Урок 14. Потенциометр: плавная регулировка крутилкой

Весь прошлый блок плата слушала кнопки, а у кнопки всего два состояния: нажата или нет. Мир так не устроен. Громкость, яркость, температура, скорость — всё это меняется плавно. Пора научить плату различать не два значения, а тысячу.

Начнём с детали, которую вы держали в руках сотни раз, — с крутилки. В наборе она называется потенциометр, и именно она стоит внутри регулятора громкости, диммера и ручки настройки на старом приёмнике.

Цифровое и аналоговое

До сих пор мы работали с цифровыми сигналами: есть напряжение или нет, HIGH или LOW, единица или ноль. Такой сигнал читает digitalRead.

Но у платы есть и другие выводы — аналоговые входы. Они подписаны A0…A5 и живут на нижней гребёнке, отдельной группой. Эти выводы умеют не просто отвечать «есть или нет», а измерять напряжение и сообщать его числом. Команда для этого — analogRead.

Знакомимся с потенциометром

Потенциометр из набора — синий квадратик с валом под отвёртку и тремя ножками. На корпусе написано его полное сопротивление: 10 кОм.

Устройство простое до гениальности. Между двумя крайними выводами лежит дорожка с сопротивлением 10 кОм — она никогда не меняется. А средний вывод соединён с ползунком, который ездит по этой дорожке, когда вы крутите вал. Значит, меняется не общее сопротивление, а то, в какой точке дорожки мы подключились.

Как крутилка делает напряжение

Подадим на крайние выводы 5 вольт и землю. Дорожка окажется под напряжением целиком, и в каждой её точке будет своё значение — от нуля у земли до пяти вольт у плюса. Ползунок просто «снимает» напряжение в той точке, где стоит:

Такая схема называется делителем напряжения, и она встречается всюду. Запомните её: в следующем уроке ровно так же будет работать фоторезистор, только двигать «ползунок» будет свет, а не ваши пальцы.

Собираем схему

Шаг 1. Смотрим, что выдаёт вход

Первым делом — не программировать, а посмотреть. Мы уже умеем: пусть плата печатает то, что видит.

// Аналоговые входы называются A0…A5.
const int POT = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Крутите ручку:");
  // Аналоговый вход настраивать не нужно — pinMode ему не требуется.
}

void loop() {
  int value = analogRead(POT);
  Serial.println(value);
  delay(100);
}

Откройте монитор порта и покрутите ручку. Числа поедут от 0 до 1023 и обратно. Это тот самый приём из двенадцатого урока: с новым датчиком всегда начинайте с печати, и только потом придумывайте, что с его показаниями делать.

А теперь переключитесь на вкладку «График» — и крутите ручку снова. Числа превратятся в живую кривую, которая слушается вашей руки. Так работать с датчиками нагляднее всего.

От нуля до 1023: откуда это число

Плата измеряет напряжение не бесконечно точно, а ступеньками. Ступенек ровно 1024 — от 0 до 1023. Ноль означает «на выводе 0 вольт», 1023 — «на выводе 5 вольт».

Легко посчитать цену одной ступеньки: 5 вольт разделить на 1024 — получается около 5 милливольт. Изменения мельче этого плата просто не заметит. Для наших задач точность отличная: человеческий глаз различает куда меньше оттенков яркости.

Шаг 2. Переводим в вольты

Число 512 мало о чём говорит. Переведём его в вольты — так понятнее, что происходит на самом деле:

const int POT = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int value = analogRead(POT);

  // 1023 ступени растянуты ровно на 5 вольт.
  // float — тип для чисел с дробной частью.
  float volts = value * 5.0 / 1023;

  Serial.print(value);
  Serial.print("   это ");
  Serial.print(volts);
  Serial.println(" В");

  delay(200);
}

Здесь новый тип переменной — float. В нём хранятся числа с дробной частью: 2.47, 0.09, 4.98. Все прежние типы (int, long) умели только целые: 5 разделить на 2 давало 2, а не 2.5.

Шаг 3. Крутилка управляет яркостью

Теперь соединим вход с выходом. Задача простая на словах и хитрая в деталях: у нас на входе числа 0…1023, а analogWrite принимает 0…255. Диапазоны разные.

const int POT = A0;
const int LED = 10;

void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
}

void loop() {
  int value = analogRead(POT);            // 0…1023 — что даёт крутилка
  int bright = map(value, 0, 1023, 0, 255); // 0…255 — что нужно ШИМ

  analogWrite(LED, bright);
}

Всю работу делает map. Читается она так: «возьми value, который живёт в диапазоне от 0 до 1023, и найди для него такое же место в диапазоне от 0 до 255». Середина останется серединой, край — краем.

