Centralina di gestione delle luci e delle musiche per un presepe sempre al passo con l’evoluzione tecnologica.
Ogni anno le festività natalizie sono l’occasione per rispolverare addobbi e statuette e preparare quelli che sono i simboli, più o meno religiosi, della festa che ricorda la natività.
Indubbiamente, i cambiamenti culturali, con il passare del tempo, modificano le abitudini, allontanandoci da quelle con cui molti di noi sono cresciuti. Tuttavia, esistono tradizioni che resistono ancora all’omologazione dei costumi e all’allontanamento da fede e religioni. Una di queste, in particolare nel periodo natalizio, è quella di preparare il presepe, arricchendolo magari ogni anno con qualcosa di nuovo, come i dispositivi che la tecnologia, e in particolare l’elettronica, oggi offre a prezzi più accessibili rispetto al passato. Ecco perché, periodicamente, ci dedichiamo alla realizzazione di una centralina per la gestione del presepe.
Quest’anno abbiamo deciso di riproporla in una versione aggiornata, gestita tramite hardware Arduino, come già avevamo fatto nel dicembre 2016 (fascicolo n. 201).
Tuttavia, questa nuova versione presenta alcune significative innovazioni: è stata realizzata principalmente con componenti SMD e utilizza un lettore MP3 più moderno (ed economico), oltre a una board Nano R4. La particolarità di questa versione di Presepino risiede proprio nell’uso di questa scheda, progettata per funzionare con una speciale evoluzione della Arduino Nano R4 sviluppata da Futura Elettronica.
A questo proposito, rimandiamo al relativo articolo presente in questo fascicolo per ulteriori approfondimenti.
Il progetto
Entriamo dunque nel vivo di questa scheda andando ad analizzarne le caratteristiche salienti a partire dalla CPU, che diversamente dalla precedente versione di Presepino (il cui nome si deve all’adozione di un’architettura Arduino basata su ATmega328) è contenuta in una scheda Futura Elettronica Nano R4.
La sezione audio, ossia quella deputata a produrre le musiche del presepe, è contenuta in una breakout board riproduttore MP3, nella quale è possibile caricare file di pari formato attraverso una connessione USB, contando su uno spazio di memoria EEPROM di 4 MB; il modulo in questione è il JR6001 (cod. Futura Elettronica MP3PLAYERUSB) ed ha il pregio di non richiedere la SD-Card che invece era necessaria nella precedente versione di Presepino per caricare i file audio.
In questa versione abbiamo utilizzato 5 delle 6 uscite disponibili (con la possibilità di attivare anche la sesta uscita personalizzando il firmware, ad esempio per gestire i motori di un mulino o la pompa di una cascata). Il codice che comanda le uscite per le luci (sole, stelle, cometa, fuoco per i pastori e luci delle case) prevede un’accensione e uno spegnimento graduali, regolabili tramite i trimmer presenti sul circuito. Il box “Il funzionamento delle uscite” include un grafico esplicativo per chiarire il funzionamento descritto.
Oltre alle uscite per le strip LED, abbiamo anche un’uscita Neopixel alla quale è possibile collegare catene di LED indirizzabili, per rendere il vostro presepe ancora più suggestivo e personalizzato. In aggiunta all’implementazione delle luci, a seguito di richieste sono stati inseriti due ingressi, dedicati rispettivamente ad un sensore crepuscolare e un sensore PIR, gestibili distintamente e secondo una gerarchia che verrà spiegata tra breve. Andiamo ora a vedere nel dettaglio la scheda di gestione del presepe, così da vedere in cosa consiste l’hardware.
Schema elettrico
Come accennato, il cuore del circuito è la scheda Nano R4, realizzata da Futura Elettronica. I suoi I/O D0 e D1 (corrispondenti alla seriale hardware dell’Arduino UNO R3) non sono condivisi con la seriale USB, permettendone così l’uso per altre funzionalità aggiuntive. In particolare, in questa configurazione, li abbiamo utilizzati per gestire il modulo MP3.
Qui di seguito riportiamo i pin della board Nano R4 assegnati alle relative funzioni.
