Come costruire episodio 1: l'encoder ottico

Dopo più di 6 mesi finalmente siamo di nuovo pronti per un altro articolo: nel post precedente avevamo promesso di parlare del circuito elettronico, ma siamo ancora lontani da una versione completa e funzionante del circuito, per cui parleremo prima dei vari componenti singolarmente e, successivamente, dello schema nella sua interezza. In questo primo articolo della serie proveremo a farvi conoscere e capire in modo semplice e il più dettagliato possibile i segreti (mica tanto segreti) del componente più richiesto: l'encoder ottico.

Per chi non avesse voglia di leggere tutta sta pappardella ecco un indice col quale potrete passare direttamente alla parte che vi interessa:

 - Che cos'è

 - Come è fatto

 - Come funziona (sensore infrarosso generico)

 - Come funziona (encoder ottico)

 - Come collegarlo al microcontrollore (Arduino)

 - Schema elettronico

 - Pin interrupt (cos'è e perché usarlo)

 - Software di test

Innanzitutto, che cos'è un encoder?

La tanta amata Wikipedia da questa definizione: "Il trasduttore di posizione angolare, comunemente noto in ingegneria elettronica come encoder, è un dispositivo elettromeccanico che converte la posizione angolare del suo asso rotante in segnali elettrici numerici digitali", nel caso di Explò servirà a dare indicazioni sulla rotazione delle ruote, in modo da poter fare una stima della distanza percorsa dal robot.

L'encoder che vogliamo utilizzare è molto semplice (e soprattutto molto poco costoso), ma richiede qualche piccola accortezza per funzionare al meglio, per cui cominciamo col parlare di come è fatto e del funzionamento vero e proprio.

L'encoder ottico che useremo, come già accennato in un precedente post, è sostanzialmente costituito da soli due componenti, due led infrarossi (più tardi vedremo come mai proprio infrarossi): uno detto emettitore e l'altro detto ricevitore.

L’emettitore svolge la tipica funzione di un qualsiasi LED (Light Emitting Diode, diodo ad emissione luminosa): emettere luce se ai due poli è applicata una differenza di potenziale.

Al contrario il ricevitore sfrutta una proprietà poco conosciuta dei led; infatti non solo possono emettere luce, ma sono anche in grado di fare l'esatto opposto: generare corrente elettrica se colpiti da una radiazione luminosa, proprio come fanno le celle fotovoltaiche quando colpite dai raggi solari.

Ma in che modo funziona? Con le premesse appena fatte il funzionamento è molto semplice e intuitivo.

Questi due led, posti l'uno di fronte l'altro, agiscono esattamente come le fotocellule dei cancelli o dei portoni. Il led emettitore produce costantemente una radiazione luminosa: se vi è un ostacolo tra i due diodi il led ricevitore non viene investito dalla luce e non succederà nulla; al contrario, in assenza di ostacoli, la radiazione arriverà a colpire il ricevitore, che quindi, come detto sopra, produrrà una corrente.

Proprio per evitare che il ricevitore reagisca a qualsiasi radiazione luminosa estranea (ad esempio la luce del sole), per queste applicazioni vengono utilizzati dei led IR (infrarossi): infatti ogni led reagisce solo alle radiazioni di lunghezza d’onda che sono in grado di produrre. Nel nostro caso il ricevitore reagirà soltanto ad una luce nel campo dell’infrarosso, e l’unica fonte di questo tipo di radiazione sarà l'emettitore, quindi il sensore non subirà sostanziali disturbi dalle altre radiazioni presenti nell'ambiente (nel nostro caso useremo led con lunghezza d’onda di 840 nm, ma qualsiasi tipo di led IR dovrebbe andare bene).

Se ve lo foste mai chiesto questo è praticamente lo stesso metodo utilizzato per la comunicazione tra telecomando e televisore, che infatti hanno rispettivamente un emettitore ed un ricevitore infrarosso.

Fin qua dovrebbe essere tutto chiaro (o almeno spero), però abbiamo parlato solo di raggi solari e tetti, cancelli e portoni, televisori e telecomandi: tutto questo cosa c'entra con l'encoder ottico?

Intanto grazie per la domanda azzeccatissima, cade giusto a fagiolo per introdurre il prossimo capitolo: come usare il sensore appena descritto per realizzare un encoder ottico.

Posizioniamo i due led sul telaio, o comunque fissi alla struttura portante, in modo tale che si trovino ai lati della ruota del nostro robot, il più vicino possibile alla circonferenza esterna e rivolti l’uno verso l’altro. Ora facciamo sulla ruota stessa un piccolo foro (diametro almeno 2-3mm per garantire un buon passaggio di luce), sempre vicino al bordo esterno, in linea con i led: in questo modo, con il robot è in movimento, il ricevitore produrrà un segnale elettrico quando la fessura si troverà all'altezza del sensore, e solo in quel istante. Il microcontrollore sarà allora in grado di capire quando il foro passa di fronte ai led e quindi, ad ogni impulso elettrico in arrivo dal ricevitore, saprà che la ruota avrà compiuto un giro completo sul proprio asse.

