Primo incontro: brainstorming e consolidamento delle conoscenze

Per poter raggiungere con la dovuta consapevolezza gli obiettivi dell’attività è consigliabile che gli studenti conoscano:

• i principi di funzionamento di base di un microcontrollore;
• i costrutti fondamentali della programmazione;
• le parti principali della scheda Arduino ed il suo ambiente di sviluppo.

Nel corso del primo incontro viene esposta alla classe l’idea progettuale di massima e insieme agli alunni si iniziano a ipotizzare possibili soluzioni relative sia ai dispositivi elettronici che al loro montaggio. In base al grado scolastico di riferimento ed alle conoscenze pregresse, l’insegnante dovrà equilibrare la spinta creativa dei discenti, alimentata anche dal confronto tra pari, con la coerenza tecnica e scientifica.

Per tali ragioni, a supporto di chi non ha ancora affrontato nel proprio corso di studi queste tematiche, riportiamo, oltre allo schema di montaggio del sensore, una breve descrizione dei principali dispositivi elettronici impiegati.

I led RGB sono led capaci di produrre tre differenti lunghezze d’onda: Rosso (R, red), Verde (G, green) e Blu (B, blue). Nel nostro caso abbiamo utilizzato la configurazione a catodo comune, con il piedino più lungo al GND di Arduino e con gli altri tre ai pin digitali 6, 7 e 8.

Miscelando fra loro le intensità delle tre lunghezze d’onda si ottengono determinati colori; per questa attività abbiamo impiegato il led solo per la formazione dei colori rosso, verde e blu. Considerando la tensione di alimentazione di 5V, la tensione di funzionamento dei diodi dalla lettura dei datasheet e una corrente nominale di 20 mA, abbiamo ricavato un valore indicativo per le resistenze da mettere in serie ai tre pin: nello specifico abbiamo scelto resistenze da 330 ohm.

La fotoresistenza è un dispositivo in grado di catturare e trasformare la radiazione luminosa che la colpisce in un segnale elettrico all’interno di un circuito.
Arduino riceverà una tensione che varia da 0 V a 5 V sul pin A0. Questa tensione verrà convertita da Arduino, grazie ad un convertitore analogico-digitale a 10 bit, in un numero che varia tra 0 e 1023 (ovvero 2^10 valori=1024).
È interessante notare, da un punto di vista didattico, che questi sono solo valori teorici, perché nella pratica esperienziale detti valori sono difficilmente raggiungibili essendo influenzati da una serie di fattori quali, ad esempio, la resistenza dei fili, la sensibilità della fotoresistenza, la presenza di altri componenti nel circuito ecc. Questo ci ha spinti a considerare un valore di tolleranza da introdurre nella lettura dei dati sul pin analogico, correzione che è stata inserita a livello software in fase di riconoscimento del colore.
Per quanto concerne lo schema di montaggio, si può notare che abbiamo realizzato un partitore di tensione per acquisire un segnale “leggibile” dalla fotoresistenza sul pin analogico di Arduino.

Le variazioni di tensione introdotte dalla sola fotoresistenza sarebbero infatti difficilmente rilevabili da uno strumento di misura; per questo viene messa in serie con un’altra resistenza e letto il valore di tensione tra le due. Se la resistenza variabile offerta dal fotoresistore diventasse, ad esempio, dello stesso valore di quella in serie (10 Kohm nel nostro caso), sul pin analogico A0 arriverà un segnale corrispondente a metà della tensione in ingresso. Da ricordare che il valore della resistenza variabile sul fotoresistore diminuisce all’aumentare della radiazione luminosa e, per contro, aumenta in caso di oscuramento.

Il pulsante, come verrà approfondito più avanti, è stato introdotto per avviare la fase di settaggio del dispositivo. Collegato ad una resistenza in configurazione di pull-down assicura uno stato logico BASSO quando non è premuto e permette di evitare fluttuazioni di corrente che potrebbero provocare falsi segnali o danneggiare la scheda.

Dopo la prima fase di montaggio del circuito si passa ad analizzare in dettaglio il principio di funzionamento del sensore, attività propedeutica all’implementazione del programma da caricare nel microcontrollore. Ed è proprio la capacità di operare un legame organico e coerente tra hardware e software che porta lo studente ad un livello di competenza superiore rispetto alle “normali” proposte didattiche che non sempre riescono a fornire le giuste connessioni tra le due componenti in gioco.

Qual è il principio di funzionamento del sensore?
Il led RGB illumina un corpo opaco, ovvero un oggetto che non si lascia attraversare dalla luce (ci riferiamo essenzialmente alla radiazione visibile dello spettro elettromagnetico), emettendo in rapida successione le lunghezze d’onda relative ai colori rosso (R=red), verde (G=green) e blu (B=blue).

Desta non poca meraviglia negli studenti il fatto di lavorare con grandezze dell’ordine del decimilionesimo di metro, considerando le lunghezze d’onda della luce visibile nell’aria che vanno indicativamente dai 380nm del violetto ai 700nm del rosso. Ad esempio, un raggio di luce rossa è costituito da campi elettrici e magnetici che vibrano alla frequenza di 428 mila miliardi di vibrazioni al secondo. L’esperienza ha permesso così un consolidamento nell’uso della notazione scientifica e dell’ordine di grandezza di numeri molto piccoli (in termini di lunghezza d’onda) e molto grandi (se consideriamo la frequenza).

Per ogni flusso di fotoni emesso dal led RGB, la fotoresistenza registra l’intensità della radiazione riflessa dal corpo opaco.
Sappiamo infatti che quando un corpo opaco è colpito da una radiazione luminosa, in parte assorbe e in parte riflette una o più frequenze (o lunghezze d’onda) dello spettro di emissione della sorgente: i casi estremi sono relativi ai corpi bianchi (massima riflessione) e neri (massimo assorbimento).
Nel nostro sensore i raggi riflessi, per i tre colori emessi dal led RGB, vengono intercettati e trasformati in un segnale analogico dalla fotoresistenza. I dati ricevuti vengono contestualmente confrontati con dei valori standard o di settaggio e visualizzati a video grazie al monitor seriale come indicato in questa sezione dello sketch: