Бюджет тока проекта: считаем потребление заранее

Автономный ночник на балконе я питал от четырёх батареек АА — «там же один светодиод и датчик». Через сутки отсвет погас: батарейки формально живы, но плата во сне продолжала есть ток, датчик не засыпал никогда. Я купил батарейки покрупнее, так ничего и не посчитав, — и через двое суток история повторилась в точности. Дважды наступить на одни грабли — уже система, и система была глупая: я так и не сел с листом бумаги складывать токи.

Второй звонок был громче. Цепочка из светодиодной ленты и сервопривода на USB отвалилась с сообщением о перегрузке на первом же повороте серво — порт честно сложил пик с базой и отказался работать. Оба провала — одна и та же дыра: у проекта есть бюджет тока, и кончается он не «когда-нибудь», а в конкретный момент — на пике или за считанные часы.

Здесь разложим бюджет на части: четыре потолка источника, таблица типовых потребителей с цифрами, математика пик против среднего и запас. Метод простой, как список покупок, и экономит батарейки, порты и нервы. Формулы возьмём из урока про закон Ома — понадобятся они ровно один раз.

У каждого источника свой потолок, и их полезно держать в голове списком. USB-порт — около 500 мА, и на Uno этот же лимит дублирует полифьюз у разъёма. Питание 7–12 вольт в круглое гнездо проходит через стабилизатор: в тепличных условиях он тянет порядка ампера, но жара и соседние горячие детали режут потолок в разы, поэтому здесь запас нужен двойной. Выход 3.3 вольта — скромные около 50 мА: датчику хватит, ленте нет. И отдельный потолок у каждого пина: 20 мА рабочие, 40 мА — абсолютный предел, не больше 200 мА суммарно на весь чип.

Потолки не складываются: подключив ленту к 5V-пину, ты ешь из того же бюджета, что и порты. Общее правило: сумма всех потребителей не превышает самого слабого потолка на пути тока. И первое вычитание — сама плата: Uno или Nano едят 45–50 мА ещё до всякой периферии. Это первый покупатель в списке, и он платит всегда, даже когда скетч пустой.

Две математики, и их нельзя путать. Для источника счёт ведётся по пикам: если серва в затыке берёт полампера, источник обязан их пережить, даже если это случается на секунду в минуту. Для батареи счёт по среднему: серва поворачивается дважды в час, и её пик на суточный расход почти не влияет. Ошибка «считаем всё по пику» переплачивает за источник, ошибка «всё по среднему» гасит порт в первый же поворот. Мой маркер: всё, что связано с защитой и отключением, — по пику; всё, что связано с ёмкостью и часами работы, — по среднему.

Батарейная математика такая: ёмкость в миллиампер-часах делим на средний ток — получаем часы. Четыре АА по 2500 мАч и проект со средним током 50 мА обещают пятьдесят часов. В бумаге. На деле бери 60–70 процентов от этой цифры: ёмкость на упаковке меряют лёгким током, преобразователь теряет на себе, холод на балконе режет остаточную ёмкость в разы. Честная оценка — 30–35 часов, и планировать надо её, а не красивую.

Ночник из начала урока теперь считается за минуту: плата 50, светодиод 15, датчик DHT11 2 — итого 67 мА средним, пиков нет. Делим 2500 на 67 — получаем 37 бумажных часов, а с поправкой на холод и преобразователь — 25. Вот эти 25 часов и были правдой, которую я отказывался считать дважды.

Список не обязан быть точным до миллиампера. Даташит дал вилку — бери верхнюю границу, если потребитель работает постоянно, и нижнюю, если он включается редко: дальномер, который меряет раз в секунду, девяносто процентов времени живёт в покое. Такой расчёт держит ошибку внутри запаса, а запас как раз для того и существует.

Метод — четыре шага. Первый: выписать всех потребителей, включая плату и подсветку экрана, — их забывают чаще всего, а они не мелочь. Второй: для каждого указать режим — покой, работа, пик. Третий: сложить худшие одновременные режимы для источника и средние — для батареи. Четвёртый: наложить запас в 30 процентов на холод, старение и обещания даташитов. Пример поливалки: плата 50, дальномер 10 средним, реле 80, датчик влажности 2 — итого 142 мА, с запасом около 185. USB такое прощает; батарейный отсек — примерно сутки с хвостом.

Скетч-таблица ниже — тот же лист, только не теряется: суммы пересчитываются сами, и её удобно править по ходу проекта.

Если сумма пробила потолок, варианты известны и скучны. Прожорливую нагрузку — серво, ленту, мотор — вешают на отдельный источник с общей землёй, как мы делали с питанием сервы. Подсветку гасят, когда она не нужна. Плату укладывают спать между замерами — режимы сна и watchdog разобраны в уроке про энергосбережение. Лента из десяти WS2812 в белый — это 600 мА: ей нужен собственный провод, а не 5V-пин платы, о чём шла речь в уроке про питание ленты.

Правда измеряется мультиметром в разрыв плюса: даташиты врут в обе стороны, а прошивка может держать датчик включённым дольше, чем ты думаешь. Пять минут с амперметром против листа обещаний — правда всегда на стороне амперметра, и после первого же замера таблица обычно правится.

Ползунок бюджета — это выбор источника: на левом краю почти батарейный отсек, на правом почти стабилизатор, а USB живёт около отметки 500. Заведи сначала 150 и 80 — запас большой, реле молчит. Добавь 650 — пик серво пробивает даже щедрый потолок, и калькулятор отрубает нагрузку ровно так, как отрубил бы порт. Это и есть бюджет в движении: не абстрактная сумма, а решение, которое принимает железо за тебя.