Стрелка-уровнемер: серво показывает, сколько воды в баке

Дачный бак на двухметровой стойке умеет портить настроение одним вопросом: сколько в нём воды. Крышка открывается с табуреткой, фонарик в другую руку — и всё ради взгляда вниз. Монитор порта на кухне не живёт на улице, а числовой экран на баке читается с трёх шагов плохо. Панель с бумажной шкалой у входа в дом оказалась решением, которое пережило три сезона: серво-стрелка показывает уровень, как барометр показывает давление, — видно издалека и без интерпретаций.

Стрелочный прибор из урока про серво-вольтметр брал любой аналоговый сигнал с соседнего входа. Здесь источник дальше: дальномер HC-SR04 в крышке бака меряет расстояние до поверхности воды, и вся соль урока — в превращении сантиметров в проценты и в поведении стрелки на живой, дрожащей воде. Геометрия бака диктует и разметку шкалы, и пороги тревоги.

В симуляторе поверхность воды — тот же ползунок препятствия, что у шлагбаума: тянете от «пусто» до «полно», стрелка и огонёк отрабатывают. На живом баке после сборки остаётся две калибровки — порожняя и полная отметки по факту.

Датчик смотрит вниз с крышки. Порожний бак для моего восьмидесятилитрового — 110 сантиметров от датчика до дна, полный — около 10: зеркалу воды нужен зазор, во-первых, у самого модуля слепая зона от двух-трёх сантиметров, во-вторых, поверхность дрожит и при зазоре в пять сантиметров эхо уже ловит брызги. Уровень в процентах — одна строка: (110 − дистанция) / 100 × 100. Знаменатель — рабочий ход бака в сантиметрах, и он у каждого свой: именно эту пару констант вы калибруете по факту, а не берёте из статьи.

Вода — плохое зеркало для ультразвука. Рябь от ветра, капли с крышки, пена от струи при заполнении — показания гуляют на один-два сантиметра, это один-два процента шкалы, и стрелка, повторяющая каждую волну, выглядит больной. Два слоя защиты: медиана из трёх замеров глушит одиночные выбросы, а сглаживание хода не даёт стрелке выписывать рябь на бумаге. Медиану я выбрал против среднего из урока про усреднение восьми замеров сознательно: всплеск на один замер у среднего тянет результат, у медианы — нет.

Механика замера та же, что у любого дальномерного проекта: триг 10 мкс, pulseIn с таймаутом 30 мс, деление на 58 — пересчёт сантиметров разобран в уроке про HC-SR04. Таймаут 30 мс — это потолок в полметра: дальше воды в моих баках от мембраны не бывает, а если эхо ушло в стенку — честный минус единица лучше выдуманной дистанции.

Разметка шкалы — отдельное удовольствие. Угол 0–180 серво не нужен: края по 20 градусов оставляю как запас против упоров. Итого 20° — пусто, 160° — полно, и каждые 25 процентов уровня — по 35 градусов: 20, 55, 90, 125, 160. Но риски на бумаге я ставлю не арифметикой, а фактом: порожний бак — метка, полный — метка, потом две последовательные середины. Бак бывает конусным: литры и высота у него расходятся, и шкала в процентах высоты честнее шкалы в процентах объёма — об этом честная оговорка ниже.

В листинге два слоя движения. Цель cel пересчитывается из свежего уровня раз в секунду, а блок в хвосте loop() каждые 15 мс двигает угол на один градус к цели — скорость догона 66 градусов в секунду. Изменение уровня на четверть бака стрелка проезжает за секунду с хвостом, а волнение поверхности в сантиметр-два для неё не существует. Мгновенный write каждой медианы дал бы стрелку, живущую в такт ряби, — ровно то, за что я ругал однопороговый шлагбаум из первого урока. Приём догона цели без блокировки подробно разобран в уроке про интерполяцию без delay — здесь он подключён к дальномеру вместо потенциометра, и loop остаётся свободным в те же 95 процентов времени, о которых говорил планировщик на millis.

Медиана из трёх замеров с паузой 25 мс между ними занимает меньше сотни миллисекунд раз в секунду — loop при этом жив: замер один, печать одна, всё остальное время скетч свободен. Если захочется видеть обе кривые — сырую и медиану — на одном графике, графиком плоттера рисует их двумя рядами, и зазор между ними — цена фильтра вживую.

Теперь грязная часть проекта, о которой молчат картинки с глянцевыми баками. Капли на излучателе ломают показания наглухо: эхо отражается от воды на самой мембране, и датчик уверенно докладывает «полно» в порожнем баке — та же беда, что и у шлагбаумной капли, только внизу бака её ставит конденсат. Лечение: козырёк над мембраной внутри крышки, съёмный кронштейн для протирки при визитах и геометрия — датчик строго вертикально, иначе конус в пятнадцать градусов начнёт ловить стенку бака раньше воды.

И вторая честная оговорка — про конусные баки. map() линеен по высоте, но объём в конусе растёт кубически: половина высоты — далеко не половина литров. Моя шкала в процентах высоты — не обман, а договор: я измеряю то, что меряю, и подписываю риски словами «порожний», «половина по высоте», «полный». Для поливного графика этого достаточно; если нужны литры — калибровочная таблица из кувшина и пара вечеров с Excel.

Симуляторная вода — идеальное зеркало без ряби, и на первый взгляд медиана выглядит лишней. Потяните ползунок рывком: стрелка не прыгает к цели, а едет по градусу — на живом баке та же механика съедает и волнение, и одиночные выбросы эха. На реальном баке к этому добавляется то, чего в симе не видно: показания плывут, пока поверхность занята брызгами от струи, и медиана из трёх в эти минуты — единственное, что держит стрелку в здравом уме.

Пара слов про монтаж, который я переделывал один раз. Первая версия висела на кронштейне у стенки — конус ловил стену, и уровень «стоял» на одном значении в любых условиях. Перенос в центр крышки решил всё: в баке правильного цилиндра датчик должен смотреть в самую глубокую точку, а не мимо. Секунда на проверку: порожний бак должен показывать ровно константу DIST_PUSTO — если нет, датчик смотрит не туда.

Кабель от датчика на крышке до панели у двери — четыре провода и два метра: питание, грунт, триг и эхо. На такой длине триг уже ловит наводки от зарядки телефона в соседней розетке — если показания пойдут вразнос, скрутки замените пайкой, а провод эха подальше от силовой проводки. Питание панели у меня от того же блока 5 В, что и серво: стрелка едет редко, ток удержания SG90 в пару сотен миллиампер — урок про ток удержания считает подробнее — блок на ампера хватает с запасом.