TinkerCAD è ben noto per essere un software online molto facile e versatile per la creazione di modelli tridimensionali. Ma in questo articolo vogliamo esplorare un’altra sezione di TinkerCAD, quella dedicata ai circuiti elettronici. Questa sezione ci aiuta a costruire e simulare circuiti elettronici virtuali e dunque imparare l’elettronica a costo zero.
TinkerCAD è un software online che funziona su ogni tipo di computer, basta una connessione internet, possiamo condividere i nostri progetti e cosa non meno importante è completamente gratuito.
TinkerCAD funzionamento
La piattaforma TinkerCAD è cosi potente da poter simulare il funzionamento di circuiti elettrici complessi ed simulare microprocessori come Arduino, scrivendo e caricando il firmware direttamente sulla piattaforma.
Ognuno può lavorare a casa o nel tempo libero senza bisogno di possedere attrezzatura o componenti elettronici e testare il funzionamento delle proprie creazioni, in attesa magari di realizzarle fisicamente.
Le funzionalità messe a disposizione dal software permettono dunque di imparare l’elettronica a costo zero.
TinkerCAD prima accesso
Una volta registrati gratuitamente al sito TinkerCAD, effettuate l’accesso e spostatevi nella sezione “Circuiti”.
Una volta entrati nella sezione, viene mostrata una serie di icone che rappresentano i nostri progetti passati. Se vogliamo aprire uno di essi, basterà cliccare la voce “Modifica questo”. Se invece vogliamo creare un nuovo progetto, basta cliccare sul pulsante verde “Crea nuovo circuito”.
Similmente agli strumenti della suite Google, anche TinkerCAD salva in automatico nel cloud i nostri file automaticamente. Se volete fare delle prove su un progetto già realizzato ma volete mantenere la vecchia copia dovete duplicare il progetto.
La schermata iniziale
Analizziamo ora le componenti della schermata dell’ambiente “Circuiti”. Ci sono un sacco di funzionalità interessanti da esplorare.
Il centro dello schermo si presenta, all’apertura di un progetto, completamente bianco. E’ lo spazio di lavoro, e verrà poi riempito con i vari componenti che aggiungeremo e collegheremo tra loro.
I componenti
Sulla destra ci sono i componenti elettrici ed elettronici che potremmo inserire nel nostro progetto semplicemente trascinandoli nell’ambiente di lavoro. Sono tantissimi, e ciascuno ha una sua funzionalità specifica. Quelli di base sono più che sufficienti per un corso di buon livello. L’altro gruppo, starter, è un insieme di componenti già assemblati per iniziare con un progettino.
Ogni volta che si pone un componente sul piano di lavoro, appare in alto a destra dello schermo una finestrella che permette di modificare le caratteristiche del componente. Si possono accettare i valori standard forniti nella finestrella, o modificarli a piacere, cambiando di conseguenza le funzionalità del componente inserito o semplicemente rinominandolo.
Possiamo dividere i componenti in 3 categorie:
- Componenti passivi: non introducono energia nel circuito e non necessitano di un’alimentazione esterna in aggiunta al segnale in ingresso (Resistenza, interruttore,condensatore, diodo).
- Componenti attivi: possono essere invece utilizzati ad esempio per amplificare il segnale (corrente o tensione) in ingresso (es. come il transistor o l’amplificatore operazionale)
- Componenti programmabili: essenzialmente in Tinkercad sono dei microcontrollori che dopo essere stati inseriti nel circuito possono anche essere programmati (Arduino o Attiny)
Fili elettrici virtuali
Una volta trascinati i componenti nello spazio di lavoro, essi vanno connessi con dei fili elettrici virtuali per simulare un circuito elettronico. E’ molto semplice ottenere il collegamento: basta premere col sinistro del mouse nel punto di inizio e di fine del filo, ed esso viene creato.
Creato il filo, appare in alto a destra l’usuale finestrella in cui vengono riassunte le sue caratteristiche, essenzialmente il suo colore. Il filo può essere un segmento che unisce due punti, ma può anche seguire una curva. Per ottenere questo effetto basta cliccare ripetutamente col sinistro del mouse mentre si disegna il percorso che il filo deve seguire. Una volta completata la traiettoria, i vari click si trasformeranno in dei “nodi” che è possibile spostare col mouse in modo da modificare il tracciato seguito dal filo.
Pulsanti funzione
I pulsanti in alto a sinistra della schermata forniscono delle utility per agevolare alcune funzioni durante la creazione dei circuiti.
