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TECH INFOArduino入门指南

Arduino和布尔运算:条件为真时永远大于零!

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

how to use boolean variables with Arduino

borkus- stock.adobe.com

目录
1 布尔逻辑运算
1.1 晶体管逻辑电路与二进制
2 示例
2.1 逻辑运算符
2.2 双继电器状态机

1 Arduino布尔逻辑运算

二进制和布尔运算有时候看起来就像是流行语一样,尤其是“二进制”,但这只是因为人们一旦了解了之后就会马上喜欢上这种思维模式。提示:它们就是法拉利的酷极客。

在这些事物的核心模块中,二进制属于机器的部分,如果您想要控制机器,尤其是微控制器,那么您必须时常对二进制进行深入研究。尤其是Arduino Uno(atmega328p),它只有2KB SRAM。这是一个精益系统,如果您想要它运行更大的项目,那就要很聪明地使用二进制才行。如果要将大型阵列存储在PROGMEM和EEPROM(闪存)中,您必须使用这个方法。

1.1 晶体管逻辑电路和二进制

“为什么不直接使用十进制系统?”这一问题非常重要,必须首先解答。一旦您理解了二进制系统的设计初衷,您就会更加喜欢布尔逻辑运算的。

设想有一个晶体管,它在任何给定时间都可能处于“ON”或“OFF”状态。该晶体管可以描述两个值(2**1)。但是,如果您想要计数更大的值该怎么办?添加另一个晶体管,您可以数到4(2**2),三个(2**3)可以让您数到8,以此类推。为了增加您的学习乐趣,可以打开一个python脚本,然后将以下内容复制粘贴到您的脚本中来查看8位/1字节的可能状态:


for i in range( 1, 8+1 ):
    print("Possible states for %i bits => %i (%s)" % ( i, 2**i, bin((2**i-1))))

 

输出如下:


Possible states for 1 bits => 2 (0b1)
Possible states for 2 bits => 4 (0b11)
Possible states for 3 bits => 8 (0b111)
Possible states for 4 bits => 16 (0b1111)
Possible states for 5 bits => 32 (0b11111)
Possible states for 6 bits => 64 (0b111111)
Possible states for 7 bits => 128 (0b1111111)
Possible states for 8 bits => 256 (0b11111111)

 

以及最高16位/2字节:


for i in range( 9, 16+1 ):
    print( "Possible states for %i bits => %i (%s)" % ( i, 2**i, bin((2**i-1))))

 

输出如下:


Possible states for 9 bits => 512 (0b111111111)
Possible states for 10 bits => 1024 (0b1111111111)
Possible states for 11 bits => 2048 (0b11111111111)
Possible states for 12 bits => 4096 (0b111111111111)
Possible states for 13 bits => 8192 (0b1111111111111)
Possible states for 14 bits => 16384 (0b11111111111111)
Possible states for 15 bits => 32768 (0b111111111111111)
Possible states for 16 bits => 65536 (0b1111111111111111)

 

在十进制系统中,仅仅使用16个手指和脚趾不可能数出65,535只宝可梦(包括起始值0)。但是使用二进制就可以!

如果看起来有点晦涩难懂的话,不要气馁。把每个二进制数字想像成一个晶体管:1是“ON”,0是“OFF”。使用十进制系统来描述数字255需要256只晶体管(包括0),而使用二进制系统,我们可以只用8只晶体管来描述256种状态。它是“0b11111111”,8位为一个字节。它在早期的计算机实验室种节省了大量空间,因为那个时候晶体管既不小也不高效(您见过真空管吗?)。

这就是我们在平板电脑和手机上玩Pokémon Go的时候计算所捕获宝可梦数量的方式。除了内存限制,它的计数大小是没有上限的。

使用Arduino时,我们使用“字节”型数据类型(实际上是uint_8t)来告诉编译器我们想要一个0-255范围内的值。然而,布尔型变量要简单得多!布尔型变量可以仅用一个晶体管来表示,真(true)为“ON”,假(false)为“OFF”。您可以使用一个很小的状态机来确定您的电机是否在运行,并在setup()函数之前对其进行全局声明。


bool is_motor_running = false ; // or 0

 

当电机启动时,您需要对其进行更新,使用以下代码:


// flip it, else use true/1
bool is_motor_running = ! is_motor_running ; 

 

您可以使用它来控制系统的行为,例如,保证您的Arduino在电机运行时不进行任何操作。


while ( 1 ) {
    if ( is_motor_running ) { // It does indeed run!
        // If something-something, check stuff.
        // Is motor still running?
        if( ! is_motor_running ) break ;
        delay( 100 ) ;
    } 
    // It's not running, do something!
    else if ( ! is_motor_running ) { 
        Serial.println( 
        F( "*Mumble*mumble* Motor inactive..." ) ) ;
	  // Do something, anything
    }
}

