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sabato 25 febbraio 2017

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:



Non abbiate timore di sperimentare. Uno scrittore Inglese dice:

"Piú impari, meno temi"
(Julian Barnes)




lunedì 31 ottobre 2016

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.






domenica 23 ottobre 2016

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.





venerdì 30 settembre 2016

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.


IMG_0037.JPG



Circuito Finale in funzionamento

Questo e' il funzionamento del circuito finale in azione.



output_0p3AWP.gif



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.



blink_bb.png


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 !!!












sabato 17 settembre 2016

Scratch e Arduino con s2aio

In questo post faccio vedere come installare il software necessario per poter  programmare Arduino utilizzando l'ambiente di programmazione visuale Scratch e s2aio





Iniziamo con la lista di quello che ci serve:


  • Scheda Arduino con cavo USB






Io utilizzo una scheda Arduino UNO, ma qualsiasi altra scheda Arduino funziona in modo analogo.
In caso di utilizzo di schede Arduino cloni potrebbero essere necessari dei driver addizionali per Windows

  • Arduino Software e Ambiente di programmazione




Ambiente di sviluppo per Arduino (v 1.6.5) che si scarica gratuitamente qui. Non spaventatevi lo usiamo solo la prima volta, poi non lo useremo piu' per realizzare i nostri progetti con Arduino :)


  • Un Computer
Vi server un computer con Windows, Linux o MAC.

Oltretutto potete anche usare Linux o il MAC. In questo post tutte le istruzioni sono per WIndows siccome e' il piu' diffuso. Io uso Windows 7 ma versioni successive funzionano ugualmente. 

  • s2aio 
E' un estensione software disponibile qui,  che aggiunge il supporto per la programmazione di Arduino all'ambiente di programmazione Scratch2 off-line.


Adesso che abbiamo tutti i componenti necessari, iniziamo l'installazione. Nel resto del post spiego passo per passo cosa bisogna fare.

Passo #1: Installazione di Scratch




  • Segui le istruzioni a video per completare l'instllazione di Adobe Air


  • Segui le istruzioni a video per completare l'instllazione di Scratch
  • Verifica che Scratch sia instllato correttamente eseguendolo (cliccka sull'icona con il gattino Scratch)


  • Se tutto e' instllato correttamente devi vedere la finestra dell'ambiente Scratch a video


Passo #2: Installazione del Software Arduino


  • Unzip in una cartella: la versione di Arduino suggerita non richiede instllazione. Fai unzip del file in una cartella a tua scelta e poi esegui arduino direttamente da questa cartella.
E' possibile che in funzione del modello della tua scheda Arduino devi installare i driver.
Segui questa guida qui, ti spiega passo per passo come installare i driver

Se possiedi un Arduino clone puoi trovare i driver qui

  • Collega la scheda Arduino al PC tramite il cavo USB
La maggior parte delle schede Arduino viene alimentata direttamente dal PC tramite il cavo USB. In alcune schede devi appositamente selezionare un ponticello (Arduino Diecimila)


Passo #3: Verifica della porta COM in uso


Se tutto e' andato per il verso giusto una nuova porta COM e' stata aggiunta al tuo sistema.
Verifica in questo modo:


Start -> Control Panel



poi seleziona Hardware and Sound




poi seleziona Devices and Printers


Adesso al fondo della finestra dovresti vedere una nuova porta seriale COM chiamata Arduino




Nel mio caso la porta si chiama COM4. Nel tuo caso questo numero potrebbe cambiare.
Annotati questo nome siccome ci sara' utile dopo. 


Passo #4: Configurazione software Arduino

L'estensione s2aio di Scratch che utilizeremo per comunicare con Arduino usa un protocollo chiamato Firmata.
Dobbiamo installare il software Firmata sulla nostra scheda Arduino faceondo cosi':

  • Carica l'ambientre Arduino
Dal menu start di windows cercate il software Arduino appena installato e lanciatelo



Se tutto ha funzionato correttamente dovreste vedere una schermata simile a questa




  • Configurate il software
A questo punto bisogna configurare un paio di parametri nel software per far comunicare questo ambiente di programmazione con la scheda Arduino

Selziona il menu Tools -> Board

Vi compare una lunga lista di schede Arduino disponibili, voi selezionate esattamente quella che state utilizzando.
Nel mio caso ho selezionato Arduino Uno



Adesso non resta che completare la configurazione selezionando Tools -> Port
Da qui scegli la porta COM che ti eri annotato prima. Nel mio caso e' COM4






Passo #5: Installatiamo il software Firmata

Per installare il software di comunicazione Firmata sulla scheda Arduino basta fare cosi':

  • Carica il codice sorgente Firmata

Seleziona File -> Examples -> Firmata -> StandardFirmata



Adesso si apre una seconda finestra contenente il codice sorgente Firmata.
Puoi scorrere con mouse su' e giu' per vedere il codice sorgente, ma probabilmente ti risultera' incomprensibile. Niente paura non devi modificarlo.
In futuro quando acquisirai piu' esperienza sono sicuro che riuscirai a capire cosa fa' questo codice. :)


  • Upload del codice sulla scheda Arduino
Per compilare (il processo che trasforma il codice sorgente in codice macchina) e caricare il software su Arduino basta fare click sul pulsante Upload



Se tutto e' andato a buon fine dovresti vedere qualcosa di simile in basso nella finestra di Arduino




Come promesso all'inizio se hai raggiunto questo punto e' l'ultima volta che userai il software Arduino per programmare la tua scheda. Da ora in poi useremo Scratch. Pero' devi ancora completare l'installazione di un componente software. 
Guarda come si fa' come qui sotto.