Partendo dall’estrema sinistra troviamo l’icona che permette la rotazione di un componente. La rotazione avviene solo in senso orario e a passi di 15 °.
La seguente icona serve per eliminare uno o più componenti nell’area di lavoro
Queste sono le classiche icone Undo e Redo annullare o ripristinare l’ultima azione compiuta.
Questa icona da la possibilità di inserire dei commenti testuali nei progetti. Posizioniamo il simbolo facendo click col mouse nel posto che vogliamo la nota ed inseriamo il testo che vogliamo.
Icona che permette di mostrare o nascondere i commenti nell’area di lavoro
Questa icona, posta sul lato sinistro dello schermo, serve a ridimensionare lo zoom e centrare il punto di vista.
Il pulsante di avvio simulazione si trova a destra ed è l’elemento piu importante del programma. Una volta premuto, Tinkercad farà sì che il circuito si comporti allo stesso modo di un circuito reale, e consentendo con esso delle interazioni.
Ad esempio, nel circuito in figura, dopo aver avviato la simulazione si potrà agire sul potenziometro (ruotandolo col mouse), e veder cambiare di conseguenza la luminosità del diodo LED
Per tornare a lavorare sul circuito, la simulazione va fermata.
Codice in TinkerCAD
In questa sezione entriamo nell’ambiente di programmazione integrato. Abbiamo la possibilità di programmare direttamente i microprocessori inserire nel progetto. Questo apre una serie di potenzialità infinite per le simulazioni del circuito.
Il pulsante è situato in alto a destra dello schermo, di fianco al pulsante di Avvio simulazione. Lo si può premere solo se il nostro circuito contiene un microprocessore. Se così non fosse, Tinkercad ci fa sapere che non è possibile compiere nessuna operazione.
Se invece il nostro circuito contiene un microprocessore, la pressione del pulsante aprirà una finestra sul lato destro dello schermo. Questa finestra sarà dedicata alla programmazione del microprocessore.
In questo tutorial non ci occuperemo di come programmare un microprocessore, ma dell’uso di TinkerCAD e delle sue funzionalità.
Ecco la Finestra che si apre appena dopo aver premuto il pulsante “Codice“.
Notiamo che in alto nella nuova sezione apparsa esiste una riga di intestazione con la possibilità di effettuare delle scelte usando dei pulsanti e dei menu a tendina. La prima scelta che ci è concessa è su quale tipo di codice usare per la programmazione:
Programmazione a Blocchi
E’ la funzionalità di programmazione “simil-scratch” , cui forse i ragazzi più giovani sono avvezzi (Scratch, sviluppato dal MIT, è oggi uno dei linguaggi più usati per la familiarizzazione col coding nelle prime fasi). Costituisce la via più facile con cui cominciare al programmazione.
Nell’immagine è illustrato l’ambiente “blocchi“, diviso in due finestre. Nella finestra di destra ci sono dei blocchi che trascinati in quella di sinistra costituiscono il codice da eseguire.
I pallini rotondi in alto, ciascuno di un colore differente e caratteristico, costituiscono delle macro categorie, che contengono dei blocchi dello stesso colore e con caratteristiche simili.
La costruzione del programma da eseguire segue questo schema:
- si individua la tipologia di istruzione che si vuole inserire, e si preme il bollino del colore corrispondente.
- fatto ciò appaiono nella parte inferiore della stessa finestra tutti i blocchi di eguale colore e simili funzionalità
- si sceglie quello che fa al caso nostro e lo si colloca, trascinandolo, nella finestra di destra a far parte del programma vero e proprio.
Qualora si volesse eliminare un blocco lo si trascina sulla icona a forma di cestino posta in basso a destra.
Programmazione Blocchi + Testo
Questa modalità integra la funzionalità a blocchi, con il linguaggio testuale. La creazione del codice avviene ancora con lo stesso sistema: spostando dei blocchetti colorati col mouse e organizzandoli in gruppi, ma di fianco a questo avviene, in una finestra parallela, la formalizzazione delle stesse istruzioni in un linguaggio testuale di alto livello. Questa modalità è molto utile nella didattica, perché consente di associare passo per passo il posizionamento dei blocchi alla conseguente formulazione del codice testuale e comprendere il linguaggio di alto livello mediante sperimentazione pratica.
Programmazione Testuale
Questa modalità apre invece un ambiente di programmazione in formato testuale nel linguaggio di programmazione di Arduino, che è molto simile al linguaggio C e di conseguenza un linguaggio di alto livello e molto diffuso.
