Отключение катушек: экономим питание в простое

Фидер для рыб на даче я собрал из самого лучшего: 28BYJ-48, плата ULN2003, четыре батарейки АА на 2000 миллиампер-часов и аккуратный скетч с автокормлением дважды в сутки. Расчёт был щедрым: ход — четыре секунды, кормлений — два, значит, мотор работает восемь секунд в сутки, и запас энергии — в сотни раз. Реальность: через сутки батарейки сели, и рыбы остались голодными. Я искал утечку по-настоящему: отключил мотор — схема продолжала есть, отключил плату ULN2003 от Arduino — почти так же. Мультиметр в разрыве питания между кормлениями объяснил всё мгновенно: схема стабильно ела 240 миллиампер.

Двести сорок миллиампер в простое — это ток удержания из прошлого урока: заслонка фидера между кормлениями держалась магнитным полем, и четыре АА ушли на то, чтобы мотор просто стоял. Порция корма заняла восемь секунд в сутки, а заряжала батарейки дежурка остальные двадцать три часа пятьдесят девять минут пятьдесят две секунды. Полезная работа — девять тысячных долей времени, и вся экономия прячется именно там. Чувствуете пропорцию? Батарейный проект гибнет не от работы, а от дежурства, и никакая оптимизация ходов тут не поможет — лечится только сам простой.

Лечение простое до безобразия: обесточить обмотки, когда движение закончено. Четыре digitalWrite с LOW — и ток падает почти до нуля, мотор остывает, батарейки живут неделями. Но у бесплатного есть цена, и в этом уроке мы заплатим её на бумаге заранее: потерянный момент удержания, вал, который можно провернуть рукой, и позиция, которая умеет уползать, пока вы спите. Плюс честный список случаев, когда обесточивать нельзя ни в каком виде. И поскольку это последний урок раздела, в финале — сборная проверка всего маршрута от первого подключения до батарейки.

Механика предельно проста. Сигнальные пины 8, 10, 9, 11 в LOW закрывают все четыре канала ULN2003 — катушки теряют минус, ток в обмотках падает до нуля, и от мотора остаётся только потребление самой платы. Важная деталь: LOW не стирает счётчик шагов из памяти — он продолжает жить в переменных, просто больше не гарантирован физикой вала. Команды дешевле некуда: четыре вызова digitalWrite занимают микро- и такты, а следа в памяти не оставляют вовсе. Дешевле выглядит только перекрыть питание перемычкой на плате — но это ручной режим, а нам нужен автоматический. Проверка глазами мгновенная: четыре светодиода на плате гаснут полностью, мультиметр в разрыве плюса подтверждает — вместо 240 миллиампер счётчик показывает единицы. Приём мы уже трогали в уроке про скорость и позиционирование как совет на полях — теперь сделаем его системой с ценой и ограничениями.

Что происходит с валом? В уроке про передаточное число мы считали редуктор 1:64 — так вот, именно он теперь единственный держатель позиции. Шестерни дают заметное трение: провернуть вал рукой можно, но туго, и лёгкая заслонка на горизонтальной оси останется на месте. Однако любого приличного груза этого трения уже не хватает: вертикальная задвижка сползёт, откинутый рычаг упадёт, а карусель с перекосом медленно докрутится до равновесия. Магнитный замок выключен — держит только механика, и доверять ей можно только после проверки своей нагрузки рукой.

Вторая цена — позиция. Скетч после обесточивания уверен, что вал там, где его оставили: счётчик шагов в памяти не знает о внешнем мире. Если нагрузка провернула вал на пол-оборота, все следующие команды поедут мимо, и скетч этого не заметит. Честное лечение — репер: концевик, геркон или оптопара в нулевой точке, у которых счёт обнуляется, — энкодер как репер мы уже подключали. Для счётчиков между включениями питания спасает EEPROM, но проворот вала она тоже не видит — репер честнее.

