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Attività: il semaforo con Arduino

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Attività: il semaforo con Arduino

Costruire e programmare un semaforo a tre tempi (rosso, giallo, verde) è una delle attività più efficaci per introdurre alla scuola secondaria di primo grado il legame tra elettronica, coding e pensiero computazionale. Il semaforo è un oggetto familiare e dal funzionamento intuitivo: gli studenti sanno già “cosa deve fare” il dispositivo, quindi possono concentrarsi sul come tradurre quel comportamento in una sequenza di istruzioni.

L’attività può essere svolta interamente in simulazione con Tinkercad Circuits (senza acquistare componenti) oppure con una scheda Arduino UNO fisica, breadboard, LED e resistori. Entrambe le strade sono documentate nei testi di riferimento.

Target

  • Classi seconde o terze della scuola secondaria di primo grado.
  • Adatta sia a gruppi alle prime esperienze con il coding a blocchi (versione Tinkercad) sia a classi che hanno già lavorato con Scratch o micro:bit. L’ambiente di programmazione a blocchi di Tinkercad usa una logica molto simile a quella di Scratch (blocchi trascinabili, ciclo “sempre”), quindi il passaggio è facilitato. (proposta progettuale)

Durata

  • Versione simulata (Tinkercad): 2-3 ore (1-2 lezioni), comprensive di assemblaggio del circuito, programmazione e test. (proposta progettuale, sulla base della struttura a 6 step del laboratorio Techno logics)
  • Versione con hardware fisico: aggiungere 1 ora per il cablaggio reale su breadboard e l’eventuale uso dell’IDE di Arduino. (proposta progettuale)

Materiali

Versione simulata (consigliata per iniziare):

  • Computer con connessione a Internet.
  • Applicazione web Tinkercad Circuits (www.tinkercad.com/learn/circuits).

Versione con hardware fisico:

  • Scheda Arduino UNO (R3) e cavo USB.
  • Breadboard (basetta sperimentale, senza saldature).
  • 3 LED: rosso, giallo, verde.
  • 3 resistori (vedi nota sui valori).
  • Cavi di collegamento (jumper).

Nota sui valori dei resistori. I LED vanno sempre protetti da un resistore in serie, perché i 5V della scheda sono eccessivi e una corrente superiore ai ~20 mA riduce la durata del componente. I due testi indicano valori diversi, entrambi validi:

  • Techno logics: una resistenza da 330 Ω è più che sufficiente per LED rosso, giallo e verde con Arduino UNO.
  • Guida NEXT: calcolando con la legge di Ohm (R = (V_alim − V_led) / I, con I = 20 mA) si ottengono valori più bassi (es. 150 Ω per il rosso); per prudenza la guida usa 180 Ω per rosso e giallo e 150 Ω per il verde.

In classe conviene adottare un valore unico e abbondante (330 Ω) per semplicità: una resistenza maggiore è sempre sicura, al massimo rende il LED un po’ meno luminoso.

Prerequisiti

  • Concetto di algoritmo come sequenza ordinata di istruzioni.
  • Esperienza di base con la programmazione a blocchi (es. Scratch): blocchi trascinabili, ciclo che si ripete. (proposta progettuale)
  • Nozioni elementari di circuito elettrico: il concetto di “circuito chiuso”, polo positivo e negativo. Utile (non indispensabile) aver incontrato LED e resistore.
  • Per la versione fisica: saper riconoscere anodo (+, terminale più lungo) e catodo (−, terminale più corto) di un LED.

Procedura (fasi)

La sequenza segue i sei step del laboratorio Techno logics in Tinkercad. Tra parentesi le integrazioni per la versione con codice testuale dell’IDE Arduino (Guida NEXT).

Fase 1 — Assemblare il circuito di base. Creare un nuovo circuito in Tinkercad, rinominarlo “Semaforo a tre tempi” e trascinare dallo starter-kit Arduino il blocco “Breadboard”: la basetta arriva già collegata all’alimentazione della scheda (pin 5V con filo rosso, GND con filo nero).

Fase 2 — Inserire il primo LED. Trascinare un LED sulla breadboard, sceglierne il colore (rosso). Collegare l’anodo (+) a un pin digitale, ad esempio il pin 13; collegare il catodo (−) alla pista di massa (GND). I 14 pin digitali (0-13) funzionano qui come uscite digitali: a due stati, BASSO = 0 V (spento) e ALTO = 5 V (acceso).

Fase 3 — Primo test e scoperta del problema della corrente. Aprire l’area Codice, impostare il pin 13 su ALTO dentro il ciclo “sempre”, avviare la simulazione. Tinkercad segnala un sovraccarico: la corrente supera i 20 mA consigliati. È un’occasione preziosa per far ragionare la classe: come limitare la corrente? La risposta è il resistore. (In simulazione non si danneggia nulla: ottimo esempio del perché si progetta prima al simulatore.)

Fase 4 — Inserire il resistore. Aggiungere un resistore in serie con il LED, impostandone il valore (330 Ω). Far osservare che il resistore non ha polarità (può essere orientato liberamente) e che il suo valore è codificato dalle bande colorate. Rilanciare la simulazione: ora il LED si accende senza errori.

Fase 5 — Completare il semaforo. Aggiungere il LED giallo (pin 12) e il LED verde (pin 11), ciascuno con il proprio resistore in serie. Far ragionare gli studenti su come portare tutti i catodi a un’unica pista GND, sfruttando i collegamenti interni della breadboard.

Fase 6 — Programmare la sequenza. Tradurre in blocchi (o in codice) il comportamento del semaforo. Specifiche del laboratorio Techno logics:

  • rosso acceso per 5 secondi;
  • poi verde acceso (rosso spento) per 5 secondi;
  • poi giallo acceso (verde spento) per 2 secondi;
  • il ciclo ricomincia dal rosso.

