Термостат с гистерезисом: DS18B20, реле и экран

Термометр в теплице у меня жил давно: крупные цифры с DS18B20 на OLED показывали 12,8 °C красиво, точно и совершенно бесполезно — цифра смотрела на меня, а рассада мёрзла. Термостат отличается одним словом: он держит уставку. Включает нагрев, когда холоднее уставки, выключает, когда догрел, и на экране появляются две новые сущности: уставка, которую крутят кнопками не глядя в код, и состояние — NAGREV или POKOJ крупным шрифтом, которое читается с другого конца теплицы.

Гистерезис — то, что отличает регулятор от мультивибратора. Моя первая версия сравнивала abs(t − уставка) с порогом и щёлкала реле каждые пару секунд у границы: за месяц контакты подгорели, щелчок стало слышно через стену, а температура так и гуляла в окне шума датчика. Рабочая схема — две границы с памятью: включаем нагрев ниже уставки минус четверть градуса, выключаем выше уставки плюс четверть. Окно в полградуса, и реле вместо сотни щелчков в час делает два-три. Где именно проваливается abs() и почему четыре строки кода решают всё — разберём построчно.

Железо: DS18B20 на D2 с подтяжкой 4,7 кОм — подключение разбирал в уроке про 1-Wire; модуль реле на D7; две кнопки уставки на D3 и D4. Отдельного разговора стоит питание: катушка реле тянет порядка 70 миллиампер, и если кормить её с 5 В платы вместе с датчиком и экраном, в момент втягивания просадка роняет и датчик, и дисплей. Как это выглядит и как лечится — рамка с числами ниже.

Уставка крутится двумя кнопками с шагом полградуса: плюс на D3, минус на D4, окно анти-дребезга 300 мс. Быстрая серия кликов уводит уставку на несколько шагов — это не промах, а фича: подстроить с двух нажатий быстрее, чем ждать сонную кнопку. Значение живёт в переменной float и печатается в шапке рядом с фактом: T 23.6 / UST 24.0. Границы окна считаются на лету — niz = ust − 0.25, verh = ust + 0.25 — и обе печатаются мелкой строкой в подвале кадра: весь расклад виден без заглядывания в код, а настройка окна сводится к правке одной константы.

Состояние — size 2 по центру: NAGREV или POKOJ. Словами, а не иконкой, потому что слово читается через комнату без фокусировки, иконку приходится узнавать. Транслитом, а не кириллицей, потому что базовый шрифт Adafruit GFX не содержит кириллических знакомест: на экране появятся кракозябры, и лечится это либо переходом на U8g2 со своими шрифтами, либо транслитом — мой разбор обеих дорог в уроке про кириллицу и U8g2. Строка меняется пару раз в час, поэтому полный кадр на смене состояния — не расточительство: двадцать посылок в сутки шину не будят.

Датчик читается по окну раз в секунду. requestTemperatures() блокирует loop на 750 мс — это паспорт конверсии DS18B20 при 12-битном разрешении, а не ленивый код: быстрее нельзя, можно только грубее, снизив разрешение до 11 бит и сэкономив 375 мс. Слепая зона конверсии означает, что нажатие кнопки короче 750 мс может пролететь между окнами; на практике палец держит кнопку дольше, но если вам нужна кнопка боевого дежурства, её место на прерывании — там слепые зоны не страшны.

Код гистерезиса — четыре строки, и в них вся наука: if (t < niz) heater = 1; if (t > verh) heater = 0; digitalWrite(RELE, heater == 1 ? HIGH : LOW). Между границами ни одна ветка не срабатывает, и флаг heater держит прежнее состояние — это и есть память регулятора, которой был лишён мой первый вариант. abs() памятет ничего: на каждом замере он кричит «вне зоны», но молчит, в какую сторону, и логика «включать, если холоднее» у границы мечется вместе с шумом датчика в десятые градуса. Две границы отсекают мечетание геометрически: между niz и verh не происходит ничего, сколько бы шум ни пингал.

Число 0,5 °C — компромисс, а не магия. Снизу окно должно быть шире шума: DS18B20 обещает ±0,5 °C в диапазоне −10…+85 °C, а после сверки с эталонным термометром обычно врёт в пределах ±0,1-0,2 °C стабильно — окно в полградуса накрывает и заводской разброс, и остаточную ошибку. Сверху окно должно быть уже комфортного коридора: в теплице я держу плюс-минус градус, в аквариуме на той же логике — окно в градус, и рыба не замечает. Сделаете окно 2 °C — температура гуляет, рассада заметит; сделаете 0,1 °C — вернётесь к звенящему реле. Счёт щелчков, который убедил меня в этом окончательно, я вёл в уроке про реле и гистерезис.

Вторую жизнь этому каркасу дал аквариум: та же пара границ, другой датчик и другие константы — и аквариумный термостат заработал за вечер, как в уроке про DS18B20 и аквариум. Каркас безразличен к тому, что он греет: воздух, воду, пол в мастерской. Меняются константы окна и направление — охладитель включается выше верхней границы и выключается ниже нижней, логика зеркальная, четыре строки те же.

Две вещи в скетче стоят комментария. Первая — строка digitalWrite(RELE, LOW) в setup: без неё пин до первого решения висит в воздухе, и модуль реле с активным LOW мог бы щёлкнуть при подаче питания — у многих модулей вход инвертирован, и это надо проверять до монтажа в шкаф; раскладку входов и оптопару я разбирал в уроке про модуль реле и 220 В. Вторая — проверка tt > -100: минус 127 у DS18B20 означает не мороз, а молчание шины, и принять его за настоящую температуру значило бы выключить нагрев посреди зимы.

Питание я развожу так: реле получает свои 5 В от отдельного источника или от винтовой клеммы блока питания, JD-VCC-перемычка на модуле снята, у датчика — конденсатор 470 мкФ рядом с проводами. Плата в этой схеме только командует: её 5 В питают экран и датчик, но не катушку. Обещанная рамка с числами — ниже: это тот случай, когда вечер, потраченный на перемычку, экономит неделю чтения логов.

В симуляторе датчик живой: ползунок от −55 до +125 с шагом в полградуса, и getTempCByIndex отдаёт ровно то, что вы выставили, с лёгким шумом, как настоящий. Проведите столбик вниз через нижнюю границу — реле щёлкнет, экран покажет NAGREV; теперь гоняйте столбик между границами — щелчков не будет, сколько бы шум ни толкал цифру. Это и есть окно вживую: до первой границы флаг стоит, после неё включается нагрев, и вернуть всё обратно можно только переехав верхнюю границу.

Кнопки уставки работают и в симуляторе: зажмите кнопку на компоненте, и уставка уползёт на шаг. Конверсия занимает 750 миллисекунд — нажатие короче может пролететь между окнами, на реальной плате это ровно та же слепая зона, о которой шла речь выше. Счётчик щелчков реле в симуляторе лучше всего смотреть в Serial-логе: строки ten=1 и ten=0 чередуются только на переходах через границы, и это готовый тест на честность гистерезиса без секундомера.