P1 = 7; //Pulsante Play P2 = 8; //Pulsante Stop PIR = 2; //Sensore PIR TX = 1; //Pin TX verso MP3 RX = 0; //Pin RX da MP3 const int OUT1 = 6; //Sole const int OUT2 = 5; //Cometa const int OUT3 = 3; //Stelle const int OUT4 = 9; //Fuoco const int OUT5 = 11; //Luci const int OUT6 = 10; //OUTEX1 CHANGESTATE = 13; //Led NEOPIXEL = 12; //Neopixel TRIM1 = A0; //Giorno TRIM2 = A1; //Notte TRIM3 = A2; //Alba TRIM4 = A3; //Tramonto TRIM5 = A4; //Extra CREPUSCOLARE = A5; //Ingresso Crepuscolare TRIM_VOL = A6; //Volume Audio
Guardando lo schema elettrico vediamo che la Nano R4 pilota i gate di sei MOSFET enhancement-mode a canale N (si tratta di DMN6068LK3-13, 60V di Vdso e 6A di corrente di drain) che materialmente commutano l’alimentazione sui LED o strip a LED corrispondenti, attraverso i pin digitali impostati come uscite, secondo questa corrispondenza:
- D3 pilota Q4 (tramite R14) il cui drain alimenta le luci che simuleranno le stelle;
- D5 pilota Q5 (tramite R15) il cui drain comanda le luci della cometa;
- D6 comanda Q6 (tramite R17) il cui drain alimenta le lampade che simulano la luce del sole e quindi le fasi di alba e tramonto;
- D9 pilota Q3 (tramite la R11) il cui drain alimenta le lampade che simuleranno, pulsando opportunamente, il crepitìo della fiamma di un fuoco;
- D11 pilota Q2 (tramite la R9) il cui drain controlla l’uscita LUCI;
- D10 comanda Q1 (tramite R7) il cui drain gestisce l’uscita OUTEX1 ( cui potete collegare altre strisce a LED, motori o altri carichi).
Tra il gate di ciascuno di questi MOSFET e massa è collegato un LED, con relativa resistenza di carico, che ripete il comportamento delle luci eventualmente collegate alla rispettiva uscita (ossia tra il drain e il positivo di alimentazione) tramite la morsettiera corrispondente. Questo permetterà di testare la scheda prima di collegare le lampade, ovvero di verificare l’attività delle uscite nel caso qualcosa dovesse non funzionare nel circuito presepe, una volta cablato.
Ciascuna uscita può alimentare lampade comuni oppure a LED, purché funzionanti a 12 volt e che assorbano una corrente individuale di 5 ampere, tenendo però presente che la somma della corrente assorbita dalle uscite non deve superare i 15 ampere.
Questa è anche la massima corrente che la scheda può gestire e può essere aumentata stagnando le piste che portano dalla morsettiera di alimentazione ai MOSFET e da questi alle relative morsettiere di uscita. 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.
Ciascuna delle uscite a MOSFET 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 di (appena 68 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 della scheda Arduino, opportunamente impostati dallo sketch 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 e di rendere più versatile l’installazione sfruttando linee di alimentazione o alimentatori esistenti.
Se l’alimentazione delle lampade non viene prelevata dal circuito e si utilizzano strip LED come corpi illuminanti, il positivo delle strip va collegato al polo positivo dell’alimentatore scelto, mentre il contatto negativo va collegato all’uscita della nostra centralina.
È importante, inoltre, che la massa dell’alimentatore e quella della scheda siano collegate tra loro. In tutti i casi le strip a LED devono essere composte da diodi puri e semplici e non devono avere a bordo un regolatore di corrente. Le uscite della centralina sono sei, ma lo sketch che forniamo gestisce le prime cinque (ossia LUCI, FUOCO, SOLE, COMETA, STELLE), per simulare la luce del giorno, di quella delle stelle, dei fuochi della capanna/grotta e delle case dei pastori, ed infine di illuminare la stella cometa.
Le luci si accendono e si spengono gradatamente seguendo un ciclo che simula un’intera giornata.
A queste uscite di base potete aggiungere, intervenendo sullo sketch, quella siglata OUTEX1, configurandola affinché funzioni come meglio credete, ad esempio per il controllo di accessori del presepe come una ruota a pale, il movimento di personaggi animati e via di seguito.
Per quanto riguarda le uscite di base, abbiamo suddiviso la sequenza completa in quattro fasi denominate giorno, tramonto, notte e alba, la durata delle quali può essere impostata mediante i 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 notte, ma anche per le due fasi di transizione (tramonto e alba).
Le fasi di illuminazione
Queste ultime due sono le più suggestive:
durante il tramonto, la luminosità del giorno (realizzata con i LED collegati all’uscita SOLE) diminuisce gradualmente, mentre nel cielo iniziano a illuminarsi le stelle (uscita STELLE).
A un certo punto, prima che il ciclo si concluda, si accendono i fuochi delle case e della capanna (uscita FUOCO).
Quando tutte le stelle sono completamente illuminate, appare anche la stella cometa (uscita COMETA).
Durante l’alba, invece, si spengono gradatamente tutte le luci notturne, mentre aumenta lentamente la luce del giorno sino a raggiungere la massima luminosità.
Gestione tramite Nano R4
Oltre alle uscite a MOSFET già descritte, lo sketch che gira sulla board Nano R4 implementa anche il controllo delle altre uscite e del modulo audio MP3.
All’avvio, lo sketch configura il pin D12 come uscita per l’invio dei comandi seriali a un’eventuale strip Neopixel collegata al pin-strip dedicato, che fornisce alimentazione a 5V e 12V.
Inoltre, attiva la seriale corrispondente alle linee D0 e D1 per comunicare con il modulo MP3 (U3).
Attualmente nello sketch non è prevista la gestione software del NeoPixel, ma l’hardware è predisposto per eventuali ampliamenti.
Regolazione delle fasi e dei trimmer
La sequenza delle luci è strutturata in quattro fasi (giorno, tramonto, notte e alba).
