Arduino和布林運算：條件為真時永遠大於零！
borkus- stock.adobe.com
目錄
1布林邏輯運算
1.1電晶體邏輯電路與二進位
2 示例
2.1邏輯運算子
2.2雙繼電器狀態機
1 Arduino布林邏輯運算
二進位和布林運算有時候看起來就像是流行語一樣，尤其是“二進位”，但這只是因為人們一旦瞭解了之後就會馬上喜歡上這種思維模式。提示：它們就是法拉利的酷極客。
在這些事物的核心模組中，二進位屬於機器的部分，如果您想要控制機器，尤其是微控制器，那麼您必須時常對二進位進行深入研究。尤其是Arduino Uno（atmega328p），它只有2KB SRAM。這是一個精益系統，如果您想要它運行更大的項目，那就要很聰明地使用二進位才行。如果要將大型陣列存儲在PROGMEM和EEPROM（快閃記憶體）中，您必須使用這個方法。
1.1電晶體邏輯電路和二進位
“為什麼不直接使用十進位系統？”這一問題非常重要，必須首先解答。一旦您理解了二進位系統的設計初衷，您就會更加喜歡布林邏輯運算的。
設想有一個電晶體，它在任何給定時間都可能處於“ON”或“OFF”狀態。該電晶體可以描述兩個值（2**1）。但是，如果您想要計數更大的值該怎麼辦？添加另一個電晶體，您可以數到4（2**2），三個（2**3）可以讓您數到8，以此類推。為了增加您的學習樂趣，可以打開一個python腳本，然後將以下內容複製粘貼到您的腳本中來查看8位元/1位元組的可能狀態：
|
1 2 |
r i in range( 1, 8+1 ): print("Possible states for %i bits => %i (%s)" % ( i, 2**i, bin((2**i-1)))) |
輸出如下：
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
r i in range( 1, 8+1 ): 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位元/2位元組：
|
1 2 |
for i in range( 9, 16+1 ): print( "Possible states for %i bits => %i (%s)" % ( i, 2**i, bin((2**i-1)))) |
輸出如下：
|
1 2 3 4 5 6 7 8 |
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) |
在十進位系統中，僅僅使用16個手指和腳趾不可能數出65,535只寶可夢（包括起始值0）。但是使用二進位就可以！
如果看起來有點晦澀難懂的話，不要氣餒。把每個二進位數字字想像成一個電晶體：1是“ON”，0是“OFF”。使用十進位系統來描述數位255需要256只電晶體（包括0），而使用二進位系統，我們可以只用8只電晶體來描述256種狀態。它是“0b11111111”，8位元為一個位元組。它在早期的電腦實驗室種節省了大量空間，因為那個時候電晶體既不小也不高效（您見過真空管嗎？）。
這就是我們在平板電腦和手機上玩Pokémon Go的時候計算所捕獲寶可夢數量的方式。除了記憶體限制，它的計數大小是沒有上限的。
使用Arduino時，我們使用“位元組”型資料類型（實際上是uint_8t）來告訴編譯器我們想要一個0-255範圍內的值。然而，布林型變數要簡單得多！布林型變數可以僅用一個電晶體來表示，真（true）為“ON”，假（false）為“OFF”。您可以使用一個很小的狀態機來確定您的電機是否在運行，並在setup()函數之前對其進行全域聲明。
|
1 |
bool is_motor_running = false ; // or 0 |
當電機啟動時，您需要對其進行更新，使用以下代碼：
|
1 2 |
// flip it, else use true/1 bool is_motor_running = ! is_motor_running ; |
您可以使用它來控制系統的行為，例如，保證您的Arduino在電機運行時不進行任何操作。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 |
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 } } |
您可能已經注意到了符號“!”，這是邏輯非運算子，在人類語言中的意思是“不是”。Arduino C++中可用的關係運算子是“!=”、“>=”、“<=”、“>”，但今天講述的是布林邏輯運算。這與變數之間的關係無關（例如確定一個值是否大於另一個值），因為邏輯運算子“!”—邏輯非，“&&”—邏輯與，和“||”—邏輯或已經足以創建出令人生畏的複雜運算式了。雖然有時候我們稱之為二進位運算子，但是不要偏離了方向。
如果到目前為止您都能理解了，可以查看更高級的邏輯運算。
2示例
2.1邏輯運算子
按照上面的二進位位元，我們在實例中使用邏輯運算子。我們使用了Arduino IDE，請參閱此文的簡介。
現在，讓我們用二進位的方式讀到“1”！
|
1 2 3 4 |
byte Sum = 0 bool Transistor1 = true ; if ( Transistor1 ) Sum = 1 else if ( ! Transistor1 ) Sum = 0 |
這看似簡單，但是功能非常強大。讓我們做一個更長的複合表達！
[ begin Boolean_logical_operators.ino ]
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 |
