presepino - ElettronicaIn

PRESEPINO:
IL PRESEPE
CON ARDUINO
di BORIS LANDONI
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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
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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
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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
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