Индикатор уровня: столбики, пороги и сглаживание

Газоанализатор на макетке почти работал: столбик уровня дёргался, как испуганный, последняя цифра значения мелькала пять раз в секунду, а зона тревоги то включалась, то гасла, потому что сырое значение с АЦП гуляло на пятнадцать-двадцать единиц вокруг порога. Ровно то же вы увидите с любым датчиком на analogRead: шум — не поломка, а свойство канала, и экран обязан его переживать, иначе прибор выглядит больным.

Шум имеет размах и источник: при коротких проводах и питании 5 В АЦП гуляет на десять-двадцать единиц, длинный макетный провод без нормальной земли добавляет ещё. У каждого канала свои причуды: фоторезистор врёт от наводок лампы дневного света, газовый датчик плавает первые минуты прогрева. Экран всё усиливает: то, что в Serial терпимо, на LCD выглядит нервным тиком последней цифры.

Собираем правильный индикатор из трёх частей: вертикальные столбики из своих глифов, сглаживание экспоненциальным средним и пороги с гистерезисом. Источник уровня — потенциометр на A0: крутите ручку, как будто это сигнал с датчика, вся механика при переносе на реальный сенсор не меняется вплоть до констант порогов.

Вертикальный столбик — это клетка экрана с глифом, залитым снизу на нужную высоту: от одной строки до семи. Раскладка слотов здесь вынуждает быть хитрым: высоты 1–7 занимают слоты 1–7, нулевая высота печатается обычным пробелом, а полный столбик из восьми строк — кодом 255 из ROM. Ловушка нулевого слота, разобранная ещё в уроке про свои символы, обходит нас стороной без всяких жертв. Десять таких клеток в ряд — гистограмма истории: каждые 200 мс новое значение въезжает справа, старые уезжают влево, и тренд виден одним взглядом, как на пиковом индикаторе микшера.

Движение истории почти бесплатное: массив из десяти высот сдвигается одним циклом, и перерисовка всего ряда стоит пять-шесть миллисекунд раз в 200 мс — три процента времени. Сдвиг массива идёт до перерисовки: клетка рисуется по новому месту, гистограмма уезжает влево ровная, без хвостов. Сдвиг после отрисовки даёт знаменитую картинку с отстающим на шаг столбиком — если увидите её у себя, вы знаете, где искать.

Десять клеток истории при тике в 200 мс — это два с половиной секунды жизни индикатора: медленные процессы видны целиком, быстрые пики заметны всплеском. Одно число сообщает значение, гистограмма — направление, а для уровня сигнала направление важнее: глаз сравнивает соседние столбики быстрее, чем читает цифру. История длиннее упирается в ширину экрана — тогда честнее Serial и график на компьютере.

Каждая клетка перерисовывается отдельно — пятьдесят-шестьдесят байтов шины на весь ряд, при 100 кГц это пять-шесть миллисекунд раз в 200 мс, то есть три процента времени. Частота обновления экрана и её цена считаются так же, как в уроке про тик таймера, поэтому столбики не мерцают и не съедают loop.

Сглаживание — экспоненциальное скользящее среднее, одна строка: lvl = lvl + (raw - lvl) / 8. Новый отсчёт получает вес в один восьмой, прошлая история — семь восьмых. Инертность считается на пальцах: за k отсчётов остаток скачка равен (7/8)^k, то есть половина разницы закрывается за пять-шесть отсчётов, а после десяти от неё остаётся четверть. Деление на восемь — на степень двойки — компилятор превращает в сдвиг, дешевле не бывает. Числа для отладки удобно гнать в Serial с разбором: сырой против сглаженного рядом — и фильтр виден, как на рентгене: скачок у сырого и пологая дуга у сглаженного.

У фильтра есть слабое место на старте: переменная lvl объявлена с серединой диапазона, и первые полсекунды столбик едет с половины к реальному значению, как будто прибор оживает. Лечится инициализацией первым же чтением: в setup присвойте lvl значение analogRead, и бар открывается сразу в правильной позиции. Мелочь, но именно её замечают первые три секунды знакомства с прибором.

Инертность фильтра считается в уме: остаток скачка после k отсчётов равен (7/8)^k — пять-шесть отсчётов закрывают половину, двадцать оставляют семь процентов. Делитель — ручка настройки: четыре реагирует почти мгновенно и всё ещё дрожит, шестнадцать спокоен до вялости, восемь — золотая середина для индикатора на экране. Менять делитель стоит под живой процесс, а не под настроение: медленный датчик прощает, быстрый — нет. Кому не нужен float, тот собирает фиксированную точку: уровень в единицах по одной восьмой, деление заменяется сдвигом, точности хватает с запасом.

Порог без зазора — главная причина мигающих тревог: значение гуляет вокруг 700, зона щёлкает туда-сюда несколько раз в секунду, реле дребезжит. Лечение — два порога вместо одного: вход в тревогу выше 700, выход ниже 650. Между ними состояние не меняется вовсе, и зона спокойна, как термостат, который включается не сразу после выключения. Я беру зазор в один-два процента диапазона для дисплеев и побольше — для реле, где каждый щелчок слышно.

Зазор выбирается по процессу: два-пять процентов диапазона для дисплея, побольше — для реле и вентилятора, где каждый щелчок слышно. Гистерезис давно встроен в бытовые термостаты: нагреватель включается чуть ниже уставки и выключается чуть выше — по той же причине. Мой вентилятор обдува на фоторезисторе перестал мигать только после того, как пороги разъехались на сорок единиц АЦП — до этого он щёлкал по два раза в секунду у границы.

Комбинация фильтра и гистерезиса покрывает девять из десяти индикаторов, что я делал: термометр без мерцания на том же принципе показывает температуру, не дёргая последнюю цифру. Если же нужна реакция именно на быстрые пики — берите медиану из пяти, она не глотает одиночный выброс, в отличие от EMA, который его размажет.

Раскладка экрана здесь тоже решение, а не случайность: десять клеток истории слева, флаг фильтра и зона справа в верхней строке, числа внизу. Верхняя строка отвечает на вопрос куда, нижняя — сколько, и перепутать их нельзя. Зона напечатана четырьмя буквами — PIK, NORM, SLAB, — потому что длинные слова на шестнадцать клеток не влезают без жертв, а четыре буквы читаются с трёх метров.

Минимум и максимум канала снимаются заранее: у моего фоторезистора рабочий диапазон оказался от 80 до 920, и map по реальным границам даёт столбик на всю высоту вместо бледной палки посередине. Калибровка на три минуты делает индикатор живее любой перекраски: короткий диапазон — это бледные столбики и вечно серединная зона, хотя АЦП честно отрабатывает все десять бит.

Пара raw против lvl в нижней строке — главный учебный элемент скетча: при резком повороте ручки сырое значение прыгает сразу, сглаженное догоняет за пять-шесть тиков, и разрыв виден глазами. Скорость сближения — это и есть делитель фильтра, поднятый из формулы на экран. Без этой пары новичок верит фильтру на слово; с ней — видит цену и подбирает делитель под свой канал за минуту.