 

您可能已经注意到了符号“!”,这是逻辑非运算符,在人类语言中的意思是“不是”。Arduino C++中可用的关系运算符是“!=”、“>=”、“<=”、“>”,但今天讲述的是布尔逻辑运算。这与变量之间的关系无关(例如确定一个值是否大于另一个值),因为逻辑运算符“!”—逻辑非,“&&”—逻辑与,和“||”—逻辑或已经足以创建出令人生畏的复杂表达式了。虽然有时候我们称之为二进制运算符,但是不要偏离了方向。

如果到目前为止您都能理解了,可以查看更高级的逻辑运算。

2 示例

2.1 逻辑运算符

按照上面的二进制位,我们在实例中使用逻辑运算符。我们使用了Arduino IDE,请参阅此文的简介。

现在,让我们用二进制的方式读到“1”!


byte Sum = 0
bool Transistor1 = true ;
if ( Transistor1 ) Sum = 1
else if ( ! Transistor1 ) Sum = 0

 

这看似简单,但是功能非常强大。让我们做一个更长的复合表达!

[ begin Boolean_logical_operators.ino ]


/* 
  Try changing the values of t1, t2, t3, t4 to various combinations 
  of true/false. 
  16 possible states (4**2), decimal 0 to 15, binary 0b0000 to 0b1111.
*/
// 0b1010
bool t1 = true ; // Transistor 1: it's on!
bool t2 = false ; // Transistor 2: it's off!
bool t3 = true ; // Transistor 3: it's on!
bool t4 = false ; // Transistor 4: it's off!
bool did_serial_entry = false ; // Did user input data?
const byte targetSum = 0b0111 ; // 7

void setup( void ) {
  Serial.begin( 9600 ) ; 
  Serial.setTimeout( 2500 ) ; // Timeout in milliseconds
}

void loop( void ) {
  byte Sum = 0 ;
  /* 
   Try changing the values of t1, t2, t3, t4 to various combinations 
   of true/false. 
   16 possible states (4**2), decimal 0 to 15, binary 0b0000 to 
   0b1111.
  */ 
  Serial.println( 
    F( 
      "[!] Enter binary in range '0 0 0 0' to '1 1 1 1' and hit ENTER" 
    ) ) ;
  // Input over Serial Monitor? Press CTRL+SHIFT+M to open it.
  // Note that Serial.available() is 'true' if any serial input 
  // is in buffer... Is '&gt; 0' really necessary here? 
  if( Serial.available() &gt; 0 ) { 
    t1 = Serial.parseInt() ;
    t2 = Serial.parseInt() ;
    t3 = Serial.parseInt() ;
    t4 = Serial.parseInt() ; 
    // Flush serial buffer
    while( Serial.available() ) Serial.read() ; 
    Serial.print( "[!] Got \"" ) ;
    Serial.print( t1 ) ; Serial.print( " " ) ; 
    Serial.print( t2 ) ; Serial.print( " " ) ;
    Serial.print( t3 ) ; Serial.print( " " ) ; 
    Serial.print( t4 ) ; Serial.println("\"") ;
    // Keep state, only print MINIGAME if true
    did_serial_entry = true ; 
  } 
  else did_serial_entry = false ;

  // 0b0000
  if ( ! t1 &amp;&amp; ! t2 &amp;&amp; ! t3 &amp;&amp; ! t4 ) Sum = 0 ; 
  // 0b0001
  else if ( ! t1 &amp;&amp; ! t2 &amp;&amp; ! t3 &amp;&amp; t4 ) Sum = 1 ;
  // 0b0010
  else if ( ! t1 &amp;&amp; ! t2 &amp;&amp; t3 &amp;&amp; ! t4 ) Sum = 2 ;
  // 0b0011
  else if ( ! t1 &amp;&amp; ! t2 &amp;&amp; t3 &amp;&amp; t4 ) Sum = 3 ;
  // 0b0100
  else if ( ! t1 &amp;&amp; t2 &amp;&amp; ! t3 &amp;&amp; ! t4 ) Sum = 4 ;
  // 0b0101
  else if ( ! t1 &amp;&amp; t2 &amp;&amp; ! t3 &amp;&amp;  t4 ) Sum = 5 ;
  // 0b0110
  else if ( ! t1 &amp;&amp; t2 &amp;&amp; t3 &amp;&amp; ! t4 ) Sum = 6 ;
  // 0b0111
  else if ( ! t1 &amp;&amp; t2 &amp;&amp; t3 &amp;&amp; t4 ) Sum = 7 ;
  // 0b1000
  else if ( t1 &amp;&amp; ! t2 &amp;&amp; ! t3 &amp;&amp; ! t4 ) Sum = 8 ;
  // 0b1001
  else if ( t1 &amp;&amp; ! t2 &amp;&amp; ! t3 &amp;&amp; t4 ) Sum = 9 ;
  // 0b1010
  else if ( t1 &amp;&amp; ! t2 &amp;&amp; t3 &amp;&amp; ! t4 ) Sum = 10 ;
  // 0b1011
  else if ( t1 &amp;&amp; ! t2 &amp;&amp; t3 &amp;&amp; t4 ) Sum = 11 ;
  // 0b1100
  else if ( t1 &amp;&amp; t2 &amp;&amp; ! t3 &amp;&amp; ! t4 ) Sum = 12 ;
  // 0b1101
  else if ( t1 &amp;&amp; t2 &amp;&amp; ! t3 &amp;&amp; t4 ) Sum = 13 ;
  // 0b1110
  else if ( t1 &amp;&amp; t2 &amp;&amp; t3 &amp;&amp; ! t4 ) Sum = 14 ;
  // 0b1111
  else if ( t1 &amp;&amp; t2 &amp;&amp; t3 &amp;&amp; t4 ) Sum = 15 ; 
  