Считать пропорцию вручную тоже можно: value / 4 даст почти то же самое (1023 ÷ 4 = 255). Но map удобнее: диапазоны видно прямо в строке, и их легко поменять — например, ограничить яркость снизу, написав map(value, 0, 1023, 60, 255), чтобы светодиод никогда не гас совсем.

Шаг 4. Крутилка управляет скоростью

Яркость — не единственное, чем можно управлять. Пусть ручка задаёт скорость мигания. И обойдёмся без delay: иначе плата будет подолгу не смотреть на крутилку и начнёт отзываться с опозданием.

const int POT = A0;
const int LED = 10;

bool ledOn = false;
unsigned long lastBlink = 0;

void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Ручка задаёт паузу: от 40 мс (быстро) до 1000 мс (медленно).
  unsigned long pause = map(analogRead(POT), 0, 1023, 40, 1000);

  if (millis() - lastBlink >= pause) {
    ledOn = !ledOn;
    digitalWrite(LED, ledOn);
    lastBlink = millis();
  }
}

Обратите внимание на диапазон в map: от 40 до 1000 миллисекунд. Мы сразу переводим показания крутилки в те единицы, в которых думает программа. Это хорошая привычка — не таскать по программе «сырые» показания датчика, а превращать их в осмысленную величину как можно раньше.

Шаг 5. Последняя цифра дрожит

Присмотритесь к монитору: даже если ручку не трогать, значение слегка гуляет — 512, 511, 513, 512. Это не поломка, а обычный электрический шум, который ловит любой измеритель. Обычно он не мешает, но, если по показаниям принимать решения, лучше его сгладить:

const int POT = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Складываем десять измерений и делим на десять.
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    sum = sum + analogRead(POT);
    delay(2);
  }
  int average = sum / 10;

  Serial.println(average);
  delay(100);
}

Приём называется усреднением: делаем десять измерений подряд и берём среднее. Случайные отклонения гасят друг друга, и число перестаёт дёргаться. Плата тратит на это 20 миллисекунд — незаметно.

Не работает? Разбираемся

• Значение всегда 0 или всегда 1023. Скорее всего, средний вывод не подключён к A0 или провод сидит в соседнем столбике. Проверьте, что жёлтый провод идёт именно от средней ножки.
• Значение прыгает как попало, ручка ни на что не влияет. Крайние выводы не подключены к питанию: без 5 вольт и земли дорожка ни под каким напряжением, и вход снова «висит в воздухе».
• Ручка работает только в одном крайнем положении. Проверьте, не перепутаны ли средний и крайний выводы: средний — обязательно тот, что посередине.
• Крутится наоборот. Не ошибка: поменяйте местами провода на крайних выводах — или два последних числа в map.
• Светодиод не гаснет до конца. Так и есть: в крайнем положении analogRead может давать не 0, а 3–5. Добавьте порог: if (bright < 5) bright = 0;
• Плата не прошивается. Убедитесь, что на A0 не подан плюс напрямую в обход дорожки, а также что вы не заняли выводы 0 и 1.

Задания для тренировки

• РазминкаСделайте так, чтобы светодиод разгорался при повороте ручки против часовой стрелки. Правьте только программу, провода не трогайте.
• ПосложнееПусть плата печатает не число, а слово: «темно», «средне», «ярко» — в зависимости от положения ручки. И печатает только тогда, когда слово изменилось, а не двадцать раз в секунду.
• Со звёздочкой ⭐Соберите шкалу уровня: три светодиода из прошлого урока загораются один за другим по мере поворота ручки — как индикатор громкости. Разбор ниже.

const int POT = A0;
const int LEDS[3] = {11, 10, 9};

void setup() {
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    pinMode(LEDS[i], OUTPUT);
  }
}

void loop() {
  int value = analogRead(POT);

  // Сколько светодиодов должно гореть: от 0 до 3.
  int level = map(value, 0, 1023, 0, 3);

  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    // Горят все, чей номер меньше уровня.
    digitalWrite(LEDS[i], i < level);
  }
}

Что мы узнали

• Аналоговые входы A0…A5 измеряют напряжение и выдают число от 0 до 1023. Команда — analogRead, pinMode ей не нужен.
• Потенциометр — это делитель напряжения: дорожка под напряжением, ползунок снимает значение в своей точке.
• map(значение, откуда1, откуда2, куда1, куда2) перекладывает число из одного диапазона в другой и умеет переворачивать шкалу.
• float хранит дробные числа; в формулах пишите 5.0, иначе плата посчитает в целых.
• Показания датчика всегда немного шумят. Простое лекарство — усреднить несколько измерений.

Мы научились читать плавный сигнал — и это ключ ко всему блоку. Ведь если вместо ползунка поставить деталь, сопротивление которой меняется само, получится настоящий датчик. В следующем уроке такой деталью станет фоторезистор, и наш светильник начнёт включаться в темноте без единого прикосновения.

Частые вопросы

← Все уроки курса