Библиотека Stepper: первый поворот вала

Скетч для первого поворота я не писал — честно взял пример из IDE: File, Examples, Stepper, stepper_oneRevolution, поменял пины под свою распайку и залил (как заливают скетч). Мотор совершил какое-то мелкое движение и замер. Я ждал оборот, а вал проехал градусов тридцать пять и остановился. Хорошая новость: железо было исправно. Плохая: пример писали под моторы с двумястами шагами на оборот, а у моей 28BYJ-48 их две тысячи сорок восемь.

Библиотека Stepper не знает и не может знать, какой мотор к ней подключён. Единственный источник правды — число, которое вы кладёте в конструктор. Скажете 200 — каждый ваш «оборот» окажется 35,2 градуса вала; скажете 2048 — получите честные 360. Никакой магии, чистая пропорция, но именно на ней спотыкается каждый второй первый скетч: примеры в интернете писались под крупные моторы, а наборы в коробках лежат почти всегда с 28BYJ-48.

В этом уроке разберём три вызова, из которых состоит любой скетч со Stepper: конструктор, setSpeed и step. Посмотрим, что принимает каждый аргумент, где в примерах из интернета спрятаны ловушки, и запустим мотор в симуляторе с циферблатом — там каждый шаг виден глазами, а Serial покажет, сколько времени программа провела взаперти.

Конструктор выглядит так: Stepper имя(шагов на оборот, пин, пин, пин, пин). Первый аргумент — те самые 2048 для 28BYJ-48; дальше четыре пина, к которым через ULN2003 идут сигнальные линии IN1-IN4. Порядок не по возрастанию — 8, 10, 9, 11: библиотека гонит фазы в своей внутренней последовательности, и пины должны ей соответствовать. Откуда взялся этот рецепт и почему перепутанные линии дают гул вместо вращения — разобрано в уроке про подключение 28BYJ-48 и ULN2003.

Существует и двухаргументный вариант конструктора — для биполярных моторов с драйвером-мостом: сначала два пина, потом число шагов. Я столкнулся с ним, когда заказал NEMA 17, и первое время путал варианты местами. Правило простое: смотрите на число аргументов в чужом скетче, прежде чем переносить строку к себе — четырёхпиновая запись и двухпиновая не взаимозаменяемы.

Второй обязательный вызов — setSpeed. Документация библиотеки прямо просит вызывать его до первого step: из оборотов в минуту считается задержка между переключениями фаз. Я однажды выкинул setSpeed при чистке скетча от лишнего — и мотор превратился в зуммер: фазы мелькали без паузы, ротор стоял. Задержка внутри библиотеки считалась от нуля, и двигателю попросту не хватало времени наехать на следующий шаг.

Теперь о главном свойстве step — блокировке. Внутри функции цикл: включить нужные фазы, выждать рассчитанные миллисекунды, перейти к следующему такту — и так до последнего шага. Пока цикл крутится, loop() стоит: Serial молчит, кнопки не опрашиваются, таймеры не проверяются. При 2048 шагах на оборот и 5 RPM один шаг занимает 5,9 миллисекунды, оборот — ровно 12 секунд; при 15 RPM — 1,95 мс на шаг и 4 секунды на оборот. Всё это время программа заперта внутри одного вызова. Арифметика тут прозрачная: 60 секунд делим на обороты в минуту и на число шагов — и получаем паузу между тактами; библиотека делает ровно это в setSpeed.

Отсюда два рабочих правила. Первое: скорость выбирайте по задаче, а не по красоте цифры — про потолок 28BYJ-48 и срыв шагов у нас есть отдельный разговор, выше 15 RPM этот мотор начинает гудеть на месте. Второе: длинные перемещения дробите на порции, если в loop() живут кнопки или датчики, — приём с millis() разобран там же.

Дробных шагов у библиотеки нет: step(1024.5) она молча обрежет до 1024. Отрицательное число — вращение назад, step(0) — честный ноль работы. Всё остальное — арифметика, которую вы обязаны посчитать сами и передать готовым числом; именно на этом пересчёте спотыкаются чаще всего, и третьему уроку раздела он и посвящён.

В скетче три строки, на которые стоит смотреть отдельно. Строка с #include нужна только настоящей Arduino IDE: она подключает заголовок библиотеки, установленной через Library Manager — как ставить библиотеки мы проходили в самом начале. Если IDE пишет No such file or directory, значит, Stepper просто не установлена. В симуляторе заголовки не нужны, поэтому в его скетчах ниже вы их не увидите.

Пол-оборота — это 1024 шага. При setSpeed(5) библиотека отводит на шаг 5,86 мс, и step(1024) вернёт управление секунд через шесть: Serial напечатает разницу millis() около 6000 с небольшим хвостиком. Хвостик — это накладные расходы на печать и loop; на настоящей плате он вырастет до десятков миллисекунд, если Serial висит на 9600 бод, потому что каждый символ там стоит около миллисекунды эфира. Для сравнения времени с расчётом ставьте Serial.begin до первого step — иначе первые строки уйдут в никуда.

Третья строка — порядок пинов 8, 10, 9, 11. Перепутаете 9 и 10 — мотор не откажется работать, он будет дёргаться и гудеть: фазы пойдут вразнобой, и ротору некуда ехать. Диагностика одна и та же на все случаи: светодиоды на плате ULN2003 обязаны мигать по кругу. Наблюдаете круг — механика и порядок в норме, ищите причину дальше по цепочке. Порядок обхода можно и проверить программно: временно замените step() на четыре digitalWrite по кругу с паузой в полсекунды — если стрелка симулятора поползла, а светодиоды перекликаются по одному, порядок верный.

В симуляторе мотор уже сидит на пинах 8, 10, 9, 11 за ULN2003, а рядом с платой — циферблат: стрелка повторяет угол вала. Внутри step() блокирует loop() точно так же, как на настоящей плате, поэтому разница millis() в Serial — честная, её можно сравнивать с расчётом на бумажке. Смотреть на показания удобно в Serial-мониторе: строки идут парами, время шага напечатано числом. Единственное отличие от реального железа — симулятор не умеет срывать шаги: он честно досчитывает любые команды, поэтому диагностику скорости он не заменяет, а вот арифметику времени показывает безупречно.

Задача на прогон: убедиться, что четверть оборота (512 шагов) при 6 RPM занимает 2,5 секунды, и что всё это время программа не отвечает. Потом поднимите скорость и сравните числа — зависимость времени от RPM линейная, и вы это увидите в цифрах, а не в ощущениях.

Отдельно посмотрите на паузу между строками Serial: она равна времени внутри step(). Пока стрелка стоит, loop() мёртв — ни кнопка, ни датчик в этот момент не опросятся. Именно поэтому в уроке про позиционирование мы дробили длинные ходы на порции; сейчас же наша цель — прочувствовать цену одной целиковой команды. Скажем прямо: для заслонки этого достаточно, а для кнопочного интерфейса — уже нет.

Библиотека освоена: конструктор, скорость, шаги — мотор слушается арифметики. Следующий шаг — заглянуть под капот: что именно библиотека делает с обмотками в эти 5,9 миллисекунды, почему существуют полный и полушаговый режимы и как они меняют плавность и момент. Второй урок раздела вскрывает последовательность фаз — там будет скетч, который гонит обмотки вручную, без Stepper.h вовсе.