La durata di ciascuna fase è regolabile tramite trimmer, la cui tensione viene letta dagli ingressi analogici A0–A4 e A6 del Nano R4.
-
R1, R2, R3, R4 regolano le durate di giorno, notte, alba e tramonto.
-
R5 è associato a OUTEX1 (funzione personalizzabile).
-
R6 regola il volume del modulo MP3.
La durata dei cicli è proporzionale alla tensione del trimmer: portando il cursore verso massa, la fase si accorcia; verso +5V, si allunga.
Il duty-cycle dei segnali PWM alle uscite SOLE, STELLE, COMETA e FUOCO è gestito dallo sketch Arduino, con dissolvenze tra le fasi (es. nel passaggio giorno/notte e viceversa).
Il passaggio tra una fase e l’altra è segnalato dall’accensione breve del LED LD7.
Ogni fase può durare fino a 100 secondi, calcolati tramite la lettura ADC su 10 bit.
Sezione audio
L’audio del presepe è gestito dal modulo U3, una piccola scheda con decoder MP3, interfaccia USB 2.0 e amplificatore in classe D.
Dispone di 4 MB di memoria interna, dove possono essere caricati file MP3 o WAV via USB.
Nel circuito, U3 è alimentato dalla linea 5V tramite un diodo Schottky (D2) che evita ritorni di corrente verso il sistema quando collegato al PC.
Il consumo è di circa 10 mA a riposo.
All’uscita SP+/SP– si collega un altoparlante da 8 ohm / 3 watt, ma sono presenti anche uscite audio a basso livello (RIGHT e LEFT) per collegamenti stereo o amplificatori esterni.
La gestione del modulo MP3 avviene tramite la seriale software della Nano R4.
I file devono essere nominati come segue:
-
00001.mp3 → Giorno
-
00002.mp3 → Tramonto
-
00003.mp3 → Fuoco
-
00004.mp3 → Alba
Durante il cambio di fase, il volume del brano in corso viene abbassato gradualmente e quello successivo introdotto con fade-in, simulando un passaggio musicale fluido.
Controllo esterno: sensori crepuscolare e PIR
La centralina può reagire automaticamente alle condizioni ambientali:
-
Sensore crepuscolare (ingresso A5): abilita il sistema in base alla luminosità esterna, tramite fotoaccoppiatore FC1.
-
Sensore PIR (ingresso D2): rileva la presenza di persone e avvia il ciclo completo del presepe.
Il PIR funziona solo con il consenso del crepuscolare.
In assenza dei sensori, è possibile simulare il loro stato tramite dip-switch o ponticello tra SIG e 5V.
Sono presenti due pulsanti fisici:
-
P1 per avviare manualmente il ciclo,
-
P2 per arrestarlo in qualsiasi momento.
Alimentazione e filtraggio
Il circuito funziona con un’alimentazione 12–14 Vcc, fornita tramite la morsettiera PWR.
La tensione è distribuita alle uscite MOSFET, al connettore NeoPixel e al regolatore U1 (7805), che fornisce 5V stabilizzati a Nano R4 e modulo MP3.
Un diodo D1 protegge da inversioni di polarità.
I condensatori C1–C8 svolgono funzioni di filtro contro i disturbi generati dal pilotaggio PWM dei LED, assicurando stabilità al microcontrollore e al modulo audio.
Realizzazione pratica
Il Funzionamento
La scheda NANO R4 è pronta all’uso.
Riguardo al modulo MP3, per copiare i file, è necessario collegare tramite cavo micro-USB, il modulo al computer e attendere che venga installato automaticamente il driver nel sistema operativo così da vedere lo stesso come drive disco.
Aprendo il “Disco” si vedrà una serie di file che dovranno essere cancellati in modo da liberare la memoria; a quel punto potrete copiare i quattro file che abbiamo preparato, ma che potranno essere sostituiti con altri file audio a piacimento, purché venga mantenuto il medesimo nome.
Ricordate che i file da caricare devono avere bassa qualità, in modo da farli stare tutti nei 4MB di memoria dell’MP3. Alla prima accensione consigliamo di portare i cursori di tutti i trimmer a circa 1/4 della corsa in senso orario, in modo da verificare la sequenza, per poi impostare ogni singolo tempo a piacimento. Ora non resta che fornire un’alimentazione 12V al morsetto PWR e la scheda sarà in funzione. Se tutto è funzionante, si potrà procedere a collegare alle uscite ciò che si vorrà a gestire.
Il Dip1 di DS1 durante il normale funzionamento deve essere lasciato in posizione OFF.
Ricordiamo che nel caso vogliate fare a meno dei sensori crepuscolare e PIR in modo da riprodurre ciclicamente quanto previsto, sarà quindi sufficiente portare il Dip2 su ON e fare un ponticello tra SIG e 5V del morsetto “PIR”. Con questo articolo speriamo di aver offerto tutti gli strumenti e le indicazioni per dar vita a un presepe moderno, ricco di effetti luminosi e sonori, senza rinunciare al fascino della tradizione.
Buone Feste!
