Датчики для Arduino: как выбрать, подключить и прочитать

Датчик — это вопрос, на который плата получает ответ

Любой проект на Arduino устроен одинаково: датчики отвечают на вопросы («темно ли?», «есть ли движение?», «сколько градусов?»), а скетч решает, что делать с ответами. В первом курсе мы уже собирали датчики из «голых» деталей — фоторезистор в уроке про ночник, датчик наклона в сигнализации, — а здесь смотрим на готовые модули: что бывает и как выбрать под задачу.

Как читать подписи VCC, GND, DO и AO на плате любого модуля и чем модуль отличается от «голой» детали — мы подробно разобрали в родительской статье «Модули для Arduino», повторяться не будем. В магазине iarduino.ru под датчики отведена целая полка — «Сенсоры, датчики»: на витрине 44 модуля, а внутри — подкатегории от климата и света до газов и жидкостей. Все ссылки в статье ведут на карточки, проверенные в день выхода: товар в наличии.

Три способа, которыми датчик отдаёт показания

Прежде чем выбирать датчик, полезно понять, в каком виде он отдаст ответ. Способов три, и лучше всего они видны на одной и той же задаче — измерить температуру:

• Цифровой выход DO — «да или нет». Датчики движения, наклона, стука, концевики: одна команда digitalRead() — и ответ готов. Порог срабатывания у многих задаётся подстроечным резистором прямо на плате.
• Аналоговый выход AO — «сколько именно». Свет, звук, газ, ток: analogRead() возвращает число от 0 до 1023, а переводить его в люксы или амперы — забота скетча или библиотеки. С этого способа начинается урок про датчик света.
• Шина — готовые величины в цифре. «Умные» датчики с собственной микросхемой присылают уже посчитанные градусы и паскали: по I2C (два провода A4 и A5 на всех), по 1-Wire (один провод данных, как у DS18B20) или по UART. Таким датчикам почти всегда нужна библиотека — как её поставить.

Таблица: что измерить → датчик → библиотека

22 задачи — и проверенный датчик под каждую. Имена библиотек — те, по которым они находятся в каталоге libraries.trema.ru; «не нужна» значит, что хватает встроенных digitalRead() и analogRead(). В колонке «в магазине» — карточки iarduino.ru, каждая проверена: товар в наличии на день выхода статьи.

Ловушки комплектации — прямо из карточек магазина. Герметичному DS18B20 для работы нужен резистор 4,7 кОм между линией данных и питанием — в комплект он не входит, кладите в корзину отдельно. Геркону точно так же нужен внешний резистор 10 кОм. А библиотеки ИК-приёма занимают аппаратный таймер: и у рекомендованной нами IRremote (по её документации), и у фирменной библиотеки из карточки ИК-приёмника на Uno и Nano из-за этого не работает ШИМ на выводах 3 и 11.

Собрано и проверено: четыре скетча

Все четыре способа чтения датчиков из этой статьи мы собрали по-настоящему — для Uno, с библиотеками из каталога. Размеры прошивок из отчёта компилятора: термометр DS18B20 (OneWire + DallasTemperature) — 5 776 байт, DHT22 (DHT sensor library) — 5 034 байта, люксметр BH1750 по I2C — 6 968 байт. А дальномер HC-SR04 обходится вообще без библиотек — 2 606 байт: весь «драйвер» помещается в десяток строк.

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(3, OUTPUT);   // TRIG
  pinMode(2, INPUT);    // ECHO
}

void loop() {
  digitalWrite(3, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(3, HIGH);              // импульс запуска 10 мкс
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(3, LOW);
  long us = pulseIn(2, HIGH, 30000);  // ждём эхо
  long mm = us * 10 / 58;             // 58 мкс на сантиметр
  Serial.print("L = ");
  Serial.print(mm);
  Serial.println(" mm");
  delay(200);
}

Показания смотрите в мониторе порта, а если хочется наглядности — стройте график прямо в IDE: идеи опытов с графиком у нас уже собраны. Следующий шаг — вывести числа на экран LCD 1602 или OLED, а для метеостанции с отправкой по Wi-Fi пригодится ESP8266.

KY, GY, MQ: как читать маркировки датчиков

На плате незнакомого датчика почти всегда есть маркировка — и она понятнее, чем кажется: буквы обозначают серию, номер — конкретный датчик.

KY-серия — платы из китайского набора Keyes «37 датчиков в одном»; те же платы продаются и под другими брендами. Полезно узнавать частые номера: KY-001 — термометр DS18B20, KY-002 — датчик вибрации, KY-003 — датчик Холла, KY-013 — термистор, KY-023 — джойстик, KY-038 — микрофон.

GY-серия — платы-переходники, на которые распаяна готовая микросхема-датчик, обычно с шиной I2C: GY-521 — гироскоп-акселерометр MPU-6050 из нашей таблицы, GY-68 — барометр BMP180, GY-BMP280 — барометр BMP280. Осторожнее с компасом GY-271: на плате может оказаться либо HMC5883L, либо его аналог QMC5883L, а библиотеки у них разные.

MQ-серия — газовые сенсоры с подогревом: MQ-2 — горючие газы и дым, MQ-3 — пары алкоголя, MQ-7 — угарный газ, MQ-135 — «качество воздуха» в целом. У всей серии две особенности: после включения датчику нужно прогреться, и с завода он не откалиброван — показывает «больше или меньше», а не проценты. Для настоящих измерений CO2 берут датчики другого принципа — например, инфракрасный MH-Z19 с выходом UART.

Остальные частые имена — просто модели: HC-SR04 — ультразвуковой дальномер, HC-SR501 — PIR-датчик движения, FC-51 — ИК-датчик препятствия, TCRT5000 — отражательный датчик для езды по линии, SW-420 — датчик вибрации.

Питание: где датчики не заводятся и сгорают

Главное правило из хаба модулей действует и здесь: перед подключением смотрите напряжение питания в описании. Вот реальные примеры из карточек этой статьи:

• Датчику качества воздуха CCS811 нельзя 5 В — питание строго до 3,3 В, и к пятивольтовой Uno его напрямую не подключить: карточка прямо описывает схему с делителем напряжения.
• Датчики движения, наоборот, не заводятся от 3,3 В: HC-SR501 просит от 4,5 В, доплеровский RCWL-0516 — от 4 В. При этом выход у HC-SR501 — 3,3-вольтовый, так что читать его безопасно любой плате.
• У датчика расхода воды YF-S201 амплитуда импульсов равна питанию: запитаете от 12 В — получите 12 В на входе платы и рискуете его сжечь. С Arduino питайте от 5 В.
• Карточки тоже ошибаются: у GY-521 характеристики обещают питание 3,5–6 В, а раздел подключения той же карточки требует строго 3,3 В. Когда описание спорит само с собой, выбирайте осторожный вариант — хуже от 3,3 В модулю не станет.

Частые вопросы отвечаем в конце

Ниже — короткие ответы на вопросы, с которыми к нам приходят чаще всего: с какого датчика начать, почему «врёт» газовый датчик и куда девать показания.

Дальше — подключать

Выбрали датчик — подключайте и пишите скетч в бесплатной русской Trema IDE: ошибки объясняются по-русски, а на недостающую библиотеку программа сама предложит установку из каталога. Дальше по теме: модули и шилды, экран LCD 1602, OLED-дисплей, ESP8266 и Wi-Fi и бесплатные уроки.