Passo #6: Verifica della versione di Windows 

Prima di proseguire dobbiamo verificare la versione di Windows instllata (32 o 64 bit).




Seleziona Start -> Computer -> Taso destro del mouse -> Proprieta'

Dovresti vedere finestra simile a quella qui sotto






Nella riga dove c'e' scritto (Tipo di Sistema - System Type) vedi se il tuo windows e' a 32 o 64 bit.

Il mio e' a 64 bit. Annota questa informazione perche' e' utile nei passi successivi


Passo #7: Installazione di Python


E' necessario instllare la versione corretta (32 o 64 bit) di python in funzione della versione del tuo Windows.

  • Esegui il file .exe che hai scaricato per inizare l'installazione di python. Una finestra simile a questa qui sotto viene visualizzata

  • Scegli le opzioni come evidenziato nella figura sopra
  • Premi Install now. L'installazione comincia e vedi il progresso a video

  • Premi Close quando l'installazione e' al 100%

  • Ora verifica che python sia stato instllato correttamenteaprendo una finestra di terminale (Prompt o Finestra dei Comandi)


  • Ora scivi nel prompt dei comandi: python -V. Dovresti vedere un messaggio simile al mio

Ok se vedi visualizzata la versione di python significa che l'installazione e' andata a buon fine!

Passo #8: Installazione di s2aio

  • Installa s2aio tramite linea di comando (Prompt o Finestra dei Comandi)
  • Inserisci il seguente comando: pip install s2aio. 

  • Dovresti vedere una serie di messaggi simili ai miei

  • Al termine dell'installazione verifica che tutto sia andato a buon fine digitando il seguente comando nella finestra dei comandi: pip list
  • Dovresti vedere una serie di messaggi simili ai miei

  • Se nella lista di pacchetti installati leggi s2aio allora significa che l'estensione di scratch per arduino e' installata correttamente
  • Al termine dell'installazione verifica che tutto sia andato a buon fine digitando il seguente comando nella finestra dei comandi: pip list

Passo #9: Lanciamo l'ambiente Scratch

Per poter usare correttamente l'estensione s2aio in Scratch e' necessario lanciare l'editor di Scratch tramite linea di comando

  • Ora scivi nel prompt dei comandi: s2aio -l 9 -p COM4. Dovresti vedere un messaggio simile al mio

Nota  nel comando qui sopra ho specificato COM4 che e' il nome della porta seriale utilizzata per la comunicazione tra Scratch e Arduino. Se al passo 3 hai annotato un valore diverso allora usa il valore corretto nel comando appena inserito
  • In pochi istanti l'editor di Scrtach  deve partire a schermo

  • Ora vai nella tab/menu Altri Blocchi (in viola), dovresti vedere qualcosa di simile

Se la luce accanto a s2aio e' VERDE allora significa che tutto e' ok e che Scratch e' in grado di comuniocare con Arduino

Passo #10: Programma di Prova

  • Seleziona con il mouse lo sptrite di scratch ed inserisci il seguente script

  • Premi la bandierina verde per lanciare il programma su Arduino

  • A questo punto Scratch invia ad Arduino i comandi che hai programmato nello script
Questo script fa la seguente cosa:

Quando si preme la bandierina verde il programma inizia connettendo il led A al pin 13 di Arduino.
Dopo di cio' accende il led per 1 secondo, poi lo spegne per 1 secondo e poi ricomincia dall'inizio.
Quindi una volta che eseguiamo il programma (click su bandierina verde) il led sulla scheda arduino si accende e si spegne continuamente
  • Osserva la tua scheda Arduino e vedrai che il led con la L vicino si accende e spegne ogni secondo






Prova a cambiare il tempo di accensione e spegnimento e guarda che succede :) :)

Conclusioni

In conclusione abbiamo configurato tutto il necessario per poter eseguire i nostri programmi Scratch su Arduino. Tutta la programmazione avviene in ambrinte visuale Scratch e quindi non serve imparare nessun linguaggio specifico.

L'ambiente descritto in questo articolo si presta perfettamente all'utilizzo dei piu' piccoli permettendogli cosi' di imparare sia la programmazione visuale sia l'interazione con una scheda fantastica come quella di Arduino.