ШИМ: analogWrite, диммер и плавные переходы

Ночник у кровати должен светиться на треть яркости: будить нельзя, но и в темноте спотыкаться об кота не хочется. Я тогда ещё не знал про ШИМ и пошёл наивным путём — подбирать яркость резисторами. 220 Ом — ярко, 1 кОм — тускло, 470 Ом — почти то, 560 Ом — вот оно! Каждый уровень яркости стоил мне новой пересборки макетки, а для плавного перехода понадобился бы потенциометр прямо в силовой цепи. Вечер ушёл на то, что потом заняло одну строку: analogWrite(9, 80).

Проблема в архитектуре: digitalWrite умеет только два состояния — 5 В или 0 В. Промежуточного напряжения на цифровом пине не существует, пин — это транзисторный ключ, а не кран с водой. Но регулировать яркость и скорость всё-таки можно, и делает это ШИМ — широтно-импульсная модуляция.

В этом уроке разберём, как analogWrite выдаёт «половину вольта», не выдавая половины вольта; какие пины Uno для этого годятся (подсказка: на шелкографии они помечены тильдой); что такое duty cycle 0-255 и почему светодиод не мерцает, хотя его физически включают и выключают тысячи раз в секунду. Соберём и диммер на потенциометре — крутишь ручку, свет едет.

Почему нельзя «просто выдать 2,5 В»? Внутри каждого пина стоят два транзистора: верхний подключает ногу к 5 В, нижний — к земле, и работают они строго попеременно. Промежуточного положения у ключа нет — как нет «половины нажатой» кнопки. Линейный делитель из резисторов яркость светодиода меняет, но для мотора бесполезен, а каждый новый уровень яркости требует новой детали. Тупик, в котором я просидел тот вечер, — типичная цена попытки получить аналоговое поведение из цифровой ноги.

ШИМ выкручивается временем. Пин микросекундами щёлкает между 5 В и 0 В: держит 5 В половину периода — среднее значение получается 2,5 В. Держит 90% времени — среднее 4,5 В. Усредняет нагрузку сама физика: светодиод «размазывает» вспышки зрением, мотор — инерцией ротора, нагреватель — тепловой массой. Напряжение всё время скачет, но по действию результат неотличим от настоящего промежуточного.

Ключевой термин — duty cycle, коэффициент заполнения: доля времени, когда пин в HIGH. Arduino кодирует её числом от 0 до 255 — это 8-битное разрешение, 256 ступеней. analogWrite(9, 127) держит HIGH примерно половину времени, в среднем выходят 2,5 В. analogWrite(9, 0) прижимает пин к земле постоянно — честный LOW, analogWrite(9, 255) — честный HIGH. Слово «аналог» в названии функции лукавит: на выходе не аналоговое напряжение, а быстрый цифровой прямоугольник.

Потенциометр — ручка, которая делит 5 В на долю и отдаёт её на аналоговый вход. analogRead возвращает от 0 до 1023: это 10-битный АЦП, 1024 ступени. А analogWrite принимает 0-255 — 8 бит. Диапазоны разные, нужен пересчёт, и для него есть готовая функция map(значение, fromMin, fromMax, toMin, toMax). Строка map(analogRead(A0), 0, 1023, 0, 255) превращает поворот ручки в duty cycle.

Два нюанса, на которых обжигаются почти все. Первый: map не проверяет границы — если АЦП выдаст шум за пределами диапазона, duty уедет за 255, поэтому после map я почти всегда ставлю constrain(duty, 0, 255). Второй: глаз нелинеен. duty 128 выглядит не «в полнакала», а почти как полный свет, потому что восприятие яркости логарифмическое. Лечится квадратом значения: duty = duty * duty / 255 растягивает тёмную зону хода ручки. Для своего ночника я просто ограничил максимум значением 180 — глаза довольны, и потребление падает примерно вдвое по сравнению с полным накалом.

Схема диммера стандартная: средняя нога потенциометра идёт в A0, крайние — в 5V и GND, светодиод через резистор 220 Ом — в пин 9. Крутим ручку — яркость едет плавно, без щелчков и ступенек. В симуляторе ручка уже подключена к A0, светодиод — к пину 9.

Обязательно держите в голове пределы пина: одна ножка Uno отдаёт до 40 мА, а постоянная работа выше 20 мА не рекомендуется вообще. Маломощный светодиод в это вписывается легко, а вот коллекторный мотор даже крошечного вентилятора ест 100-500 мА — подключать его напрямую к пину значит сжечь порт. Правильная схема: ШИМ подаётся на затвор MOSFET-транзистора, а мотор питается от своего источника через этот ключ; параллельно мотору ставится обратный диод, гасящий всплески самоиндукции. analogWrite при этом остаётся той же самой — меняется только силовая часть после пина.

Второй частый кандидат на путаницу — сервоприводы. У серво своя разновидность ШИМ: не быстрый прямоугольник на 490 Гц с произвольным заполнением, а импульсы длительностью 1-2 мс, повторяющиеся 50 раз в секунду. analogWrite такой сигнал не выдаёт — для серво существует библиотека Servo, и она, между прочим, занимает Timer1, так что после Servo.attach() точность ШИМ на пинах 9 и 10 падает. Устройство таймеров из следующего урока поможет понять, почему эти конфликты вообще возникают.

И последнее наблюдение из практики: для лент и мощных светодиодов логика та же, что для мотора — пин задаёт заполнение, а ток гоняет транзистор. Я один раз повесил метровый отрезок ленты на пин напрямую через старый транзистор без резистора затвора — и неделю не мог понять, почему яркость дёргается при каждом прикосновении к макетке: помехи через ёмкость тела заходили в незащищённый затвор. Резистор 220 Ом в разрыв затвора стоил копейки и закрыл вопрос навсегда.

Теперь у вас есть и приём, и понимание, что «аналоговый» выход Arduino — договорённость: чип честно переключает 0 и 5 В, а плавность рождают частоты 490-980 Гц, незаметные глазу. Тем же механизмом управляются сервоприводы, яркость светодиодных лент и скорость моторов — так что этот урок будет вспоминаться часто.

В следующем уроке поднимемся на самый верх надёжности: посмотрим, почему прошивки зависают даже без ошибок в логике, познакомимся со сторожевым таймером, который перезагружает зависший чип за восемь секунд максимум, и посчитаем, во сколько микроампер обойдётся сон на батарейках. После него ваши устройства перестанут требовать поездок с кнопкой Reset.