PRESEPINO: IL PRESEPE CON ARDUINO di BORIS LANDONI 82 Dicembre 2015 / Gennaio 2016 ~ Elettronica In Gadget C Centralina capace di simulare ciclicamente l’avvicendarsi del giorno e della notte, pilotando opportunamente fino a sei uscite (con cui alimentare LED o piccoli motori) corrispondenti alla luce del giorno, al bagliore delle stelle, al fuoco delle case, all’accensione della stella cometa e a due dispositivi mobili. Può, inoltre, controllare strip NeoPixel e, per rendere l’atmosfera più natalizia, riproduce musiche a vostra scelta. ome ogni anno, all’approssimarsi delle Feste Natalizie pensiamo a un progetto a tema che possa renderle originali e più calorose. Dato che da tanti anni non proponevamo più quello che è poi uno dei classici dell’elettronica -il controllo delle luci del presepe- abbiamo deciso di optare per una centralina del genere, ma ci è sembrato giusto farlo in chiave moderna ed attuale; e per attuale intendiamo con un hardware conosciuto e apprezzato come quello che migliaia di sperimentatori hanno trovato in Arduino. Ecco nascere, così, Presepino, ossia una centralina di controllo luci e sonoro per presepe, il cui circuito è basato su un ATmega 328 (quindi l’hardware di Arduino UNO) e nasce per comandare direttamente dei LED, con tutti i vantaggi del caso, primo fra tutti il fatto che lavora a bassa tensione e può quindi essere collocata anche a portata dei bambini, senza che ne derivi pericolo per la loro salute. Poi oggi, con la grande disponibilità di strip a LED, realizzare un pre- sepe automatizzato piccolo o grande che sia, risulta semplicissimo. Oltre alle luci, il nostro Presepino permette di gestire anche l’audio, grazie a un innovativo modulo riproduttore di MP3 montato sulla scheda, capace di farvi ascoltare in altoparlante (seppure in mono) i brani contenuti in una SD-Card che potrete scegliere secondo le vostre preferenze. IL PROGETTO Ma andiamo con ordine e vediamo innanzitutto le funzioni disponibili, che differenziano la nostra centralina da quelle per il semplice controllo delle due luci che realizzano la simulazione di alba e tramonto: con Presepino è possibile realizzare un controllo che va oltre il piccolo o grande presepe di casa, per arrivare ai presepi allestiti nelle chiese, negli oratori, nei locali delle comunità e nei luoghi aperti. Per questo motivo abbiamo realizzato un circuito decisamente prestante, in grado di pilotare quattro carichi luminosi a LED funzionanti a 12 volt e che assorbano una corrente Elettronica In ~ Dicembre 2015 / Gennaio 2016 83 individuale di 6 ampere; questa è anche la massima corrente che la scheda può gestire e può essere aumentata stagnando abbondantemente le piste che portano dalla morsettiera di alimentazione ai MOSFET e da questi alle relative morsettiere di uscita. Per corrente individuale si intende che ciascun canale può commutare 6 ampere, ma per come è costruito lo stampato non è possibile assorbire 6 ampere costantemente da tutte le uscite insieme. Questi valori, considerato che il circuito nasce per pilotare strip a LED o comunque composizioni di LED, sono più che accettabili e per un presepe da casa sono sovrabbondanti, pur bastando anche per una struttura all’aperto, grazie all’efficienza luminosa dei LED. Le uscite della centralina sono sei, ma il firmware che forniamo contempla la gestione delle prime quattro per implementare la simulazione della luce del giorno, di quella delle stelle, dei fuochi della capanna/grotta (di Betlemme) e delle case dei pastori, ed infine di illuminare la stella cometa. Le luci si accendono e spengono gradatamente seguendo un ciclo che simula un’intera giornata. A queste uscite di base potete aggiungere, intervenendo sullo sketch per l’ATmega 328, le altre due, cui potete assegnare il controllo di vari accessori del presepe come una ruota a pale, il movimento di personaggi animati