Три страховки перед включением приёма в свой скетч. Первая: заканчивайте движение целым числом шагов и не обесточивайте посреди хода — ротор должен стоять в сетке положений, тогда первый такт после пробуждения встанет ровно. Вторая: перед новым движением ничего включать не нужно — первый же такт step() сам зарядит нужные фазы, и ротор дотянется до ближайшего положения сам. Третья: если механизм живёт на склоне или несёт груз — перед обесточиванием подёргайте вал рукой с подключенной нагрузкой; трение редуктора на гладкой оси и трение под грузом — разные вещи, и вторая иногда подводит. Отдельно про длину паузы: если она длиннее пары минут, обесточивание выгодно почти всегда; если короче десяти секунд, экономия мизерная, а ротор при каждом пробуждении дёргается — иногда дешевле оставить ток.

Теперь измерение экономии. USB-тестер или мультиметр в разрыве плюса покажут разницу в момент coilsOff: 240 миллиампер до, единицы после. За час паузы это 240 миллиампер-часов, за сутки дежурства — почти шесть ампер-часов, три комплекта АА. Но будьте честны с собой: сама Arduino Uno в простое ест 45-50 миллиампер с логикой и светодиодами, так что после обесточивания схема не станет невидимой — она станет терпимой: 240 превращаются в 50, а это уже недели вместо ночи. Полный сон платы с разрывом питания — отдельная история с MOSFET-ключом и будильником; для начала снимите мотор — это восемьдесят процентов счёта и весь нагрев.

Разберём скетч по больным местам. coilsOff() вызывается сразу после step(): библиотека закончила такты, вал стоит — и мы немедленно снимаем ток, светодиоды на плате гаснут в тот же момент. Перед новым кормлением ничего включать не нужно: первый же такт step() сам зарядит нужные фазы. Скорость внутри feed() задаю перед каждым ходом — после пробуждения это стоит микросекунд, зато setSpeed не потеряется между правками скетча. Автокормление живёт на сравнении millis() с меткой прошлого хода — неблокирующий цикл здесь не роскошь: между кормлениями плата обязана опрашивать кнопку, а задержка delay(600000) в двадцати минутах могла бы это похоронить. И ещё деталь из моего фидера: порцию я считаю в шагах от репера-геркона, потому что после ночи простоя счётчик шагов не знает, что с валом делала упавшая на рычаг ветка.

В симуляторе мотор идеальный, нагрузки на валу нет, и проворачивать его некому — поэтому экономику и риски мы, как и в двух прошлых уроках, выносим в Serial. Кнопка на D2 — ручное кормление, тумблер на D3 — условный груз на валу. После каждого хода скетч решает: с грузом ток оставляем — Serial печатает про удержание и model_tok_ma=240, без груза обесточиваем и печатаем model_tok_ma=0. Циферблат показывает позицию, модель — цену каждого решения в миллиамперах. Сравните два прогона подряд, с тумблером и без: разница в строках model_tok_ma= и есть дневной бюджет в миллиампер-минутах. На настоящей плате вместо строк про груз вас ждёт трение редуктора и проворот — их симулятор не покажет, поэтому честные ограничения выше перечитайте ещё раз перед сборкой.

Что попробовать и чем всё кончается. Запустите и дождитесь автокормления: kormlenie=1 и model_tok_ma=0 при выключенном тумблере. Включите тумблер — следующее кормление напечатает строку про груз и оставит ток: скетч сам решает по состоянию механики, как должен вести себя настоящий инженер. На этом раздел замкнулся: вы умеете подключать 28BYJ-48 через ULN2003, читать фазы, считать редуктор, управлять библиотекой, находить скоростной потолок, отличать рабочий нагрев от беды и экономить питание в простое. Соберите это в один батарейный проект — фидер, шторку или вертушку — и прогоните по чек-листам трёх последних уроков: скорость с запасом, воздух вокруг корпуса, обесточенная пауза. После симулятора сделайте то же на настоящей плате и посчитайте, за сколько дней окупается переход от ночи к неделям — у меня это случилось уже в первые сутки. Такой механизм живёт неделями без присмотра, и это, по большому счёту, и есть цель всей арифметики, которую мы считали.