Ёмкостная кнопка без библиотеки: заряд и порог

Сенсорная панель на дверцу корпуса: под фольгой — площадка, касание — пальцем. Готовые библиотеки тянут свой тайминг и свои допущения, а хочется понимать, что там вообще происходит, и ужать код до пары десятков строк. Классика без библиотеки — измерение времени заряда: обкладку разряжают пином, отпускают, и она заряжается через большой резистор, пока Arduino циклом считает, сколько шагов digitalRead ушло до переключения входа. Палец рядом — ёмкость обкладки растёт, время заряда длиннее — разница в счёте и есть кнопка.

Физика тут школьная: RC-цепь, где C — обкладка-площадка в пару сантиметров (порядка 10-50 пФ), R — резистор 1-10 МОм. Заряд до порога логической единицы занимает время порядка RC: 4,7 МОм на 20 пФ — около 60-70 мкс, цикл с digitalRead на 16 МГц успевает насчитать сотню-другую шагов. Касание добавляет к обкладке ещё 10-30 пФ — счёт подрастает в полтора-два раза. А вот порог между «фон» и «касание» константой быть не может: он зависит от длины провода, влажности воздуха и того, что под площадкой.

План урока: код замера заряда и почему цикл с digitalRead честнее delay, автокалибровка по скользящему минимуму, чтобы дрейф влажности не выдавал фантомные касания, и честные границы техники — против экранированных библиотек она проигрывает по дальности, но для дверцы корпуса хватает с запасом. Микросекундная база для тех, кто захочет мерить точнее, — в уроке про точные замеры micros().

Последовательность из трёх шагов. Первый: пин OUTPUT LOW — разрядить обкладку в землю, дать 20-50 мкс на полный разряд. Второй: пин INPUT — обкладка отпущена; резистор 4,7 МОм от площадки к 5 В тянет её вверх, и напряжение на площадке ползёт к единице с постоянной времени RC. Третий: цикл while (digitalRead(PIN) == LOW) shag++; — счёт остановится, когда вход пересечёт порог единицы. Больше ёмкость — дольше заряд — больше счёт: вся арифметика кнопки живёт в одном целочисленном аккумуляторе, без float и без таймеров.

Цены и грабли цикла. Итерация с digitalRead на 16 МГц занимает порядка 0,4-0,5 мкс — счёт сотни-другие на сухой площадке, у меня на столе 120-180 при 4,7 МОм и площадке 20×20 мм. Вариант с delayMicroseconds(1) внутри цикла режет скорость вдвое, зато счёт переносимее между экземплярами чипа. Три места, где ломается замер: неполный разряд перед отпуском — остаточный заряд съедает полдиапазона; длинный провод к площадке добавляет паразитные пФ и поднимает фон; прерывания внутри цикла живут своей жизнью — счёт дрожит на единицы, лечится средним из трёх замеров, приём из урока про фильтр ADC.

Порог как константа — ловушка среды: сегодня сухо, счёт 120, порог 200 — работает; завтра дождь и фон уехал на 180 — кнопка «нажата» без всякого касания. Автокалибровка по скользящему минимуму решает это без библиотек: минимум бежит за фоном вниз мгновенно, вверх — медленно, по единице за цикл; порог = минимум + треть минимума. Касание поднимает счёт выше порога — вердикт; без касания минимум подтягивается к фону, и порог дышит вместе с влажностью. А вердикт держи устойчивым, как в уроке про антидребезг четырьмя способами: касание засчитывается после нескольких замеров подряд, не после первого прыжка.

Разбор по строкам. meritZaryad() начинается с разряда: OUTPUT LOW на 50 мкс — меньше не давай, неполный разряд режет диапазон. Потолок 30000 в цикле — страховка: при отломанном резисторе заряд мгновенный и счёт 0-1 (площадка мертва — проверь монтаж), а без потолка оборванная площадка держала бы цикл вечно. Резистор именно внешний, к 5 В: внутренняя подтяжка INPUT_PULLUP — это 20-50 кОм, она заряжает обкладку за пару микросекунд, счёт выходит в единицы, и порог между «фон» и «касание» не различить. Вердикт — после трёх замеров подряд выше порога: одиночный прыжок от наводки кнопку не включает.

Почему минимум, а не среднее: среднее ползёт за пальцем при долгом касании и проглатывает его; минимум при касании поднимается едва-едва, а дрейф догоняет асимметрией скорости — вниз мгновенно (фон провалился — порог провалился следом), вверх по единице за цикл, в касание ещё медленнее. Положи руку рядом с площадкой: фон уедет на десятки счётов, минимум догонит за сотни циклов, порог переведётся сам. Внутри скобок скользящего минимума и живёт вся разница между сенсором, который держит строй неделю, и сенсором, который к утру врёт.

Честные границы. Против библиотечных схем с экранированием (пара send/receive, как в CapacitiveSensor) самодельный замер проигрывает по дальности: та видит касание через 3-5 мм дерева и накладку, эта — прямой контакт или миллиметр пластика. Несколько площадок — та же логика на каждом пине, а опрашивать их удобнее пачкой регистров из урока про PINB и пачку входов. Неблокирующий цикл замеров веди по millis() из урока про millis() вместо delay() — замер раз в 30-50 мс и вердикт с гистерезисом. Для дверцы корпуса это пять минут пайки, ноль зависимостей и полностью прозрачная арифметика, которую ты сам и чинишь, когда что-то плывёт.