/* 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 '> 0' really necessary here? if( Serial.available() > 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 && ! t2 && ! t3 && ! t4 ) Sum = 0 ; // 0b0001 else if ( ! t1 && ! t2 && ! t3 && t4 ) Sum = 1 ; // 0b0010 else if ( ! t1 && ! t2 && t3 && ! t4 ) Sum = 2 ; // 0b0011 else if ( ! t1 && ! t2 && t3 && t4 ) Sum = 3 ; // 0b0100 else if ( ! t1 && t2 && ! t3 && ! t4 ) Sum = 4 ; // 0b0101 else if ( ! t1 && t2 && ! t3 && t4 ) Sum = 5 ; // 0b0110 else if ( ! t1 && t2 && t3 && ! t4 ) Sum = 6 ; // 0b0111 else if ( ! t1 && t2 && t3 && t4 ) Sum = 7 ; // 0b1000 else if ( t1 && ! t2 && ! t3 && ! t4 ) Sum = 8 ; // 0b1001 else if ( t1 && ! t2 && ! t3 && t4 ) Sum = 9 ; // 0b1010 else if ( t1 && ! t2 && t3 && ! t4 ) Sum = 10 ; // 0b1011 else if ( t1 && ! t2 && t3 && t4 ) Sum = 11 ; // 0b1100 else if ( t1 && t2 && ! t3 && ! t4 ) Sum = 12 ; // 0b1101 else if ( t1 && t2 && ! t3 && t4 ) Sum = 13 ; // 0b1110 else if ( t1 && t2 && t3 && ! t4 ) Sum = 14 ; // 0b1111 else if ( t1 && t2 && t3 && 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 > targetSum || Sum < targetSum ) // Or '!=' Serial.println( F( "[!] You swing and you miss! Try again!" ) ) ; if ( Sum < targetSum ) Serial.println( F( "[!] HINT! Go higher ..." ) ) ; else if ( Sum > targetSum ) Serial.println( F( "[!] HINT! Go lower ..." ) ) ; else if ( Sum == targetSum ) { Serial.println( F( "[!] You win!" ) ) ; for ( int it = 0 ; it < 3 ; it ++ ) { for ( int it2 = 0 ; it2 < 25 ; it2 ++ ) { Serial.print( ";) " ) ; delay( 25 ) ; } Serial.println() ; } // *Celebratory pause* delay( 2500 ) ; } } delay( 2500 ) ; } |
[ end Boolean_logical_operators.ino ]
按下CTRL+SHIFT+M彈出串列監視器，並輸入一個4位值，以空格分隔，類似“1 0 1 0”這樣的資料，然後按下“Send（發送）”。您將看到以下輸出：
如果幸運的話，您將看到以下內容：
該Arduino草圖展示了布林邏輯運算的多種用途。無論在哪個應用中需要使用“真”，或者是“假”，我們都可以使用布林邏輯運算。
2.2雙繼電器狀態機
2.1中的示例只是一個用來演示邏輯運算子的小程式。本節所創建的是一個有用的狀態追蹤中繼模組，您可以進行修改和添加。將代碼複製到Arduino IDE一個新的草圖中，然後使用CTRL+U上傳。然後，使用CTRL+SHIFT+M（或在Linux/MacOS上 使用“python3 -m serial.tools.miniterm”，Windows上使用TeraTerm/Putty）查看串列監視器。如果輸入“0”並發送，則可以查看當前繼電器狀態（為“ON”或“OFF”）。
如果您輸入“1”，您將切換到繼電器1，如果它是“OFF”為“ON”，如果是“ON”則為“OFF”。發送“2”則會對繼電器2進行相同的操作。對於這兩個繼電器，狀態保存在布林型變數（“relay1State”和“relay2State”）中，並且對於每個繼電器，LED會在其真正為“ON”時亮起。
除了Arduino之外，不需要任何其他東西來使用該程式。製作之前先玩一下吧！
以下代碼是專門按照適合於在Arduino IDE上使用布林值的方式來編寫的。
在硬體方面，我從不信任那些用於重載的藍色5V繼電器，但是已經確認了這些繼電器在高達~200W的負載下性能良好。那麼開始享受製作的樂趣吧！
2.2.1 開始構建！
按下圖所示將所有部件進行連接，首先是麵包板，然後是原型板。我們就是這樣做的。
唯一需要注意的是正確使用BAT86肖特基二極體。您必須將陰極（BAT86上的黑環，通常在別的二極體上是白環）朝向繼電器的正極端子（上圖右側），否則會出現問題（短路）。環標記了陰極（k），確保它與正極端子對齊！請看這張圖，放大藍色繼電器的部分：
這是組裝好的圖片。Arduino Nano原型板上的附加元件內容不在本文的範圍內，而且這部分也很無趣。
!prettyStateMachine, 這是“真”嗎？
!prettyStateMachine, 這是“真”嗎？
您可以查看以下代碼：
[ begin prettyStateMachine.ino ]
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 |
/* 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 => " ) ) ; if ( relay1State ) Serial.println( "ON" ) ; else if ( ! relay1State ) // 'else' is enough Serial.println( "OFF" ) ; Serial.print( F( "[!] Relay 2 => " ) ) ; 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 ) ; } </code |
[ end prettyStateMachine.ino ]
現在我們就有了狀態追蹤功能了，例如，我們可以查看當前的繼電器狀態，並且可以隨意對其進行反轉。我們已經介紹了帶有邏輯運算子的複合運算式，您可以將此代碼用作未來專案的範本。
帶RTC的溫室水培控制器，帶DHT22的高度優化室內溫度控制器，以及無線感測器上的DS18B20陣列，甚至HVAC的智慧驅動：您可以用自己的技術實現想要的功能！
