma di test, si inizializzano i GPIO e si inizializza la matrice.

Ora il modo in cui il bitmap e' rappresentato nel codice esadecimale non e' direttamente utilizzabile dal mio programma, ma deve prima essere manipolato.

In dettaglio in un ciclo che viene ripetuto 8 volte si leggono due cifre alla volta (8x2) del codice esadecimale e si convertono in decimale.

Il valore nibble1+nibble2 e' il valore decimale di due cifre esadecimali del codice complessivo.

Questo valore viene passato al blocco invertiByte che come visto prima ne inverte i bit a specchio.

A questo punto il valore ottenuto e' quello corretto per essere programmato e visualizzato dalla matrice. Cio' avviene andando a scrivere tale valore all'indirizzo della riga tramite il blocco accendiRiga.

Al termine del ciclo tutte le 8 righe della matrice sono programmate e il bitmap rappresentato dal codice esadecimale a 64 bit e' visualizzato sulla matrice

Nota

Ho notato che la programmazione del modulo e' abbastanza lenta e richiede circa 22 secondi.
Questo non e' dovuto ad un malfunzionamento di Arduino o del modulo, ma ad una caratteristica del software Firmata che gira su Arduino.

Ma dopotutto questo post serve per imparare. Se poi si vuole usare il modulo in modo piu' serio realizaando delle animazioni si usa il codice Arduino e non Scratch, ma questo viene trattato in decide di post su Internet.

Buon divertimento e buona sperimentazione.

Modulo Matrice 64 Led con MAX7219 - Test iniziale

Nel mio posto precedente [Modulo Matrice 64 lLd con MAX7219 - Assemblaggio] ho fatto vedere come assemblare il modulo Matrice 8x8 Led.

In questo post vediamo come programmare tale modulo con Arduino e Scratch

Piedinatura Modulo Matrice 8x8 Led

Il modulo Matrice 8x8 Led con MAX7219 ha due connettori da 5 peidini disposte ai due lati del PCB.

Entrambi i connettori hanno la stessa funzionalita'.

I piedini partendo dall'alto verso il basso sono contrassegnati come:

• VCC:  piedino di alimentazione +5V
• GND:  piedino di massa
• DIN:   Data Input Seriale. Serve per caricare la parola da 16 bit all'interno dello shift register del MAX7219
• CS: Chipe Select. Serve per indicare al MAX7219 quando caricare un bit presente sul pin DIN nello shift register. Questo avviene quando CS e' basso (LOW)
• CLK:Clock utilizzato per le operazioni di caricamento della parola da 16 bit. Quando il clock va alto (HIGH) i bit in ingresso sono trasferiti nello shift register interno

Connessione del modulo Matrice 8x8 Led con Arduino

Come si puo' vedere nelle due figure ho collegato il piedino VCC e GND del modulo rispettivamente ai piedini +5V e a GND di Arduino.
Il pin DIN del modulo l'ho collegato al GPIO 4 di Arduino
Il pin CS dell modulo l'ho collegato al GPIO 3 di Arduino
Il pin CLK del modulo l'ho collegato al GPIO 2 di Arduino

Test base del modulo

Ora che ho assemblato il modulo e l'ho collegato ad Arduino non mi resta che testarlo.

Inizio creando un primo programma Scratch che utilizzo per verificare se il modulo funziona correttamente.

Codice Scratch 

Il cuore del codice si trova in due blocchi utili per scrivere la parola di programmazione a 16 bit nel MAX7219

Scrivi Byte

Questo blocco viene chiamato passandogli un valore numerico tra 0 e 255 (byte)
Il blocco si occupa di scrivere questo byte, un bit alla volta, nel MAX7219. Come si puo' vedere prima di scrivere il bit sul piedino DIN (pinData) si imposta il CLK a 0 (LOW) e poi dopo la scrittura si impostal il CLK a 1 (HIGH).
In questo modo il bit sul piedino DIN vienetrasferito nello shift register del MAX7219

In particolare questo blocco puo' essere utile a chi inizia per capire come si fa uno shift a sinistra di un byte.
E' un implementazione rozza (Scrtach e' alquanto limitato) dell'operatore di shift << (bitwise left) del lingiuaggio C.

Scrivi Comando

Questo blocco riceve in ingresso un indirizzo ed un comando su 8 bit (byte).
Il blocco si occupa di scrivere il comando fornito (byte) all'indirizzo fornito (indirizzo)


Come detto prima si trasferiscono i 16 bit di parola (8 di indirizzo e 8 di comando) con il pin CS (pinCS) a o (LOW). Solo alla fine il CS va' portato alto (HIGH) effettivamente trasfererendo i 16 bit nello shift register del MAX7219.
Solo a questo punto il MAX7219 esegue il comando fornito

Altri Blocchi

Gli altri blocchi sono di supporto per avere un main piu' pulito.

In particolare i blocchi hanno questa funzionalita':

• setupGPIO: imposta i GPIO di Arduino per poter comunicare con il modulo Led in modo corretto e secondo le connessioni elettriche
• setDecodeMode: imposta la modalita' di decodifica del MAX7219
• setLuminosita[valore]: imposta la luminosita' della matrice (0-15)
• setScanLimit: imposta lo scanlimit del modulo
• accendiMatrice[valore]: accende o spegne la matrice (0-1)
• testMatrice[valore]: imposta la modalita' di test (0-1)

Blocco Main

Il blocco main e' piuttosto semplice in quanto e' una serie di chiamate aglia ltri blocchi definiti

Inizia impostando i GPIO in modo corretto, poi imposta i parametri principali per il modulo MAX7219, in particolare la luminosita'.

Dopo di cio' spegne la matrice ed esce dalla modalita' di test, per resettare ogni stato precedente.

Poi attende 2 secondi e poi infine imposta la modalita' di test ed accende la matrice.

Se tutto funziona correttamente dovreste vedere tutti i led della matrice accendersi insieme

Bene a questo punto siete sicuri che il vostro che avete assemblato e completamente funzionante.

Arduino s2aio & Scratch - Progetto #1: Blink

Blink

Blink e’ la prima e la piu’ semplice applicazione per Arduino che possiamo programmare con Scratch

Nel mondo del software Blink e’ meglio conosciuto come Hello World !

Blink fa accendere e spegnere ogni secondo il led presente sulla scheda Arduino

Blink serve a verificare che l’ambiente Scratch e Arduino siano correttamente funzionanti

Circuito Finale

Questo e' l'aspetto che avra' il circuito finale. In questo caso non ci sono cablaggi.

Circuito Finale in funzionamento

Questo e' il funzionamento del circuito finale in azione.

Bill of Material

Qui la lista dei componenti e del materiale di cui hai bisogno per realizzare il progetto.

Circuito Breadboard

Realizza il tuo progetto seguendo i cablaggi sulla breadboard e Arduino come raffigurato qui sotto.
In questo caso non ci sono cablaggi.

Codice Scratch

Implementa esattamente questo codice nell'ambiente Scratch per far funzionare il tuo progetto.

Complimenti

Complimenti se vedi il led sulla scheda Arduino lampeggiare ogni secondo significa che hai crerato il tuo primo programma per Arduino e tutto funzionabene !!!