  Serial.print( "Sum (DEC) = " ) ;
  Serial.println( Sum, DEC ) ;
  Serial.print( "Sum (BIN) = " ) ;
  Serial.println( Sum, BIN ) ;

  // MINIGAME
  // Did user enter data?
  if( did_serial_entry ) { 
    if ( Sum &gt; targetSum || Sum &lt; targetSum ) // Or '!='
      Serial.println( F( 
        "[!] You swing and you miss! Try again!" ) 
        ) ;
    if ( Sum &lt; targetSum ) Serial.println( F( "[!] HINT! Go higher ..." ) ) ; else if ( Sum &gt; targetSum ) Serial.println( 
      F( "[!] HINT! Go lower ..." ) ) ;
    else if ( Sum == targetSum ) {
      Serial.println( F( "[!] You win!" ) ) ;
      for ( int it = 0 ; it &lt; 3 ; it ++ ) {
        for ( int it2 = 0 ; it2 &lt; 25 ; it2 ++ ) {
          Serial.print( ";) " ) ;
          delay( 25 ) ;
        } 
        Serial.println() ;
      }
      // *Celebratory pause*
      delay( 2500 ) ; 
    }
  }
  delay( 2500 ) ;
}

 

[ end Boolean_logical_operators.ino ]

按下CTRL+SHIFT+M弹出串行监视器,并输入一个4位值,以空格分隔,类似“1 0 1 0”这样的数据,然后按下“Send(发送)”。您将看到以下输出:

Serial monitor handles 4-bit input

如果幸运的话,您将看到以下内容:

Boolean 4-bit minigame WINNER!

该Arduino草图展示了布尔逻辑运算的多种用途。无论在哪个应用中需要使用“真”,或者是“假”,我们都可以使用布尔逻辑运算。

2.2 双继电器状态机

2.1中的示例只是一个用来演示逻辑运算符的小程序。本节所创建的是一个有用的状态追踪中继模块,您可以进行修改和添加。将代码复制到Arduino IDE一个新的草图中,然后使用CTRL+U上传。然后,使用CTRL+SHIFT+M(或在Linux/MacOS上 使用“python3 -m serial.tools.miniterm”,Windows上使用TeraTerm/Putty)查看串行监视器。如果输入“0”并发送,则可以查看当前继电器状态(为“ON”或“OFF”)。

如果您输入“1”,您将切换到继电器1,如果它是“OFF”为“ON”,如果是“ON”则为“OFF”。发送“2”则会对继电器2进行相同的操作。对于这两个继电器,状态保存在布尔型变量(“relay1State”和“relay2State”)中,并且对于每个继电器,LED会在其真正为“ON”时亮起。

除了Arduino之外,不需要任何其他东西来使用该程序。制作之前先玩一下吧!

'true' && 'false' can coexist

以下代码是专门按照适合于在Arduino IDE上使用布尔值的方式来编写的。

在硬件方面,我从不信任那些用于重载的蓝色5V继电器,但是已经确认了这些继电器在高达~200W的负载下性能良好。那么开始享受制作的乐趣吧!

