Потенциометр: регулируем яркость светодиода поворотом ручки

Яркость прикроватной лампы я первые два вечера регулировал тремя кнопками: в коде лежали три заготовленных уровня — 30, 120 и 255 — и каждая кнопка ставила свой. Домашние просили «чуть-чуть посветлее», а между ступенями у меня была пропасть; после третьей просьбы я полез в макетку прикручивать четвёртую кнопку и вовремя остановился. Ступени там, где нужна ручка, — это не решение, а заглушка. Вечер, когда я в четвёртый раз перепаивал кнопки, лампа честно показала: между «почти темно» и «нормально» людям нужно плавно, а не по щелчку.

В этом уроке сделаем настоящий диммер: потенциометр на входе A0, функция map() для перевода 0–1023 в 0–255 и analogWrite на пин 9. Разберём, почему map() целочисленная и почему 512 превращается в 127, а не 128, что такое мёртвая зона ручки на краях хода и зачем рядом с map() всегда живёт constrain(). Если ШИМ для вас пока тёмный лес — сначала вернитесь к уроку про analogWrite и ШИМ, а потом возвращайтесь сюда за ручкой.

Потенциометр — две вещи в одном корпусе: делитель напряжения с готовой ручкой. У детали три ноги: крайние идут на 5V и GND, средняя — на вход A0. Внутри — дорожка с сопротивлением (у моего экземпляра 10 кОм, тот самый номинал из старых радиоприёмников), по которой скользит ползунок: крутите ручку — меняется пропорция между двумя половинами дорожки, и напряжение на средней ноге плавает от 0 до 5 вольт. Питание на крайние ноги подаётся в любой полярности: перепутаете 5V и GND — просто получите шкалу задом наперёд, исправляется одним переворотом проводов.

Аналоговый вход Arduino измеряет это напряжение и выдаёт число от 0 до 1023: это 10-битный АЦП, 0 соответствует 0 В, 1023 — полным 5 В. Как читать аналоговые входы и что ещё к ним подключают, я подробно разбирал в уроке про analogRead — здесь возьмём только главное: analogRead(A0) возвращает готовое число, никаких библиотек и настроек не нужно.

Номинал потенциометра почти не важен: подойдёт любой от 1 до 100 кОм, потому что ток через дорожку смешной — полмиллиампера. Важнее другое: края хода врут. У моего потенциометра последние пару градусов поворота ничего не меняют, а показания у максимума прыгают между 1022 и 1023. Выведите значения в Serial и покрутите свою ручку — вы обнаружите и мёртвую зону, и дребезг последней цифры, и тогда все разговоры про края ниже встанут на место. Заодно посмотрите на среднее положение: у доброй половины дешёвых потенциометров середина хода не ровно 512, а 520–540 — дорожка изнашивается неравномерно.

Проблема диммера в несовпадении диапазонов: АЦП выдаёт 0–1023, а analogWrite хочет 0–255. Функция map(x, inMin, inMax, outMin, outMax) пересчитывает число из одного диапазона в другой по школьной пропорции: map(raw, 0, 1023, 0, 255) растягивает показание ручки на шкалу яркости. Середина 512 станет 127, крайности совпадут: 0 в 0, 1023 в 255. Аргументы читаются как предложение: «возьми raw из диапазона 0–1023 и выдай из диапазона 0–255» — редкий случай, когда функция объясняет себя прямо в вызове.

Внутри map() целочисленная арифметика: дробная часть отбрасывается. 512 × 255 / 1023 = 127,68 — получится 127, а не 128. Для диммера это неважно, глаз разницу соседних уровней не видит, но знать свойство надо: если где-то посчитаете «половина от 255 — это 128», а map вернёт 127 — это не баг, это отброшенная дробь. Есть и более короткая альтернатива: деление raw / 4 даёт практически тот же результат (1023 / 4 = 255), но map() читаемее и главное — гибче: захотите инвертировать ручку или ввести нижний порог, правите аргументы, а не арифметику.

Гибкость map() — это и ловушка. Функция не ограничивает результат: если raw вылезет за 0–1023 (обрыв провода, наводка, 5 вольт с соседней ветки схемы), map честно посчитает и 274, и −10. На реальной плате analogWrite принимает байт, и 274 сворачивается в 18 — яркость прыгнет непредсказуемо. Поэтому рабочая связка всегда парная: map() пересчитал, constrain(bright, 0, 255) подрезал выход за границы. Одна строка страховки экономит вечер отладки.

Схема: крайние ноги потенциометра — на 5V и GND, средняя — на A0; светодиод через резистор 220 Ом — на пин 9. Пин именно с волнистой чертой: аппаратный ШИМ на Uno есть только на 3, 5, 6, 9, 10 и 11. На пине 8 реальной платы analogWrite(8, 127) включит светодиод в полную — функция не ругается, просто плавности нет; в симуляторе analogWrite работает на любом пине, но привычку выбирать ШИМ-пины ставьте с первого урока.

Скетч короткий: в loop() читаем ручку, масштабируем, подрезаем, ставим яркость. delay(300) тут только для темпа журнала — сам analogWrite аппаратный: яркость едет за ручкой мгновенно, а пауза нужна лишь чтобы Serial не забивал монитор порта сотнями строк в секунду. На настоящей плате яркость обновляется аппаратно тысячи раз в секунду независимо от loop() — никакого delay между analogWrite не нужно, он только для журнала.

Проверка собранного диммера одна и та же: ручка влево до упора — светодиод потух, вправо — в полную, медленный проход посередке — яркость едет следом без ступеней и подёргиваний. Если на краях светодиод подмигивает — это тот самый дребезг АЦП: constrain() лечит его вместе с выбросами. Мой первый диммер на трех ступенях выглядит так, и разница с ручкой ощущается с первого поворота.

Диммер готов, и это первый прибор, где код не командует светом, а пересказывает ручку. За кадром осталась важная деталь: ручку крутим мы сами — число приходит от человека. В следующем уроке источник числа сменится: фоторезистор в делителе напряжения будет сам замечать, когда в комнате темнеет, а порог с гистерезисом превратит пару if в ночник, который включается и гаснет без вашего участия. Лог с замеренными порогами сохраните: через месяц, когда показания «уедут» из-за пыли на датчике, вы будете благодарны себе за записанные числа. Пока же прогоните диммер по списку экспериментов: инверсия, дежурный свет и замер мёртвой зоны — три приёма, которые потом вспомните в половине проектов с ручками. И покажите диммер домашним: спросят «а можно туда кнопку всё-таки?» — но это уже история про пресеты яркости, и она ждёт вас в следующих уроках.