Калибровка датчика: смещение в EEPROM

Термостат для рассады на подоконнике держал ровно двадцать пять — так писал его экран. Ртутный термометр, поставленный в ту же точку, показывал двадцать шесть и половину. Рассаде всё равно, но проект был пробой пера перед инкубатором, а там полтора градуса решают, вылупится птенец или нет. Вечер я подозревал датчик в смерти, а потом дошло: он не сломан, он смещён. Показывает на полтора градуса меньше, чем есть, — стабильно, при каждой температуре.

Смещение — не брак, а свойство. В даташите DHT11 класс точности заявлен как плюс-минус два градуса при комнатной температуре: два датчика из трёх из коробки будут врать в пределах двух градусов, и никто за это деньги не вернёт. NTC-делитель в середине диапазона держится получше, но по краям гуляет. Поэтому вопрос не в том, как избежать смещения, а в том, где хранить его поправку, чтобы она пережила выключение питания и не потребовала перепрошивки.

В этом уроке заведём в EEPROM одну float-переменную — смещение, которое прибавляется к каждому чтению; войдём в режим калибровки кнопкой, зададим поправку, выйдем — и после любого сброса питания термостат проснётся с той же поправкой. Отдельно разберём знак поправки, на котором я спотыкался дважды.

Про симулятор честно: EEPROM в нём не эмулируется — модель памяти это массив в скетче. Логика при этом та же, что на плате: magic-байт, загрузка поправки при старте, одна запись при выходе из калибровки, применение при каждом чтении. На реальной плате массив заменяется на EEPROM.get и EEPROM.put один в один.

Определение одно, и его стоит записать на полях: смещение равно эталону минус показание. Датчик говорит 23.5, эталонный термометр в той же точке 25.0 — смещение плюс полтора, и его прибавляют к каждому чтению. Прибор врёт вверх, показывает 26.0 при честных 25.0 — смещение минус ноль-пять, прибавление отрицательного числа само всё исправит. Моё правило: поправку всегда прибавляют и никогда не вычитают — тогда формула в коде везде одинаковая, а знак ведёт в нужную сторону без раздумий. Тот же приём работает и вне температур: барометр BMP280, уехавший на пару гектопаскалей после сверки с метеосводкой соседнего города, лечится такой же прибавкой — смещение есть смещение.

Тупик, в который я попадал дважды: поправка применена в двух местах. Сначала я прибавил смещение в функции чтения датчика — правильно. Потом, забыв об этом, добавил ту же поправку в регулирование — оно брало уже исправленное значение и сдвигало его ещё раз. Полтора градуса превратились в три, и рассада вместо тепла получила духоту. Лечится дисциплиной: смещение живёт в одном месте, внутри функции, возвращающей температуру, и весь остальной код ест только её результат.

Одна поправка на весь диапазон — приближение, скажем честно. NTC-датчик, откалиброванный при двадцати пяти, может уехать на полградуса при минус десяти: у термистора и резисторов делителя есть температурный дрейф. Для комнатного термостата это невидимо. Для диапазона от минус сорока до плюс восьмидесяти нужна уже двухточечная калибровка — смещение плюс масштаб, две константы вместо одной, — механика хранения та же, просто ячеек четыре, а не одна.

Три опорные точки в этом скетче. Первая: EEPROM.get читает четыре байта float одним вызовом — раскладку дробного числа по ячейкам мы разбирали в уроке про побайтовую запись, а put и get делают её за вас. Вторая: magic-байт из урока про первые настройки — чистая EEPROM читается как 255, и без проверки четыре ячейки 255 превратятся в какое-то число, которое выглядит как поправка, хотя это мусор пустой памяти. Третья: put стоит внутри выхода из режима калибровки, а не в loop — за весь сеанс в память уходит ровно одна запись, и ресурс ячейки из расчёта износа не тревожится.

При старте поправка читается до всего остального, поэтому после сброса питания — хоть через час, хоть после зимы на даче — термостат просыпается с тем же смещением. Одна запись занимает около 3,3 мс и происходит при выходе из калибровки: пользователь моргнуть не успеет. Если калибруете раз в месяц, ячейка с поправкой переживёт и плату, и вас.

Порядок калибровки на живом устройстве: сначала прогрейте сборку до рабочего режима — минут двадцать-тридцать работы, чтобы датчик и плата вышли на устоявшуюся температуру, — и только потом вводите поправку. Поправка, снятая на холодной плате сразу после включения, отличается от устоявшейся на несколько десятых: электроника рядом с датчиком его подогревает. Для гистерезиса комнатного термостата, к которому мы шли в уроке про термостат, эти десятые не страшны, для инкубатора — уже нет. И да, светодиод в скетче не украшение: он показывает, что крутилка сейчас задаёт поправку, а не служит датчиком. В симуляторе роль крутилки двойная — в обычном режиме это показания датчика, в калибровке — задание поправки; на реальной плате датчик держат на отдельном входе A1, а подстроечник остаётся на A0.

Эталон — узкое место всей затеи, и здесь работает жёсткое правило: точность поправки не выше точности эталона. Лабораторный термометр даёт десятые доли, стакан с тающим льмом даёт ровный ноль силами физики, кипяток — плюс-минус градус и зависит от высоты над морем. Рабочий бытовой вариант — второй датчик, который вы сверили по первым двум: так я калибрую термостаты по DS18B20, проверенному со спиртовым термометром в стакане со льдом.

По ресурсу калибровка — идеальный клиент EEPROM: читается на старте, пишется при выходе из режима. Десятые доли градуса, кстати, можно хранить и без float — умножить на десять и держать int в двух ячейках той же арифметикой, что в уроке про счётчик включений: минус полтора превращается в минус пятнадцать. Выбор между float через put и целыми десятыми — дело вкуса и соседей по памяти: если рядом уже лежит структура настроек с float из урока про put и get, кладите float туда же, одним ящиком.

Ввод поправки без подстроечника — через Serial: вошли в режим, набрали число, подтвердили. Чтение чисел с монитора порта разобрано в уроке про parseInt, а когда команд станет больше трёх, поверх parseInt собирается текстовое меню с именами и валидацией. Кнопка в любом случае остаётся единственным входом в калибровку: исправить показания мимо режима должно быть невозможно, иначе первый же пролиставший меню человек собьёт прибор.

В симуляторе попробуйте полный цикл: вошли в калибровку, задали поправку, вышли — и дальше каждая пара raw и corr расходится ровно на сохранённое смещение. Массив обнулится при перезапуске скетча, зато на реальной плате после сброса питания setup прочитает сохранённое и продолжит с той же поправкой — в этом весь смысл держать смещение в EEPROM, а не в переменной.

Пять ячеек — magic и четыре байта поправки — заняли своё место честно и после сброса питания вернулись на место. Но это первый жилец. Дальше появятся пороги, режимы, счётчики и журнал, и все они захотят свои адреса в той же тысяче ячеек. Как распланировать килобайт EEPROM так, чтобы соседи не наезжали друг на друга и добавление поля не ломало старые прошивки — следующий урок.