Фоторезистор и делитель напряжения: автоматический ночник

Над лестницей на даче я повесил ночник и приучил семью нажимать кнопку. Кнопка не выжила: свет горел до обеда, потому что «шли мимо и забыли», потом я поставил таймер — и таймер начал врать: летом темнеет в десять, зимой в пять, а он стрелял по одному времени. Два вечера я настраивал сезонные расписания, пока не понял, что прибор, который сам видит темноту, стоит сорок рублей и называется фоторезистором.

В этом уроке соберём автоматический ночник: фоторезистор и резистор 10 кОм образуют делитель напряжения, analogRead читает точку между ними, а два порога с переменной состояния решают, светить или гаснуть. Отдельно разберём гистерезис — приём, который спасает любые пороговые устройства от мигания на границе. Если условия для вас ещё в новинку, откатитесь на урок про if/else и возвращайтесь с ним же.

Фоторезистор (он же LDR, light dependent resistor) — керамическая табличка с змейкой полупроводника, у которой сопротивление зависит от освещённости. В темноте шкафа мой экземпляр GL5528 показал около 240 кОм, под настольной лампой — примерно 8 кОм; у вашего цифры будут другими, возможно 10–15 кОм на свету, — это нормально, разброс у детали большой. Полярности нет: какой ногой к 5V, какой к A0 — без разницы. Ножки длинные и без цоколя — в макетку вставляются напрямую; для стационарного ночника я капнул каплю термоклея, чтобы датчик смотрел в нужную сторону.

Важно понимать природу детали: LDR не измеряет люксы. Его характеристика нелинейная, между «сумерки» и «полная тьма» сопротивление меняется в разы, а между «лампа» и «пасмурный день» — почти нет. Для ночника это подарок, а не недостаток: нам не нужно число люксов, нужна уверенная разница между «в комнате светло» и «в комнате темно», и она у LDR огромная. Мой порог «свет горит в комнате» держался стабильно весь сезон: фоторезистор прощает и неточность, и пыль, и старый резистор — лишь бы разница свет/тьма оставалась большой.

Есть у фоторезистора и минус — реакция с запаздыванием: резкое включение лампы он видит через десятки миллисекунд; для ночника неважно, для фотоэкспонометра — критично. И запомните главное отличие от потенциометра из прошлого урока: у ручки делитель уже внутри корпуса, а у LDR он голый — сопротивление одно, второе плечо придётся собрать самому. Ровно этим и займёмся.

analogRead меряет напряжение, а не сопротивление — голый LDR к входу не подключишь: второй вывод повиснет в воздухе, и показания поплывут. У моего соседа по лестничной площадке датчик стоял напротив окна — на рассвете порог срабатывал от бликов проезжающих машин; сдвинули его в тёмный угол — и вопрос закрылся. Решение — делитель: фоторезистор сверху к 5V, резистор 10 кОм снизу к GND, среднюю точку сажаем на A0. Чем больше света, тем меньше сопротивление LDR и тем больше напряжения остаётся на нижнем плече — число на A0 растёт со светом. Проверка собранного делителя занимает минуту: при свете на A0 ожидаем половину питания или больше, в темноте — десятые доли вольта; если наоборот — вы собрали зеркальный вариант.

Прикинем цифры для моего экземпляра. Ярко (LDR около 8 кОм): 5 В × 10 / (10 + 8) — примерно 2,8 В, на АЦП это около 570. Темно (240 кОм): 5 × 10 / 250 = 0,2 В — около 40. Между ними — весь диапазон сумерек, и порог где-то посередке. Точный номинал нижнего резистора не критичен: 10 кОм из набора — золотая середина; другой номинал просто сдвинет пороги, а вы их всё равно замерите по Serial.

Если собрать наоборот — 10 кОм сверху к 5V, LDR снизу к GND — логика инвертируется: темно, число на A0 растёт. Оба варианта рабочие, «правильного» нет; неправильный только один — взять чужой скетч со своими порогами, не сверив, как ведёт себя именно ваша схема. Мой рецепт: перед любыми порогами десять секунд смотреть в Serial при свете и в темноте, записать два числа — и уже от них плясать.

Версия с одним порогом моргает, и вот почему. В сумерках показания стоят у самой границы — 248, 251, 249 — шум АЦП гоняет их туда-сюда, и ночник строчит включениями. Я сначала грешил на провод: протянул заново, переткнул макетку — не помогло. Потом допёр, что проблема не в железе, а в логике. Одного порога мало, нужны два: включаемся при raw меньше 200, выключаемся при raw больше 320. Между ними — мёртвая полоса, где ничего не меняется. Я просидел с ладонью над датчиком минут десять, пока записывал граничные значения, — лучшая инвестиция вечера: экономит часы подогнанных наугад порогов.

Чтобы два порога работали, программа должна помнить, что было секунду назад. Заводим переменную ledOn: если ночник выключен и стало темнее 200 — включаем; если горит и стало светлее 320 — гасим. Это называется гистерезисом, и вы встречали его в быту сто раз: утюг выключается на сотне градусов и включается снова на шестидесяти — если бы он щёлкал на каждом градусе, вы бы сходили с ума.

Разнос порогов подбирается по месту: моему ночнику хватило 120 единиц АЦП, а светильнику у окна я поставил 200 — там штора дышит от ветра. Мелкий зазор — снова мигание, огромный — ночник включается «позже», чем хочется. И обратите внимание, как это роднит аналоговый мир с цифровым: борьба с дребезгом кнопки — та же история про то, что решение принимается не по мгновенному значению, а с памятью и зазором; мы проходили это в уроке про debounce. Практический ориентир: зазор в 10–15% всего рабочего диапазона датчика — разумный старт, с него и начинал.

Ночник стал автоматом: сам видит темноту, сам решает, а гистерезис не даёт ему нервничать на границе. Единственное «но»: число 250 на экране — всё ещё абстракция, между ним и физической величиной пропасть. Следующий урок закроет и её: термистор NTC — родственник нашего фоторезистора, только чувствительный к теплу, — и формула Стейнхарта превратит сырые единицы АЦП в настоящие градусы Цельсия с десятыми долями. Возьмите с собой привычку сверять схему с Serial и дружбу с float — пригодятся обе. А если лень ждать темноты, направьте на датчик фонарик: лог в Serial покажет оба порога за минуту.