Массивы в Arduino: паттерны мигания и журнал показаний

У моей ночной гирлянды было пять светодиодов и пять переменных: led1 на пине 2, led2 на пине 3 — и так до led5 на пине 6. Каждая жила своей жизнью: pinMode пятью строками, включение пятью digitalWrite, выключение ещё пятью. Работало. А потом на подоконнике освободилось место, и захотелось шестой, седьмой, восьмой — и я поймал себя на том, что не пишу скетч, а штампую копии одной и той же строки с отрастающей цифрой на конце.

Копипаста отомстила по классике: шестой светодиод молчал, потому что в одной из двадцати почти одинаковых строк была опечатка в один символ — и глаз её не различал, пока я не начал сверять строки по линейке. А когда разом захотелось сменить темп всей гирлянды, цифр оказалось столько, что правку я бросил на середине. Знакомо? Тогда у меня та же сделка, что была в уроке про мелодии: там массив нот заменил двадцать строк с tone(), здесь массив пинов заменит двадцать строк с digitalWrite().

План такой: сначала устройство массива — объявление, индексы с нуля и первая грабля с границей. Потом два практических паттерна. Первый — мигание по партитуре: массив хранит не пины, а сценарий, сколько миллисекунд светить и сколько темнить. Второй — журнал показаний: массив из восьми последних значений analogRead, из которого считаем среднее и делаем дрожащие цифры потенциометра спокойными. Понадобятся светодиоды с резисторами 220 Ом и потенциометр на A0 — вся начинка из урока про аналоговые входы.

Массив — полка с пронумерованными ячейками под одним именем. Строка int pins[] = {2, 3, 4, 5, 6}; заводит пять ячеек и раскладывает по ним номера пинов. Квадратные скобки после имени — запрос конкретной ячейки: pins[0] — это 2, pins[1] — это 3, pins[4] — это 6. Нумерация с нуля — вы её уже гоняли счётчиком в уроке про цикл for, здесь тот же счёт работает адресом ячейки. Отсюда следствие, которое стоит проговорить вслух: пятый светодиод — это pins[4]. А pins[5] не существует.

Что будет, если всё-таки написать pins[5]? Компилятор промолчит: в C++ выход за границу массива — не ошибка синтаксиса, а вопрос удачи. Программа полезет в чужую память за полкой — там может лежать ноль, мусор или данные соседней переменной. На настоящей плате это выглядит как случайные числа в Serial или вспышки светодиодов на пинах, которые вы не настраивали. Лечение одно: размер живёт в константе, и счётчик никогда не заходит дальше PIN_COUNT - 1.

Цену ячеек тоже полезно знать в цифрах. int на Uno весит два байта, и массив из ста int съест 200 байт из 2048 доступных — десятую часть всей RAM. Звучало как «всего сто чисел», а на деле половина памяти уходит после десятка таких массивов. Поэтому размер подбирают под задачу, а не про запас. И ещё запись, которую вы встретите в чужих скетчах: sizeof(pins). На настоящей плате sizeof возвращает не число элементов, а число байтов — для наших пяти int это 10, и элементный размер добывают делением sizeof(pins) / sizeof(int). В симуляторе sizeof упрощён и считает иначе, поэтому во всех скетчах урока размер держит константа PIN_COUNT — надёжно и на плате, и в браузере.

Бегущий огонёк по массиву пинов вы уже собирали: в уроке про светодиодную шкалу массив leds[] держал восемь сегментов, и огонь бегал по ним туда и обратно. Так что пины оставим в покое и вытащим из массива вторую силу: он умеет хранить не железо, а сценарий. Мелодия из прошлого урока была массивом частот — партитурой для уха. Массив длительностей — та же партитура, но для глаз.

Механика: массив steps[] хранит по очереди длительности состояний — свет, темнота, свет, темнота. Чётным шагом светодиод включаем, нечётным выключаем, delay(steps[i]) держит состояние положенное время. Чётность проверяет if (i % 2 == 0) — обычное условие из урока про if и else: оператор % даёт остаток от деления, и у чётных номеров остаток нулевой.

Чем это отличается от мигалки из самого первого урока? Там ритм был зашит в код: два delay, и любой характер мигания правится только редактированием строк программы. Здесь ритм — данные. Нужна вспышка-двойкой — правите фигурные скобки. Нужен штурманский маяк: три коротких вспышки и длинная тишина — снова только массив. Код не меняется вовсе, и это не лень, а качество: в столбике однородных чисел опечатка видна сразу, а в размноженных строках кода она пряталась, как помним.

Теперь противоположная работа: не заставить светодиод мигать по сценарию, а заставить показания вести себя спокойно. Подключите потенциометр к A0 и печатайте analogRead в Serial — при неподвижной ручке числа идут 512, 506, 518, 509. Это шум: помехи питания, дрожание контактов, собственная прыть АЦП. По одному замеру дрожь видно всегда: прибор, который мигает шкалой на каждый чих, выглядит сломанным, даже когда исправен.

Классическое лечение — среднее по окну. Заводим журнал из восьми последних измерений: каждый новый замер сдвигает журнал влево, а сам встаёт в последнюю ячейку. Среднее — сумма всех восьми, делённая на восемь. Теперь рывок ручки с 700 на 120 доезжает порциями: первый замер после рывка даёт (7 × 700 + 120) / 8 = 627, дальше 555, 484 — и через восемь замеров среднее доезжает до честных 120. Кривая становится ленивой, и это ровно то, что нужно: глаз читает плавную шкалу, а не стробоскоп.

Честности ради: сдвиг — способ наглядный, но дороговатый. Каждый замер копирует семь значений — при восьми ячейках это ерунда, а при сотне уже ощутимо для скромного процессора Uno. Взрослый приём — кольцевой буфер: пишущая головка ходит по массиву по кругу, свежее значение затирает самое старое, и копировать нечего. Это тема отдельного урока из дорожной карты — там же минимум, максимум и медиана по журналу. Для восьми значений сдвиг честен: три строки, которые видно целиком, — с них и надо начинать.