Errori nel codice (debugging)
Specialmente se il codice è in formato testo, è possibile (è comune), compiere errori nella sua stesura. I linguaggi di programmazione dei microprocessori sono esigenti in termini di correttezza formale, e basta un carattere digitato male o una dimenticanza nell’interpunzione che il compilatore ci segnala un errore.
Dunque, dopo aver scritto il codice premiamo il tasto “Avvia simulazione”. Se ci sono errori nel codice , Tinkercad lo capisce e ce lo segnala in maniera intelligente.
Esporta Codice
Il pulsante “Scarica codice” consente di salvare il codice sul nostro computer per poterlo poi caricare su un Arduino reale.
Questa funzione è incredibilmente utile dal punto di vista didattico: si può sperimentare virtualmente senza rischio di bruciare nessun componente e senza nemmeno possedere nessun hardware.
La possibilità di passare dal mondo virtuale a quello reale semplicemente scaricando il codice e caricandolo su un vero Arduino è preziosa. Tinkercad scarica il file in formato .ino , che è l’estensione usata dalla IDE (il software di programmazione) di Arduino.
Condividi Progetto
Il pulsante “Condividi” permette di lavorare in team con altre persone condividendo il nostro lavoro. Dopo averlo premuto appare una finestra come questa:
Cliccando su “Invita persone” possiamo decidere con chi condividere il progetto e quindi consentire alle persone selezionate di visionarlo e modificarlo. Funzionalità comoda per lavorare in team.
Creare un circuito elettronico a costo zero
Ora che conosciamo tutte le funzionalità del programma proviamo a creare un semplice circuito per mettere in pratica le nostre conoscenze.
Il circuito che vogliamo costruire è costituito da una batteria come sorgente di alimentazione, e 3 diodi LED (Light Emitting Diode) con 3 pulsanti.
Iniziamo dalla sorgente di tensione: trasciniamo nell’area di lavoro una batteria da 9 Volt.
Quando la batteria si trova sul piano di lavoro si nota che ha due terminali. Uno rosso ed uno nero. Il rosso per convenzione, è il colore del terminale positivo, il nero del terminale negativo.
Inseriamo ora uno dei 3 LED, trascinandolo col mouse.
Ci sta bene che il nuovo LED sia di colore rosso, quindi non andremo a modificare la sua scheda.
Sappiamo che l’anodo va collegato al terminale positivo e il Catodo a quello negativo. Costruiamo dunque il nostro circuito, creando i fili per collegare anodo e catodo ai terminali della batteria.
Clicchiamo su un terminale del LED, e poi muoviamo il cursore del mouse: apparirà il filo. Clicchiamo più volte sul piano di lavoro per disegnare il percorso del filo, e terminiamo cliccando sul terminale della batteria. Cambiamo i colori dei fili in convenzione con i poli positivi e negativi.
Ecco il circuito con un LED rosso collegato alla batteria e pronto ad essere testato. Come si fa il test? Semplicemente premendo il tasto “Avvia simulazione“. Facciamolo e verifichiamo il risultato.
Un disastro! Il lampo che si vede sul LED non significa che si è acceso, ma che si è irrimediabilmente bruciato! Ma perché il LED si è bruciato? Troppa corrente attraverso il LED, e non è in grado di sopportare elevate correnti.
Come si fa a dunque collegarlo correttamente ? Semplice: gli si mette una resistenza davanti. La resistenza è un componente che limita la corrente che fluisce in un circuito. Torniamo nel nostro circuito ed inseriamo una resistenza prima del LED.
Ora facciamo un passo in più. Vogliamo inserire un interruttore e fare in modo che con esso possa accendere e spegnere il LED. Scegliamone uno dunque, e inseriamolo nel circuito.
Ecco un interruttore a pulsante inserito nel circuito. Notate: la simulazione è avviata ma il LED non è acceso, perché l’interruttore non è premuto. Durante la simulazione preme con il tasto sinistro sul pulsante per vedere il LED accendersi.
Inseriamo gli altri due pulsanti, due resistenze, due LED, scegliamo per essi due colori differenti ed il gioco è fatto.
Ecco il circuito finito. Cliccando sui pulsanti possiamo accendere il LED desiderato.
Nel costruirlo abbiamo appreso un sacco di nozioni e di abilità. In questo modo è davvero facile imparare l’elettronica a costo zero.