 

2x 2N7000 N沟道MOSFET https://www.newark.com/on-semiconductor/2n7000/n-channel-mosfet-60v-200ma-to/dp/58K9650
2x ROHM SLR343BC4TT32 3mm 蓝色LED https://www.avnet.com/shop/us/products/rohm/slr343bc4tt32-3074457345627700657?CMP=EMA_ECIA_inventoryfeed_VSE?aka_re=1
2x BAT86 肖特基二极管 https://www.newark.com/search?st=bat86%20schottky%20diode
Arduino Uno 或 Arduino Nano https://store.arduino.cc/arduino-uno-rev3

https://store.arduino.cc/arduino-nano

2x 4.7 千欧 + 2x 470 欧姆电阻 https://www.newark.com/multicomp/cfr0w4je006kil/resistor-kit-carbon-film-axial/dp/24M1011
面包板 https://www.newark.com/twin-industries/tw-e41-1020/breadboard-solderless-830-tie/dp/56T0251
杜邦线 https://www.newark.com/adafruit/759/kit-contents/dp/88W2571
2x 5V 继电器 https://www.newark.com/omron-electronic-components/g5le-1a4-dc5/relay-spst-no-250vac-30vdc-10a/dp/83F5375

2.2.1 开始构建!

按下图所示将所有部件进行连接,首先是面包板,然后是原型板。我们就是这样做的。

prettyStateMachine

Halfway done, !prettyStateMachine

唯一需要注意的是正确使用BAT86肖特基二极管。您必须将阴极(BAT86上的黑环,通常在别的二极管上是白环)朝向继电器的正极端子(上图右侧),否则会出现问题(短路)。环标记了阴极(k),确保它与正极端子对齐!请看这张图,放大蓝色继电器的部分:

Cathode to positive relay terminal

这是组装好的图片。Arduino Nano原型板上的附加组件内容不在本文的范围内,而且这部分也很无趣。

!prettyStateMachine, is it true?

!prettyStateMachine, 这是“真”吗?

您可以查看以下代码:

[ begin prettyStateMachine.ino ]


/*
  Toggle relays on/off relative to their
  previous states. It's boolean!
*/
const byte relay1LED = 4 ; // D4
const byte relay1Pin = 6 ; // D6
const byte relay2LED = 8 ; // D8
const byte relay2Pin = 10 ; // D10
bool relay1State = false ; // or 0, 'OFF'
bool relay2State = false ; // or 0, 'OFF'
byte buffer = 0 ;

void setup( void ) {
  Serial.begin( 9600 ) ;
  Serial.setTimeout( 500 ) ; 
  pinMode( relay1LED, OUTPUT ) ;
  pinMode( relay1Pin, OUTPUT ) ;
  pinMode( relay2LED, OUTPUT ) ;
  pinMode( relay2Pin, OUTPUT ) ;
}

void loop( void ) {
  Serial.println( F(
    "[!] 0=show states\n[!] 1=flip relay 1\n[!] 2=flip relay 2"
    ) ) ;
  Serial.println( F( "[?] Input: " ) ) ;

  buffer = Serial.parseInt() ; // Returns 0 on timeout

  switch( buffer ) {
    case 0:
    Serial.print( F( "[!] Relay 1 =&gt; " ) ) ;
    if ( relay1State )
      Serial.println( "ON" ) ;
    else if ( ! relay1State ) // 'else' is enough
      Serial.println( "OFF" ) ;
    Serial.print( F( "[!] Relay 2 =&gt; " ) ) ;
    if ( relay2State )
      Serial.println( "ON" ) ;
    else if ( ! relay2State ) // 'else' is enough
      Serial.println( "OFF" ) ;
    break ;
  case 1:
    if( relay1State ) {
      digitalWrite( relay1Pin, LOW ) ;
      digitalWrite( relay1LED, LOW ) ;
      //relay1State = false ; // OK
      relay1State = ! relay1State ; // Better
    }
    else if ( ! relay1State ) { // 'else' is enough
      digitalWrite( relay1Pin, HIGH ) ;
      digitalWrite( relay1LED, HIGH ) ;
      //relay1State = true ; // OK
      relay1State = ! relay1State ; // Better
    }
    break ;
  case 2:
    if( relay2State ) {
      digitalWrite( relay2Pin, LOW ) ;
      digitalWrite( relay2LED, LOW ) ;
      //relay2State = false ; // OK
      relay2State = ! relay2State ; // Better
    }
    else if ( ! relay2State ) { // 'else' is enough
    digitalWrite( relay2Pin, HIGH ) ;
      digitalWrite( relay2LED, HIGH ) ;
      //relay2State = true ; // OK
      relay2State = ! relay2State ; // Better
    }
    break ;
  }
  delay( 2000 ) ;
}
&lt;/code

 

[ end prettyStateMachine.ino ]

现在我们就有了状态追踪功能了,例如,我们可以查看当前的继电器状态,并且可以随意对其进行反转。我们已经介绍了带有逻辑运算符的复合表达式,您可以将此代码用作未来项目的模板。

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Lasse Efrayim Jespersen
Lasse Efrayim Jespersen

Lasse出生在以色列,后来移居到较冷的纬度地区。出于个人兴趣,他逐渐了解到了Perl的直接、C/C++的高效以及MicroPython的优雅。他喜欢用ESP8266/ESP32/Raspberry Pi和Arduino来制作机器。

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