Si usano i blocchi imposta pin [11/12/13] su [ALTO/BASSO] e il blocco attendi (...) sec. Avviare la simulazione e verificare. In caso di malfunzionamento, applicare il debugging: controllare i collegamenti, rivedere il codice un blocco alla volta per isolare l’errore.

Versione con codice testuale (IDE Arduino, Guida NEXT). Lo stesso comportamento si scrive così, con i pin 5 (rosso), 6 (giallo), 7 (verde):

#define LEDrosso 5
#define LEDgiallo 6
#define LEDverde 7
 
void setup() {
  pinMode(LEDrosso, OUTPUT);
  pinMode(LEDgiallo, OUTPUT);
  pinMode(LEDverde, OUTPUT);
}
 
void loop() {
  digitalWrite(LEDverde, HIGH);
  delay(5000);
  digitalWrite(LEDverde, LOW);
  digitalWrite(LEDrosso, HIGH);
  delay(5000);
  digitalWrite(LEDrosso, LOW);
  digitalWrite(LEDgiallo, HIGH);
  delay(5000);
  digitalWrite(LEDgiallo, LOW);
}

La funzione delay() mette in pausa la scheda per i millisecondi indicati (5000 = 5 secondi). La Guida NEXT introduce anche la variante con variabile contatore e ciclo for, per far lampeggiare il semaforo un numero finito di volte (es. 10 cicli): un ottimo aggancio per spiegare i concetti di variabile e ciclo.

Prodotto finale

Un semaforo a tre tempi funzionante — virtuale in Tinkercad oppure fisico su breadboard — che esegue ciclicamente la sequenza rosso → verde → giallo con i tempi programmati. A corredo: lo schema del circuito e lo script (a blocchi o testuale) commentato. (proposta progettuale per la parte di documentazione)

Possibili estensioni (da Guida NEXT, sezione esercizi):

  • doppio semaforo sincronizzato (pedoni + automobili);
  • semaforo accessibile per non vedenti, aggiungendo un buzzer che emette un suono durante il lampeggio del giallo.

Valutazione

Si valutano tre dimensioni: il funzionamento del prodotto, la qualità del processo (incluso il debugging) e la comprensione dei concetti. (proposta progettuale — rubrica da validare)

CriterioInizialeBaseIntermedioAvanzato
Costruzione del circuitoAssembla il circuito solo con aiuto costante; collegamenti spesso erratiAssembla il circuito di base con qualche indicazione; riconosce LED e resistoreAssembla autonomamente il circuito completo con i tre LED e i resistoriRealizza un circuito ordinato ed efficiente (es. catodi su unica pista GND) e sa spiegarne le scelte
Programmazione della sequenzaCompone la sequenza solo seguendo passo passo l’insegnanteRealizza la sequenza base rosso-verde-giallo con i tempi indicatiRealizza la sequenza in autonomia e ne modifica correttamente i tempiIntroduce varianti (ciclo for, contatore, doppio semaforo) spiegando la logica
Debugging e problem solvingSi blocca davanti all’errore e attende la soluzioneIndividua l’errore con aiuto; prova una correzione alla voltaIsola l’errore in modo sistematico e lo correggeAnticipa i problemi (es. corrente sul LED) e propone soluzioni motivate
Comprensione dei concettiUsa i termini in modo imprecisoRiconosce pin digitale, stato ALTO/BASSO, funzione del resistoreSpiega correttamente il ruolo di pin, resistore e cicloCollega i concetti (legge di Ohm, uscita digitale, ciclo) e li trasferisce a nuovi casi

Adattamenti inclusivi

(sezione in larga parte proposta progettuale; vedi anche inclusione-coding-robotica)

BES/DSA

  • Fornire lo schema del circuito già stampato e i blocchi di codice precompilati da riordinare, riducendo il carico di lettura/scrittura.
  • Lavorare in coppia con ruoli definiti (chi cabla, chi programma), a rotazione.
  • Privilegiare la versione simulata in Tinkercad: l’errore non ha conseguenze e si può ripetere all’infinito, abbassando l’ansia da prestazione.
  • Usare un valore unico di resistore (330 Ω) per evitare il calcolo con la legge di Ohm a chi è in difficoltà con i numeri.

Plusdotati

  • Proporre subito le estensioni: ciclo for con contatore, doppio semaforo sincronizzato pedoni/automobili.
  • Sfidarli a calcolare i valori dei resistori con la legge di Ohm partendo dalle tensioni dei diversi colori di LED (rosso ~2 V, verde ~2,4 V, blu ~3,2 V).
  • Far progettare un semaforo “intelligente” con sensore (es. pulsante pedonale o sensore di distanza).

L2

  • Affiancare al testo un glossario visivo dei componenti (LED, resistore, breadboard, pin) con immagine + parola.
  • Sfruttare il carattere visivo dell’ambiente a blocchi e della simulazione, che riduce la dipendenza dalla lingua.
  • Usare il semaforo come oggetto-ponte: il suo significato (rosso/verde/giallo) è interculturale e immediatamente comprensibile.

Pagine collegate

Fonti

  • Techno logics — Laboratorio sperimentale STEAM, Raffaello Scuola (Furci, Pozzi, Monti), Laboratorio 1 “Semaforo a tre tempi (Arduino UNO)”, pp. 66-71 (## p.67-72 del testo estratto).
  • Guida docente NEXT — “Robotica con Arduino UNO”, sezione “Tre LED per un semaforo” e “Un LED esterno”, pp. 54-58.
  • Le sezioni Durata, parte dei Materiali, Prodotto finale (documentazione), Valutazione (rubrica) e Adattamenti inclusivi sono in larga parte proposta progettuale da validare.

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