o animali, ecc. Per quanto riguarda le uscite di base, abbiamo suddiviso la sequenza completa in quattro fasi denominate giorno, tramonto, notte e alba. La durata delle fasi può essere regolata mediante trimmer, e l’escursione corrispondente si può reimpostare intervenendo sullo sketch (ma in maniera uguale per tutte); ciò vale dunque per il giorno e la 84 notte, ma anche per le due fasi di transizione (tramonto e alba). Queste ultime due sono le fasi più suggestive: durante il tramonto, la luminosità del giorno (realizzata con i LED collegati all’uscita SOLE) diminuisce a poco a poco, mentre nel cielo iniziano a illuminarsi le stelle (si attiva l’uscita omonima); a un certo punto, prima che il ciclo si concluda, si accendono i fuochi delle case e della capanna (uscita FUOCO). Tra l’altro, il nostro circuito è in grado di simulare il tremolio della legna che arde, pilotando con un’opportuna sequenza di impulsi l’uscita FUOCO. Quando tutte le stelle in cielo sono completamente illuminate, appare anche la stella cometa (accesa dall’uscita COMETA). Ovviamente, salvo piccoli dettagli, durante l’alba si spengono gradatamente tutte le luci luminosi, mentre aumenta lentamente sino a raggiungere la massima luminosità la luce del giorno. SCHEMA ELETTRICO Scendiamo ora negli aspetti più tecnici, analizzando il circuito, che è basato sul microcontrollore Atmega 328 nel quale gira l’apposito sketch che implementa il controllo delle uscite e del modulo che realizza il sonoro del presepe; il micro, siglato U1, all’inizializzazione imposta PB0 come uscita per l’invio dei comandi seriali a un’eventuale strip Neopixel, e PB1, PB2, PB3, PD3, PD5, PD6 come output per il controllo delle uscite a MOSFET a canale N (i transistor sono dei robusti STP36N06, da 36 ampere di Id e 60V di Vdso) che materialmente commutano l’alimentazione sui LED o strip a LED corrispondenti. Le linee del micro utilizzate per gestire le uscite pilotano ciascuna il gate Dicembre 2015 / Gennaio 2016 ~ Elettronica In del proprio MOSFET attraverso un resistore da 1 kohm e ciascuna di esse e massa è applicato un LED (con rispettiva resistenza di limitazione della corrente) che accendendosi permette di monitorare lo stato del rispettivo transistor; ciascuna delle uscite fornisce impulsi rettangolari TTL-compatibili di frequenza costante e modulati in larghezza, secondo la tecnica PWM: ciò consente di variare il valore medio della tensione applicata dai MOSFET ai carichi loro collegati e di conseguenza la potenza e la luminosità, con un’elevatissima efficienza in quanto la resistenza in stato di ON (piena conduzione) dei MOSFET è bassissima (appena 40 milliohm) e quindi la potenza dissipata, a parità di potenza trasferita, è limitatissima se confrontata a quella che comporterebbe un pilotaggio serie a tensione continua, dove il transistor dovrebbe sobbarcarsi la differenza tra la tensione di alimentazione e quella applicata al carico. I segnali PWM vengono generati dai moduli PWM interni al microcontrollore, opportunamente impostati dal firmware per ciascuna uscita. L’attuale configurazione circuitale prevede di alimentare le strip di LED collegandone positivo e negativo rispettivamente a + e – della relativa uscita, tuttavia siccome i MOSFET possono “reggere” tensioni drain-source in interdizione pari a 60 volt, è anche pensabile partire da un’alimentazione esterna anche a 24÷36 volt c.c. in modo da ridurre l’assorbimento a parità di potenza elettrica gestita. Se l’alimentazione non viene presa dal circuito, la striscia di LED va connessa con il + al positivo dell’alimentatore scelto e il – all’uscita della nostra centralina, fermo restando che la . e ch i ità M en s ile a ic on r tt e l E e d l ie w w it l a u r t t at lic pp a a, w .e le t t a fic n o à t at i sc o ,n i r o n ic a o n ec t a c i v t en g lo in t i . a c i on r t t le e ’ l e lo tr n I