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Sperimentiamo con gli ultrasuoni: un sensore di parcheggio full-optional

In questo progetto, realizzato con una classe terza della scuola secondaria di primo grado, vedremo come applicare quanto appreso in classe sul suono e sugli ultrasuoni, realizzando un sensore di parcheggio a basso...

  by Gianni Monti
CATEGORIA
Elettronica
Arduino

Introduzione

In questo progetto, realizzato con una classe terza della scuola secondaria di primo grado, vedremo come applicare quanto appreso in classe sul suono e sugli ultrasuoni, realizzando un sensore di parcheggio a basso costo, grazie ad una scheda Arduino ed alla programmazione visuale a blocchi del software Visualino [1].
L’utilizzo di questo programma semplifica notevolmente la fase di coding e, vista la possibilità di variare le specifiche hardware del dispositivo, possiamo proporre di svolgere l’attività a partire dalla classe quinta della scuola primaria.
Negli ultimi anni è notevolmente migliorata la “visibilità” alla guida di un’automobile grazie a una serie di dispositivi (telecamere, sensori, sistemi di visualizzazione) che garantiscono un approccio più semplice in fase di manovra e di parcheggio. Non dobbiamo quindi meravigliarci se tra gli accessori più richiesti e proposti dalle case automobilistiche ci sono i sensori di parcheggio.

Obiettivi e Competenze

Competenze trasversali:

  • elaborare e realizzare progetti, utilizzando le conoscenze apprese, definendo strategie di azione e verificando i risultati raggiunti
  • interagire in gruppo contribuendo all’apprendimento comune ed alla realizzazione delle attività valorizzando le proprie e le altrui capacità

Competenze disciplinari:

  • attraverso esperienze progettuali significative sviluppare un atteggiamento positivo verso l’ambito tecnologico e scientifico-matematico
  • favorire l’utilizzo delle strategie induttive del problem posing e del problem solving
  • sviluppare una persistenza ed una tolleranza al lavoro in situazioni problematiche
  • verificare la capacità di generalizzare e trasferire quanto sperimentato in contesti concreti.
 
Obiettivi di apprendimento:
  • elaborare semplici istruzioni per programmare il comportamento di un microcontrollore
  • pianificare le diverse fasi di realizzazione di un dispositivo impiegando materiale elettronico
  • costruire un sensore di parcheggio con materiali facilmente reperibili e a basso costo a partire una situazione autentica
  • immaginare modifiche di dispositivi elettronici in relazione a nuovi bisogni o necessità
  • valutare le conseguenze di scelte e decisioni relative a situazioni problematiche.

Strumenti

  • 1 scheda Arduino Uno
  • 1 display LCD 16×2 (16 colonne e 2 righe) compatibile con driver Hitachi HD44780
  • 1 LED rosso
  • 1 LED giallo
  • 2 resistenze da 220 ohm
  • 1 buzzer
  • 1 sensore ad ultrasuoni HC-SR04
  • 1 potenziometro da 10k ohm
  • fili di collegamento

Metodologia didattica

  • Learning by doing
  • Project-based learning [2]

Linee guida delle attività

Pre-requisiti:

Per poter raggiungere con la dovuta consapevolezza gli obiettivi individuati è consigliabile che gli studenti conoscano:

  • i principi di funzionamento di base di un microcontrollore
  • le parti principali della scheda Arduino ed il suo ambiente di sviluppo [3]
  • i costrutti fondamentali della programmazione.

L’attività può essere svolta pensando più step di approfondimento e di implementazione hardware a partire da  un livello base (per la scuola primaria) che può prevedere l’utilizzo del solo sensore ad ultrasuoni combinato con un led.
Nella versione proposta in questo articolo è documentata l’attività svolta in due lezioni da due ore ciascuna (4 ore totali) con una terza media e descrive la sperimentazione del sensore ad ultrasuoni HC-SR04 (di cui abbiamo già parlato in un precedente tutorial [4]) per la realizzazione di un sensore di parcheggio pluriaccessoriato.
Le finalità del progetto restano ovviamente didattiche e l’inserimento di più dispositivi di segnalazione visiva ed acustica vogliono favorire una maggiore  consapevolezza d’uso, senza dimenticare  che tali dispositivi possono offrire importanti spunti di approfondimento sull’uso delle tecnologie inclusive (deficit visivo, uditivo, etc.).

Nella lezione che ha preceduto le 4 ore di attività la classe è stata divisa in squadre di progetto composte da tre o quattro studenti, ognuno con un compito specifico nel gruppo, ma tutti calati nelle vesti di ricercatori esperti orientati, attraverso un lavoro collaborativo, alla realizzazione di un prodotto concreto.
La collaborazione di gruppo è un fattore determinante nel processo di apprendimento, come lo è in questo approccio metodologico la definizione di un compito reale: realizzare un sensore di parcheggio attraverso la sperimentazione del sensore ad ultrasuoni e implementare dispositivi di segnalazione per una migliore usabilità del dispositivo.

