Реле и Arduino: управляем мощной нагрузкой

Фонарь у моего крыльца включался тумблером в прихожей: щёлкнуть, выйти, зажечь, вернуться в тепло. Каждую зиму я обещал себе автомат — темнеет, значит горит; рассветает, значит гаснет. Голова для автомата уже была готова: ночник на фоторезисторе из урока про ночной светильник включал светодиод, когда освещённость падала ниже порога. Не хватало рук: пяти-вольтовый пин ATmega отдаёт двадцать миллиампер, а лампа накаливания в шестьдесят ватт при 220 вольтах тянет 270 миллиампер, катушка даже маленького реле — 70–90. Пин слабее катушки вчетверо и слабее лампы в тринадцать: прямое подключение не «не рекомендуется», а физически невозможно, и попытка кончается мёртвым портом. Между пином и нагрузкой нужен усилитель, и самый доходчивый усилитель для первого знакомства с сетью — электромагнитное реле на готовом модуле.

Реле — выключатель, который щёлкает электромагнитом. На катушку подают ток — сердечник тянет якорь, контакт перекидывается с одной клеммы на другую; ток исчезает — пружина возвращает якорь обратно. Клеммников три, и их расшифровка экономит вечер с мультиметром: COM — общий провод нагрузки, NO (normally open) — нормально разомкнутый контакт, NC (normally closed) — нормально замкнутый. Без напряжения на катушке лампа, заведённая на NC, горит; заведённая на NO — молчит и зажигается только со сработавшей катушкой. Фонарь я веду на NO: в «нормальном» состоянии, когда Arduino спит или отключён, света нет. Цифра, которую полезно помнить: механический ресурс контактов — порядка ста тысяч переключений. Раз в сутки — это двести семьдесят лет; раз в минуту — семьдесят дней. Отсюда правило: реле щёлкают редко, а «помигать» яркостью им не дают вообще — реле на ШИМ 490 герц из урока про яркость умирает за считаные минуты: якорь не успевает сесть, катушка живёт на пусковом токе.

Транзисторный ключ для реле можно собрать и вручную — резистор к базе, диод против выброса катушки, — но готовый модуль за те же деньги уже содержит всё: транзистор, разгружающий пин, защитный диод и оптопару PC817, отделяющую логику от силовой части. Схема модуля — маленький кроссворд из четырёх элементов, такие схемы мы учились читать в уроке про чтение схем. Подключение выглядит примитивно: VCC — пять вольт, GND — земля, IN — сигнальный пин. Паспорт такого модуля обещает десять ампер на 250 вольт: шестидесятиваттная лампа и близко не подходит к потолку, а вот чайник на два киловатта вешать не стоит — контакты варятся, и для мощностей больше лампы реле ставят на катушку пускателя.

На инверсии меня поймало само наречие «включить»: я подал на IN HIGH — как учил первый урок со светодиодом, — и реле щёлкнуло выключением. Большинство модулей LOW-активные: катушка срабатывает от нуля, потому что вход втягивает ток через светодиод оптопары, а не отдаёт его, — светодиод оптопары горит, когда пин прижат к земле. Это не брак, а схемотехника, и спорить с ней бессмысленно: логику инвертируют один раз, в константе. Вторая грабля материализовалась ночью: сетевой блок питания моргнул, Arduino перезагрузился, и модуль издал одиночный щелчок — я проснулся. При загрузке пины Uno висят в Hi-Z, вход модуля плавает в воздухе, оптопара приоткрыта, и катушка успевает притянуть якорь, пока скетч добирается до pinMode. Лечение — порядок строк в setup(): сначала pinMode(RELE, OUTPUT), следом digitalWrite(RELE, неактивный уровень), и только потом всё остальное; между этими строками микросекунды, щелчка не будет. И примечание про зоопарк модулей: попадаются и HIGH-активные экземпляры — у моего второго, от другого поставщика, всё было наоборот; константы в таком случае просто меняются местами, скетч не меняется вовсе.

В этом скетче две беды, и обе — про знание, размазанное не там. Инверсия живёт в голове автора, а не в скетче: через месяц я, сам же, «чинил» парктроник с этим модулем и снова писал digitalWrite(RELE, HIGH) со словом «включить». Рабочая версия выносит знание в константы UROVEN_VKL и UROVEN_VYKL — единственное место, где LOW-активность моей железки существует: они прямой родственник kodKomandy() из командного парсера, где сравнение строк собрано в одном месте. А чтение команд из порта — та же механика readStringUntil: строка, trim, сравнение. Прижимка неактивного уровня в setup() первой парой строк закрывает ночной щелчок.

И то, о чём я скажу серьёзно, без юмора. На клеммниках COM/NO/NC живёт сетевое напряжение 220 вольт, и это единственная часть наших уроков, где ошибка стоит здоровья, а не вечера. Монтаж — только при выключенном автомате, проверенном индикаторной отвёрткой. Провода в клеммах — с усилием, без оголённых миллиметров за клеммой. Клеммник — под штатным колпачком модуля или в закрытом корпусе. Оптопара на модуле развязывает управление от катушки, но не отменяет ни колпачок, ни правила: контактная группа остаётся сетевой стороной. Логику фонаря я отрабатываю на двенадцативольтовой ленте через те же клеммы — скетч не меняется ни на символ, а цена ошибки падает с ожога до предохранителя.

Симулятор выше — та же логика, что у фонаря на крыльце, только команды приходят из монитора вместо фоторезистора. На каждом реле-модуле я прогоняю три опыта до монтажа в корпус. Первый: отправьте on с лишним пробелом в конце — trim() срежет хвост, команда сработает; затем уберите trim() из скетча и отправьте её снова — сравнение с on провалится молча, лампа не дрогнет, и журнал не объяснит почему. Второй: уберите digitalWrite(RELE, LOW) из setup() и перезапустите скетч — на LOW-активном модуле лампа успеет загореться до первой команды: тот самый ночной щелчок, теперь у вас на глазах, а не в моём рассказе. Третий: верните прижимку и поменяйте UROVEN_VKL и UROVEN_VYKL местами — логика перевернётся, тёмное станет гасить фонарь; цена LOW-активности — одна строка против правки каждого digitalWrite по скетчу.

Про гистерезис из полной версии — отдельно, это самый недооценённый приём у новичков. Порог включения 300, выключения 350: зазор в пятьдесят единиц — примерно десятая часть шкалы фоторезистора, и именно столько ходит освещённость вокруг заката, гуляя от облаков. Без зазора реле в сумерках щёлкает каждые пару минут: освещённость пересекает порог туда-сюда, и сто тысяч циклов механического ресурса выгорают за пару осенних недель. Тот же приём — два порога вместо одного — держите в голове для любого порогового переключателя: термостат, поплавок в бочке, датчик влажности почвы.