E’ un inizio, ma non ci basta; a noi serve una precisione maggiore: ora come ora abbiamo una precisione di un giro o, esprimendola in gradi, di 360°. Quindi, se prendiamo come istante iniziale la prima volta che il foro passa di fronte ai led, possiamo sapere quando la ruota ha ruotato di 360° o 720° o 1080° eccetera rispetto allo zero che abbiamo imposto, però non sappiamo niente negli istanti intermedi. Forse non sembra un gran problema, ma se pensiamo che la ruota avrà un diametro di circa 6 cm, vuol dire che conosceremo la posizione di Explò solo una volta ogni poco meno di 19 cm (lunghezza  della circonferenza), rendendo il robot praticamente inutile.

La soluzione c’è ed è anche molto semplice: usando termini tecnici, basta fare più buchi.

Tracciamo quindi una circonferenza sulla ruota, con centro nell'asse della ruota e passante per il foro già fatto: lungo questa curva facciamo gli altri fori ad egual distanza l’uno dall'altro, con l’aiuto di un goniometro. Avendo fatto il primo vicino al bordo esterno dovrebbe esserci spazio per almeno 20 fori, facendo salire la precisione a 18°, quindi, nel nostro caso, avremo informazioni praticamente ad ogni centimetro percorso da Explò. Ovviamente aumentando i fori aumenta la precisione del sensore, però se facciamo i fori troppo piccoli per risparmiare spazio, c’è il rischio, come già detto prima, che non facciano passare abbastanza luce: fate qualche prova, magari con ruote di cartone per trovare il giusto equilibrio tra quantità e larghezza dei fori.

A questo punto abbiamo pronto il nostro encoder, manca soltanto renderlo operativo attaccandolo ad un microcontrollore, nel nostro caso un Arduino UNO (le stesse considerazioni possono essere applicate a qualunque altro microcontrollore). Come abbiamo detto il sensore è formato solo da due led IR: vediamo come vanno collegati, cominciando con il led emettitore.

Per chi fosse proprio alle primissime armi nel mondo dell’elettronica ecco come riconoscere in un led quale dei due poli è il negativo (catodo) e quale il positivo (anodo).

Negativo: gamba corta e circonferenza tagliata (come si vede nella foto il bordo del led sul “lato negativo”                       non è tondo ma smussato)

Positivo: gamba lunga

Ricordiamo che il led emettitore deve solo emettere (scusate, ma proprio non mi veniva in mente nessun altro verbo) costantemente un raggio di luce, non ha bisogno di alcun controllo o non deve fornire alcun dato: ha semplicemente bisogno di essere alimentato nel modo adatto (se sapete già come alimentare un led cliccate qua per andare al collegamento del ricevitore).

Per farlo basta collegare il polo negativo alla massa (ground  in inglese e GND su Arduino) e quello positivo ad una resistenza che a sua volta è collegata all'alimentazione (Vcc sui microcontrollori e 5V su Arduino).

Il valore della resistenza (espresso in ohm, simbolo Ω) viene calcolata in base alla tensione di alimentazione, alla tensione di lavoro del led e alla corrente assorbita dallo stesso tramite questa formula: R = (V_al – V_led) / I_led. Nel nostro caso abbiamo una tensione di alimentazione di 5 V (volt), una tensione di lavoro del led di circa 1,5 V e il led assorbe circa 16 mA (milliampere): la resistenza adatta è quindi di 218.75 ohm. Le resistenze che si trovano in commercio vengono prodotte solo in alcuni valori standard, quindi, per rimanere nella sicurezza, bisogna sempre arrotondare per eccesso e usare una resistenza con un valore maggiore, il più vicino possibile a quella richiesta. Noi useremo delle resistenze da 220 ohm. Il valore di ogni resistenza viene identificato dalle bande colorate impresse sulla superficie: ci sono un sacco di siti o di tabelle o di app per identificare il valore dal colore delle bande e/o viceversa, google vi sarà di aiuto.

Il collegamento del ricevitore può sembrare ancora più semplice: il polo negativo di nuovo attaccato alla massa (sempre GND su Arduino),  mentre il polo positivo collegato direttamente ad uno dei pin digitali del microcontrollore in modo da ricevere il potenziale prodotto dal ricevitore quando non vi sono ostacoli tra i due led.

Questo è stato il nostro primo tentativo, risultato: all'Arduino non arrivava assolutamente nulla.

Dopo qualche attimo di disperazione abbiamo preso il fidato multimetro e trovato la magagna. Per capire cosa non andava serve prima un po’ di teoria (se non vi interessa e volete andare subito alla soluzione pigiate qui).