Non potendo descrivere tutti i prodotti realizzati dai gruppi, abbiamo scelto di presentare quello che in fase di condivisone dei lavori ci è sembrato tra i più significativi.

Il gruppo di progetto in questione ha utilizzato il sensore ad ultrasuoni per individuare la distanza del veicolo dall’ostacolo. Con valori inferiori ai 20 cm faranno accendere un led giallo che lampeggerà con una frequenza inversamente proporzionale alla distanza rilevata e verrà visualizzato su un display l’invito per il conducente a fare attenzione. Se lo spazio auto-ostacolo dovesse invece risultare inferiore ai 10 cm si attiveranno un buzzer e un led rosso -sempre con frequenze inversamente proporzionali alla distanza- e sul display LCD verrà segnalata la situazione di pericolo d’urto imminente.

Per i collegamenti display-Arduino si suggerisce di seguire quanto proposto nel seguente schema di montaggio (schema realizzato con il software fritzing [5]):

La parte restante del dispositivo viene riportata qui di seguito per facilitare la visualizzazione dei collegamenti che, in questo caso, riguardano il sensore ad ultrasuoni, i led ed il buzzer (ovviamente la scheda Arduino sarà la stessa utilizzata per le connessioni con il display).

Le prime due ore di lavoro, che hanno visto i gruppi prevalentemente impegnati nella progettazione del sensore, nella ricerca di informazioni sui componenti elettronici individuati (uso di molteplici fonti e media) e nella condivisione tra pari e con il docente degli sviluppi progettuali, si sono concluse con il montaggio su breadboard del dispositivo.

L’attività del docente è di tipo orientativo e non direttivo, volta prioritariamente alla realizzazione di un ambiente di apprendimento basato su percorsi attivi.

 La seconda parte dell’attività ha visto i gruppi impegnati nella programmazione della scheda Arduino secondo le specifiche definite. Analizziamo allora in dettaglio la programmazione a blocchi del sensore di parcheggio descritto:

Nella sezione “Setup” viene dichiarata la variabile “distanza” e posta inizialmente uguale a zero: questo elemento rappresenta il “contenitore” nel quale andremo a scrivere i valori delle distanze ricavate.

Per controllare il display LCD Visualino utilizza la libreria “LiquidCrystal.h” che semplifica enormemente il processo di controllo e di visualizzazione del testo sul display, evitando così di affrontare programmazioni di basso livello, non compatibili con il grado scolastico a cui l’attività è rivolta. Nella fattispecie vanno definiti cinque pin di Arduino corrispondenti alle seguenti funzioni sul display:

Vediamo ora cosa inserire nella parte di “Loop” eseguita ripetutamente dal microcontrollore dopo il caricamento dello sketch sulla scheda:

Vengono posti nello stato LOW (BASSO) i segnali ai pin 6, 7, 8, corrispondenti rispettivamente al buzzer ed ai led giallo e rosso: di fatto queste istruzioni permettono di interrompere ciclicamente le eventuali attivazioni dei componenti indicati permettendo il lampeggio dei led e l’intermittenza nell’emissione del suono nel buzzer.

Per chi avesse già letto e sperimentato il nostro tutorial sul sensore HC-SR04 [4] non dovrebbe avere dubbi sulla funzione del blocco “BAT-Ultrasonic Sensor” che, noti i pin di trasmissione (TRIGGER) e ricezione (ECHO) dell’onda ultrasonica a 40k Hz, restituisce il valore della distanza dall’ostacolo in cm.

Nota a questo punto la misura della distanza possiamo inserire i blocchi condizionali sulla base delle specifiche iniziali:

  • CONDIZIONE 1 : se distanza > 20 cm visualizza misura sul display LCD;


  • CONDIZIONE 2: se 10 cm < distanza < 20 cm lampeggio led giallo in funzione della diminuzione della distanza e visualizzazione sul display del testo “Attenzione!”

  • CONDIZIONE 3: se distanza < 10 cm lampeggio del led rosso in funzione della diminuzione della distanza e visualizzazione sul display del testo “!PERICOLO URTO!”

Risultati attesi

  • acquisire una maggiore consapevolezza sulle modalità di funzionamento degli strumenti digitali ed elettronici che utilizziamo ogni giorno;
  • attitudine ad applicare, di fronte ad una situazione problematica, un metodo che porti lo studente ad identificare, analizzare, sviluppare e verificare le possibili soluzioni avendo come riferimento la realizzazione di un artefatto (fisico e cognitivo);
  • capacità di comunicare e lavorare con gli altri per il raggiungimento di una meta comune o di una soluzione condivisa.

Direttamente dall'aula la sperimentazione in classe del sensore:



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