Термостат на DHT: гистерезис и логика реле

На подоконнике у меня зимовала рассада, и я собрал ей ночной подогрев: коробка, лампа на 40 ватт через релейный модуль, DHT11 сверху на скотче. Днём всё работало прекрасно. А ночью я услышал звук, от которого у любого ардуинщика холодеет в животе: реле начало стрекотать — щёлк-щёлк-щёлк, два-три щелчка в секунду, и так минутами. Лампа мигала, как на дискотеке, и, кажется, рассада была в шоке не меньше меня.

Код выглядел безупречно: если температура ниже 24 — включить нагрев, если выше — выключить. Именно эта «безупречность» и была багом. В этом уроке мы соберём термостат правильно: с гистерезисом, который убирает стрекот, с приборной панелью на LCD 16x2 и со звуковой тревогой при перегреве. Заодно поймём, почему одно и то же слово «термостат» в железе и в голове новичка означает разное.

Смотрите, что происходит в течение одной секунды той ночи. Реальная температура в коробке стоит на 24,0 °C — ровно на пороге. Датчик шумит: одно чтение — 23,9, программа включает нагрев. Через секунду — 24,1, программа выключает. И так по кругу: чтение, щелчок, чтение, щелчок. Программа делает ровно то, что написано, — просто написано это для мира, где температура меняется плавно, а датчики не шумят. Оба допущения ложные.

Цена вопроса — в железе. Механическое реле — это пружинка и контакты, ресурс типового релейного модуля порядка 100 000 переключений. При двух щелчках в секунду вы сжигаете месяцы ресурса за одну ночь, а лампа и блок питания получают удары током, на которые не рассчитаны. Гистерезис убирает всю эту боль одним дополнительным сравнением — сейчас покажу каким.

Гистерезис — это когда порог включения и порог выключения разные. У нашего термостата для рассады нагрев включается, когда температура упала до 23,0 °C, и выключается, когда дошла до 24,0 °C. Между 23,0 и 24,0 — мёртвая зона: что бы ни показывал датчик, состояние реле не меняется. Ширина этого окна и называется гистерезисом; у нас — 1 °C, как в задании этого урока.

Теперь шум датчика не может ничего сломать: чтобы реле переключилось, температура должна пройти окно целиком, а не дёрнуться на границе. В комнате температура ползёт со скоростью примерно 0,1–0,5 °C в минуту, значит реле щёлкнет раз в несколько минут, а не два раза в секунду. За сезон набежит пара тысяч переключений вместо сотен тысяч — и ресурса хватит на годы.

Моё правило для ширины окна сформулировано с условием: чем грубее датчик и инертнее система, тем шире окно. Для комнаты с DHT11 ставлю 1 °C — его собственная точность ±2 °C всё равно грубее любого окна. Для инкубатора, где цена вопроса ±0,5 °C, берите DHT22 и окно 0,5–1 °C, иначе логика не поспеет за птенцом. Для инертного масляного радиатора окно можно расширять до 2 °C — он всё равно остывает медленно, и узкое окно ничего не даст, кроме лишних щелчков.

Ключевая тонкость спрятана в двух отдельных if, а не в конструкции if/else. Если написать «если холодно — включить, иначе — выключить», вы незаметно вернулись к одному порогу: ветка «иначе» сработает на любом значении выше 23, и гистерезис исчезнет. Порогов должно быть два, а переключение — только при пересечении одного из них.

Вторая тонкость — переменная heaterOn объявлена над setup(), а не внутри loop(). Она глобальная и живёт между проходами цикла, и в этом весь смысл: программа должна помнить, что она сделала в прошлый раз. Эта переменная и есть память термостата — «сейчас грею» или «сейчас жду». Запомните приём: хранить состояние между циклами и менять его только на событиях. Он же понадобится вам в кнопках с фиксацией и в конечных автоматах, до которых мы доберёмся в продвинутом разделе.

Числа в Serial — для отладки, для жизни нужен экран. Возьмём LCD 16x2 на шине I2C: два провода данных и два питания, адрес обычно 0x27. Полное подключение экрана разобрано в нашем уроке про LiquidCrystal_I2C, здесь возьмём только четыре команды: lcd.init(), lcd.backlight(), lcd.setCursor(колонка, строка) и lcd.print(). Строки и колонки нумеруются с нуля: setCursor(0, 1) — начало второй строки.

Ловушка, о которую я ударился лично: если каждый цикл вызывать lcd.clear(), экран начинает заметно мерцать — очистка и перерисовка разделяются паузой, и глаз это ловит. Поэтому clear() зовём только в исключительной ситуации — например, при ошибке сенсора, — а обычное обновление делаем через setCursor(0, 0) и печать поверх старого текста с хвостовыми пробелами, затирающими остатки предыдущей строки.

Вторая ловушка — кириллица. Знакогенератор экрана 1602 хранит латиницу, и русские слова в lcd.print превратятся в абракадабру. Поэтому в коде ниже надписи намеренно на латинице: HEATER ON, SENSOR ERROR. Если захотите русские буквы — придётся создавать свои символы, у нас для этого отдельный материал в разделе про LCD.

Про сирену отдельно, потому что у tone() есть характер. Вызов tone(9, 1000) запускает на пине 9 прямоугольные импульсы частотой 1000 Гц — пьезопищалка между пином и GND начинает свистеть. Звук длится, пока вы не вызовете noTone(9): поэтому в коде выше noTone стоит в ветке «всё хорошо», и это не украшение, а обязательная половина команды. Забыли noTone — пьезо запищит навсегда, и на настоящей плате вы узнаете об этом глубокой ночью.

Нюанс, который экономит час отладки: tone() на Uno занимает таймер Timer2, а он же управляет ШИМ на пинах 3 и 11 — analogWrite на них замолкает, пока звучит сирена. Нашей логике реле и LCD это безразлично, но если добавите ШИМ-подсветку и она внезапно «зависнет» на полной яркости — вы теперь знаете, откуда тишина.

Термостат — идеальный полигон: одну и ту же логику можно вывернуть наизнанку тремя способами, и все три ждут вас в симуляторе.

У вас в руках настоящий термостат: он держит температуру, докладывает на экран и кричит при аварии — тот же каркас, что в инкубаторах, теплицах и холодильниках. Следующий шаг за пределы урока — вынести логику со светодиода на релейный модуль с оптопарой и добавить настройку цели кнопками. А дальше по курсу нас ждут сервоприводы и светодиодные ленты — но что бы вы ни собирали, проверка данных через if (t > 100.0 || t < -40.0) и два порога вместо одного уже будут вашим рефлексом.