Плавный ход на millis(): шаг по градусу, пока loop() живёт

Таймлапс-платформа из старого проекта довела меня до этой темы. Серво ползла по градусу красиво, ровно — но кнопка «стоп» на столе отказывалась работать: жмёшь, а платформа невозмутимо доезжает до края. Три вечера я подозревал провод, потом кнопку, потом себя. Виноват оказался рецепт из урока про плавное движение и потенциометр: for с delay внутри держал loop() мёртвой хваткой, и до проверки кнопки дело просто не доходило.

Рецепт тот честно делает свою работу: цикл for гуляет по углам, delay(10) даёт механике доехать до каждого промежуточного градуса, движение получается плавным. Но за кадром арифметика: полный ход 0-180 — это 180 шагов по 10 мс, то есть 1,8 секунды, в которые плата занята только циклом. Кнопка, Serial, датчик — всё это время ждёт в очереди, которой не существует.

Здесь разберём вторую версию того же движения — шаг по градусу на millis(). Цикла for больше нет: есть условие «пора ли на шаг», и каждый проход loop() занимает микросекунды. Родственный приём с плавным догоном цели уже разобран в уроке про интерполяцию без блокировки; наша цель проще и приземлённее — понять сам скелет, чтобы потом вешать на него что угодно: скорость из ручки, режимы, Serial.

Оба скетча двигают вал одинаково: по одному градусу за такт. Разница в том, кто ведёт счёт времени. В for-версии часы заменяет delay(10): процессор стоит у таймера и смотрит на него. В millis-версии часы тикают сами собой, а скетч на каждом проходе задаёт один короткий вопрос: «прошло ли 10 мс с прошлого шага?». Нет — loop() проскакивает дальше за микросекунды и возвращается снова.

Сама проверка — три строки. unsigned long now = millis(); затем if (now - tStep >= STEP_MS), внутри которого шаг и tStep = now. Переменная tStep хранит момент прошлого шага, STEP_MS — паузу. Вычитание и сравнение в unsigned long не боятся переполнения millis() на 49,7 суток: разность остаётся верной даже через рубеж. Настоящая ловушка другая — объявить tStep как int: такой счётчик лопается уже через 32 секунды работы, и ход замирает посреди дня без единого сообщения.

Цена вопроса считается на пальцах. Один проход loop() с парой таких проверок — единицы микросекунд на 16 МГц; за те же 10 мс между шагами loop успевает пробежать сотни раз, и в каждый из этих проходов кнопка читается, светодиод мигает, Serial слушает. Вал разницы не видит: он едет теми же градусами с тем же темпом. Живёт всё вокруг — и это единственное, что мы меняли.

Привычка писать for приходит с первых уроков программирования, где цикл — единственный знакомый способ повторить действие. С millis взгляд переворачивается: цикл уже написан за вас — это loop(), который крутится вечно, а ваша задача не «прокрутить серво», а «не пропустить момент». Отсюда простое правило планирования: каждое периодическое дело получает свою переменную-метку и свой интервал, и скетч собирается из нескольких одинаковых блоков if, каждый из которых живёт по своим часам. Кнопка из скетча ниже — просто ещё один такой блок, только интервал у неё не период, а минимальная пауза между нажатиями.

Проговорим три места. Кнопка на D2 висит на INPUT_PULLUP: нажатие — LOW, механика фронта разобрана в уроке про кнопку и digitalRead. Чтобы одно нажатие с дребезгом не переворачивало режим десяток раз, я не ставлю delay(50) — это вернуло бы блокировку обратно. Вместо него повторное срабатывание разрешено не раньше чем через 250 мс: кнопка проверяется каждый проход loop, но флипает не чаще раза в четверть секунды.

Светодиод на D12 мигает собственным таймером на 400 мс, никак не связанным с серво. Это тест живости loop(): если где-то в коде затесался delay, огонёк начинает заикаться в такт задержке. На реальной плате такое мигание — бесплатный осциллограф для планировщика; годится оно и для диагностики чужих скетчей, где блокировку ищут глазами по коду, а тут видно сразу.

Ловушка при переносе старого скетча на скелет — забыть, где теперь «конец хода». В for-версии конец задан границей цикла: доехал до 180 — и всё, прокрутка закончилась. В millis-версии loop() не кончается никогда, поэтому упоры 0 и 180 превращаются в разворот — условие внутри шага. Кто-то поставит вместо разворота running = 0 и получит одноразовый ход; я ставлю разворот для таймлапса и стоп для шлагбаума — механика одна, разница в двух строках.

Кнопка из этого урока только замирает и пускает ход, но скелет тянет больше: в тот же loop влезает опрос датчика, Serial-команда, второй ход. Если сравнить с кнопочным уроком про шаги на угол — там кнопки двигают вал дискретными ступенями, — то здесь непрерывный ход и кнопка рулит не положением, а самим фактом движения. Оба подхода живут на одном скелете, меняется только смысл переменных.

Равномерность хода удобно проверить графиком плоттера: печатайте угол на каждом шаге — линия выйдет идеально прямой лесенкой. Ломаная с полками и прыжками означает, что какой-то сосед по loop() съедает время между шагами. Для систематического изложения всей техники таймеров есть отдельный урок про millis вместо delay; здесь же остаётся добавить, что серво — самый наглядный ученик этой школы: её ход либо плавный и-loop-живой, либо плавный и мёртвый.

Есть и цена, о которой честно стоит сказать: скелет длиннее for-версии втрое, и в нём легче промахнуться — перепутать метки, оставить int вместо unsigned long, забыть про упоры. За эти строки плата расплачивается свободой: тот же loop() принимает вторую серво, датчик и Serial без переписывания. Я переехал на скелет после третьего проекта с блокировкой и обратно не смотрел: рецепты на delay остаются для первого знакомства с серво, дальше — только таймеры.

На реальной плате добавляется одна проверка, которой нет в симуляторе: дрожь вала на ходу. Если серво проходит градусы с подрагиванием — пауза великовата и вал успевает остановиться на каждом шаге, либо питание проседает на стартах. Первое лечится укорочением STEP_MS до 5-8 мс, второе — схемой из урока про внешнее питание. У моих SG90 ход на 10 мс чистый, у одного залежавшегося экземпляра чистым оказался только 15.

И последнее наблюдение из практики: скелет не прощает лишних гостей. Как только в loop попадает тяжёлая работа — печать в Serial по строке на каждый шаг, длинная математика — интервалы начинают плавать, и ход визуально «пульсирует». Печать я оставляю для отладки, а в рабочей прошивке убираю: серво обновляется кадрами 50 Гц, о которых пойдёт речь в третьем уроке, и половина печатей всё равно пропадает между кадрами.