analogWrite и ШИМ: меняем яркость светодиода

Ночник-«дыхание» в детскую я собирал с упорством, достойным лучшего применения: вручную включал и выключал пин командами digitalWrite и delayMicroseconds — короткие импульсы должны были усредниться в полумрак. Светодиод действительно горел тускло, но при каждом проходе loop() заметно подрагивал, Serial молчал, потому что весь скетч стоял в паузах, а кнопка в соседней ветке кода перестала отзываться вовсе. Два вечера я лечил это заменой резисторов, пока наконец не признал: плавную яркость кто-то придумал до меня, и придумал аппаратно.

Придумали, и называется это ШИМ — широтно-импульсная модуляция. В этом уроке разберём, что такое duty cycle и почему 490 Гц делают мигание невидимым для глаза, где на Uno живут ШИМ-пины (подсказка: они помечены волнистой чертой ~ на шелкографии), как analogWrite(9, 0..255) меняет яркость одной строкой и почему число внутри — не напряжение и не проценты. Соберём то самое «дыхание» светодиода, только без самодеятельности, и заглянем в два тупика, в которых я оставил нервы: analogWrite на пине без черты и проценты вместо диапазона 0–255.

Интуиция шепчет: чтобы светодиод светил вполсилы, надо подать на пин два с половиной вольта. Arduino так не умеет: у цифрового пина ровно два состояния, 5 В или 0 В, промежутка между ними нет. ШИМ решает задачу хитрее — пин очень быстро переключается между полными пятью вольтами и нулём. Если половину периода пин держится наверху, а половину — внизу, светодиод горит лишь половину каждого цикла, и глаз видит ровно половину яркости. Это и есть duty cycle, коэффициент заполнения: доля времени, которую сигнал проводит в единице.

Считается он от полного диапазона: duty 50% — светодиод горит половину времени, 10% — каждую десятую долю, 90% — почти всё время. Теперь про скорость. На пинах 3, 9, 10 и 11 Uno переключает ШИМ-сигнал с частотой около 490 Гц — четыреста девяносто раз в секунду; на пинах 5 и 6 частота вдвое выше, около 980 Гц. Глаз перестаёт замечать мигание уже в районе 50–60 Гц, так что на 490 Гц зрение усредняет импульсы в ровное, спокойное свечение без всякого дрожания. Мультиметр на постоянном напряжении покажет то же усреднение: при duty 51 из 255 он увидит примерно 1,0 В, хотя между импульсами пин честно выдаёт полные 5 В.

Вот почему analogWrite не «делает напряжение» — он делает импульсы. Путаница здесь дорого стоит: новичок ждёт от пина «2,5 В для моторчика» или считает, что светодиод при половинном duty питается половиной вольта. Потребление действительно падает примерно пропорционально duty, но физика другая: кристалл каждый миг либо горит в полную силу, либо выключен, просто выключен он так часто, что глаз за этим не поспевает. Как только картинка «быстрое мигание, которое глаз усредняет» уложилась в голову, половина вопросов к ШИМ исчезает сама собой.

Проверить импульсы можно без осциллографа. Наведите камеру смартфона на светодиод под ШИМ: из-за покадровой съёмки по линейке света поползут тёмные и светлые полосы — камера видит мигание, которое глаз пропускает. А если снизить частоту в сотню раз и подавать импульсы вручную через digitalWrite и delay(500), мигание увидит и ребёнок: та же самая механика, только без усреднения. Разница между «мигает» и «светит вполсилы» — исключительно частота переключения, и весь аппаратный ШИМ существует ради того, чтобы делать это переключение за процессор и не давать ему ни единого такта.

На плате Uno аппаратный ШИМ умеют шесть пинов — 3, 5, 6, 9, 10 и 11. Возле их номеров на шелкографии нанесена волнистая черта ~, и это единственная подсказка прямо на корпусе платы: производители не зря её рисуют, стоит один раз рассмотреть свою Uno глазами. Пины привязаны к трём аппаратным таймерам внутри ATmega328P, поэтому «перенести» ШИМ на соседний пин силой воли не выйдет: у пина 8 таймера под ШИМ нет, и analogWrite там ведёт себя как обычный digitalWrite.

Сам вызов выглядит так: analogWrite(9, 128) — номер пина и число от 0 до 255. Ноль — пин всё время внизу, светодиод погашен. Двести пятьдесят пять — всё время наверху, полная яркость. Середина, 127–128, — примерно половина яркости. Диапазон принципиален: не проценты и не вольты, а именно 0–255, потому что внутри это восьмибитное число — ровно столько значений умещается в один байт. Отсюда классическая ошибка «я хочу 50% яркости»: analogWrite(9, 50) — а на деле вы попросили меньше пятой части, 50 из 255. Светодиод загорается тускло, а вы обшариваете макетку в поисках плохого контакта, которого нет.

pinMode для ШИМ-пина настраивать не обязательно — analogWrite сам переведёт пин в режим выхода. Я всё равно пишу pinMode в setup(): схему видно целиком, а привычка выручает, когда позже часть кода переезжает на digitalWrite. Мнение с оговоркой: на старте я взял себе правило — любому пину, где нужна плавность, заранее назначать место только из шестёрки 3, 5, 6, 9, 10, 11, и проверять черту на плате. Планируете больше трёх ШИМ-каналов одновременно, например RGB плюс диммер, — считайте пины на бумажке до сборки: их ровно шесть, и потом придётся что-то вычёркивать.

Собираем ночник по-нормальному. Схема минимальная: светодиод длинной ножкой к пину 9, резистор 220 Ом в разрыв, короткая ножка к GND — та же схема из первого урока, только пин теперь ШИМ-ный. Логика укладывается в два цикла: первый гоняет яркость от 0 до 255 с шагом 5, на каждом шаге analogWrite(9, b) и delay(5); второй — от 255 до 0, обратно. Полный вдох-выдох занимает около двух с половиной секунд: 52 шага вверх, столько же вниз, по 5 мс на каждый.

Два параметра крутят весь характер анимации. Шаг: при 5 яркость меняется непрерывно и глазу кажется плавной; при 25 вы получите заметные ступеньки, как на индикаторе старой микроволновки — семь-восемь скачков вместо ровного нарастания. Пауза: delay(5) даёт спокойное «дыхание», delay(1) — почти мгновенную вспышку, delay(50) — растянутую, ленивую. Оба параметра лежат в const наверху скетча: правятся одним числом, логику не трогают — качественная привычка для любых будущих анимаций.

И честная оговорка про цену. Цикл с delay() блокирует loop() на всё время вдоха: для ночника это неважно, а для кнопки в том же скетче — уже проблема, знакомая вам по уроку про дребезг. Неблокирующая версия «дыхания» на millis() и плавные переходы по таймерам ждут в продвинутом разборе ШИМ — там же диммер на потенциометре и разговор про то, что глаз чувствует яркость нелинейно. Сегодня же наша цель — механика analogWrite, и с ней блокирующий цикл справляется безупречно.

Теперь плавная яркость для вас — одна строка: analogWrite с числом от 0 до 255 на любом пине с чертой. Из этого на одном светодиоде собираются ночники, индикаторы заряда и «дыхание»; вместе с потенциометром из урока про analogRead получится диммер с ручкой. Дальше по курсу каналов станет три: возьмём RGB-светодиод и смешаем из красного, зелёного и синего любой цвет — та же analogWrite, только в три руки. А если захочется неблокирующих анимаций, диммера и разговора про нелинейность глаза — открывайте продвинутый разбор ШИМ, он подхватит ровно с того места, где мы остановились.