I pin di un microcontrollore (nel caso di Arduino quelli digitali) sono in grado di identificare e produrre solo due tipi di segnale: HIGH (alto, attivo, vero, 1 in codice binario) e LOW (basso, non attivo, falso, 0 in codice binario).

Lo stato LOW si ha quando non vi è passaggio di corrente, o meglio quando la tensione sul pin è di circa 0 volt. Per attivare lo stato HIGH deve essere invece presente sul pin una certa tensione specifica per ogni tipo di microcontrollore. Se andiamo a controllare il datasheet del micro di Arduino (ATmega328), esattamente a pagina 313 troviamo questo:

Vcc è la tensione di funzionamento del microcontrollore, nel caso di Arduino 5V: lo stato HIGH viene quindi raggiunto oltre la tensione di circa 3 volt.

Dopo questa piccola premessa, torniamo alla pratica. Proviamo a misurare la tensione presente sul pin, in assenza di ostacoli tra i led: ricordiamo che in questa situazione il microcontrollore dovrebbe essere in grado di ricevere una “impulso” elettrico e, quindi, di leggere uno stato HIGH sul pin; però, con la nostra misurazione, abbiamo ottenuto una tensione di 900 mV (millivolt): confrontandola con i dati nella tabella qua sopra, vediamo che si trova ancora nel range dello stato LOW, ecco il problema!

Dobbiamo quindi amplificare il segnale in arrivo dal ricevitore, e per farlo basta un semplice componente: un transistor, per la precisione un transistor NPN; ma come funziona un transistor?

Per farla veloce il transistor NPN ha 3 poli, base, collettore ed emettitore: la corrente che va dal collettore all'emettitore è proporzionale alla corrente che arriva sulla base, e quindi se non c’è corrente sulla base, non passa corrente tra il collettore e l’emettitore. L’ho fatta un po’ semplice, ma è sostanzialmente quello che ci serve sapere. Se volete saperne di più in rete ci sono un mare di informazioni a riguardo, per ora torniamo al nostro problema pratico.

La prima cosa da fare è collegare la base al polo positivo del led ricevitore: in questo modo, ogni volta che arriva corrente dal led, viene consentito il passaggio di segnali elettrici tra gli altri due pin del transistor, mentre, se non arriva corrente, i due poli sono isolati l’uno dall'altro. Abbiamo quindi creato una sorta di interruttore, adesso vediamo come sfruttarlo al nostro scopo.

Colleghiamo il polo negativo del led e l’emettitore del transistor al ground, il collettore alla tensione di alimentazione (+5V di Arduino) tramite una resistenza da 10Kohm (10'000 ohm) e infine il pin digitale di Arduino al collettore (N.B. MOLTO IMPORTANTE: è da scegliere un pin così detto interrupt, nel caso di Arduino UNO il 2 o il 3; più tardi vi spiego cos'è e perché è da preferire agli altri pin). Se le parole non vi bastano ecco una piccola illustrazione e la foto del risultato finale.

Vediamo come si comporta nei due casi di funzionamento:

Ostacolo tra i led NO

La corrente in arrivo dall'emettitore va a finire sulla base, consentendo il passaggio di corrente tra collettore e emettitore. In questo caso è come se il collettore fosse direttamente collegato al ground: sappiamo che al ground (se facciamo tutto giusto) c’è una tensione di 0V, di conseguenza sia sul collettore che sul pin di Arduino la tensione sarà di 0V.

Riassumendo se non ci sono ostacoli tra i led lo stato del pin digitale sarà LOW (o 0 o basso).

Ostacolo tra i led SI

Sulla base non vi è corrente, quindi è come se il transistor non ci fosse: in pratica il pin dell’Arduino risulta essere collegato direttamente all'alimentazione tramite la resistenza, quindi ci sarà una tensione di circa 5V (un po’ meno a causa di una piccola dissipazione dovuta alla resistenza).

Quindi se ci sono ostacoli tra i led lo stato del pin digitale sarà HIGH (o 1 o alto).

Perfetto, l'encoder è pronto! Ecco lo schema elettronico definitivo e una foto del nostro encoder ottico! (Nella foto il cavo rosso porta il segnale all'Arduino)

Per ultima cosa diamo un’occhiata a come far interagire il microcontrollore con il sensore.

Come vi abbiamo detto poco sopra, è meglio, se non addirittura necessario, scegliere un pin interrupt per collegare l’encoder all'Arduino, ma perché?

A noi non serve semplicemente leggere lo stato in cui si trova il pin (alto o basso) in un determinato momento, ma ci interessa sapere quando avviene il cambiamento dello stato da alto a basso e viceversa, cioè, quando lo spazio tra i due led passa dall'essere libero all'essere ostruito da un ostacolo e viceversa; quindi il programma deve verificare che ci sia il cambiamento di stato e dunque lanciare una funzione specifica. Vediamo allora cosa cambia utilizzando i pin normali e gli interrupt.

Pin digitali (normali)

Prima di tutto bisogna scrivere, in un punto preciso del programma, una funzione di lettura dello stato del pin; poi bisogna controllare la lettura precedente e verificare che effettivamente è avvenuto il cambiamento di stato, ed infine, se c’è stato cambiamento di stato, lanciare la funzione: insomma molte righe per lanciare una singola funzione.

Tutto ciò, inoltre, è inserito in mezzo ad altre decine se non centinaia di righe di programma, sorge quindi un altro problema: e se il cambiamento di stato avviene mentre il microprocessore sta facendo qualcos'altro? Beh, se il programma è particolarmente complesso è possibile che uno o più cambiamenti di stato vengano saltati, quindi tutto il sistema perde notevolmente in precisione ed affidabilità. Insomma, non è un gran che, non resta che sperare nell'interrupt.

Pin interrupt

Spendiamo prima due parole per spiegare di cosa si tratta.

L’interrupt è una funzione che permette letteralmente di interrompere il programma in qualsiasi momento per avviare un funzione specifica; una volta terminata la funzione, il programma riprende da dove è stato fermato. Questo interrupt deve essere lanciato da un qualche tipo di comando: il pin interrupt ha proprio questo scopo, ed esegue il suo compito in modo completamente diverso da ogni altro pin. In pratica il microcontrollore lancia un interrupt quando un particolare evento, deciso dall'utente, accade sul pin interrupt; non c’è più bisogno di specificare un punto del programma in cui effettuare la lettura dello stato del pin: non appena l’evento specifico avviene, il microcontrollore lancia l’interrupt e la funzione collegata può essere svolta.

Tra gli eventi che si possono specificare c’è CHANGE che fa proprio al caso nostro: ogni volta che lo stato del pin cambia da alto a basso o viceversa, l’interrupt viene lanciato.

Come si può vedere i vantaggi nell'usare questo tipo di pin sono multipli e risolvono tutti i problemi dell’usarne uno qualsiasi. L’intero funzionamento dell’interrupt è racchiuso in una sola riga di programma: infatti con un singolo comando si specifica il pin interrupt che si vuol usare, la funzione da lanciare e l’evento scatenante l’interrupt (qua trovate come dichiarare e far funzionare un interrupt con Arduino). Altro vantaggio nell'uso dell'interrupt, è che, come abbiamo già detto più volte, può essere lanciato in qualsiasi momento, sia con il microcontrollore inattivo, sia durante altre operazioni: diventa quindi praticamente impossibile perdere il passaggio da presenza di ostacolo ad assenza (e viceversa) tra i led dell’encoder. Inoltre, utilizzando l'evento change, con un solo foro potremo lanciare l'interrupt due volte: infatti verrà lanciato al passaggio da ruota a foro e di nuovo al passaggio da foro a ruota. In questo modo avremo raddoppiato la precisione del sensore senza modificare la ruota o il sensore stesso, e senza aggiungere alcuna riga di programma.

Ci siamo, ogni problema dovrebbe essere risolto e le nostre prove lo dimostrano: questo encoder ottico funziona davvero!

Se volete testare il vostro encoder, o comunque volete farvi un’idea di come richiamare un interrupt con Arduino, qua sotto vi alleghiamo un piccolo programma di controllo: come potrete notare una volta caricato il file sulla scheda, anche mettendo il microcontrollore in pausa (con la funzione delay), l’interrupt è comunque in grado di interagire con il processore, facendogli lanciare la funzione di nostra scelta (nel nostro caso un semplice contatore).

volatile long contatore = 0; // dichiarando la variabile come volatile, il suo valore viene salvato anche quando il loop ricomincia void setup(){ Serial.begin(9600); attachInterrupt(0, conta, CHANGE); // dichiaro il pin interrupt, la funzione da lanciare e l'evento scatenante } // nella dichiarazione 0 corrisponde al pin 2 su Arduino, 1 al pin 3 void loop(){ // il programma continua a girare per conto suo delay(1000); // il microcontrollore viene messo in pausa per un secondo (1000 millisecondi) Serial.print("passato un secondo"); // questo comando serve per verificare che effettivamente il loop continua a funzionare } void conta(){ // non appena l'evento dichiarato in setup avviene sul pin scelto, parte questa funzione contatore++; Serial.println(contatore); }

Bene, direi che finalmente arrivati alla conclusione: il post è davvero lungo, ma spero lo troviate utile e completo.

Come sempre per ogni domanda, dubbio, insulto, complimento o qualsiasi altra cosa scriveteci un commento qua sotto.

Alla prossima da io e ancheio.