Электронный кубик: random и светодиодная шкала

Кость потерялась в третий раз за месяц, и в пятницу я принёс вместо неё коробку с Arduino: шесть светодиодов в ряд, кнопка, скетч на сорок строк. Работало безупречно ровно до второй партии. Племянник, самый въедливый игрок за столом, прищурился на третьем ходу: дядя, а почему он после включения всегда начинает с четвёрки? Я перезапустил плату — четвёрка. Ещё раз — четвёрка. Дальше серия тоже повторялась ход в ход, как заезженная пластинка: пятница была не первой партией этой платы, просто раньше никто не следил.

В этом уроке собираем электронный кубик целиком: кнопка бросает, шкала из шести светодиодов показывает грань от одного до шести, Serial печатает результат. Разберём random() с его знаменитым рубежом — верхняя граница не входит в диапазон, — заведём randomSeed() от шума аналогового входа и добавим анимацию «встряски», чтобы бросок ощущался как бросок, а не как щелчок тумблера. Всё это сразу проверим в симуляторе с настоящей кнопкой и шестью диодами.

random(min, max) возвращает целое от min до max, и вот здесь первый рубеж: min входит в диапазон, max — нет. random(1, 7) даёт 1, 2, 3, 4, 5 или 6 — ровно то, что нужно кубику. А random(1, 6) выдаёт только от 1 до 5, и шестёрка не выпадет никогда — игрок замечает такое за один вечер, я проверял на обиженных родственниках. Вызов random(max) с одним аргументом считает от нуля: random(6) — это 0–5, и для граней пришлось бы прибавлять единицу. Я всегда пишу две границы явно: читателю скетча не нужно помнить, включён ли край.

Второй рубеж объясняет историю с пятницей. Случайность в Arduino — псевдослучайность: следующее число вычисляется формулой из предыдущего, а первому числу в цепочке нужно стартовое значение — зерно. Зерна нет или оно всегда одинаковое — и вся цепочка повторяется от включения к включению ход в ход. randomSeed(число) задаёт стартовое зерно, и на плате его берут от шума непрошенного аналогового входа: randomSeed(analogRead(A0)), где A0 ни к чему не подключён. Плавающий вход читает значения с дрожью от 0 до 1023, и эта дрожь — готовая непредсказуемость. Как analogRead вообще читает вход, мы разбирали в уроке про потенциометр — здесь важно только то, что пустое гнездо шумит.

Честная оговорка про симулятор: свободный вход в движке читается ровным нулём, а random внутри сидит на браузерном генераторе, который и так выдаёт новую серию при каждом запуске. То есть в симе повторяющейся серии, как на плате, не увидеть — randomSeed там остаётся ритуалом для реального железа. На своей Uno можете проверить жёстко: закомментируйте строку с randomSeed, перезалейте скетч три раза и сравните первые броски — они совпадут до последней грани.

Смотрите, как мало здесь нового. Кнопка читается по фронту — LOW при прошлом HIGH, ровно как в уроке про кнопку: одно нажатие — один бросок, удержание кнопку не «залипает» серией. Шкала — тот же массив пинов с циклом, на котором мы строили бегущие огни, только вместо позиции огонька здесь порог: диод с индексом меньше грани горит, остальные темны. Грань 1 — первый диод, грань 6 — вся линейка. Никаких отдельных функций на каждую грань: pokazatGran() одна на все шесть случаев, и добавить седьмой диод — значит поправить массив и константу, а не плодить ветки.

Функция pokazatGran(int gran) принимает число-грань и внутри решает, кому гореть: если i < gran — HIGH, иначе LOW. Обратите внимание, что она гасит и лишние диоды, а не только зажигает нужные: без else после броска «шесть» шкала так и осталась бы полностью гореть при следующей единице. Это та же грабля «горят все подряд», на которой я оставил вечер в уроке про шкалу — здесь она обезврежена заранее.

delay(300) после броска — не украшение, а страховка: она держит loop занятым треть секунды, чтобы самый быстрый двойной клик не бросил дважды. В симуляторе кнопки идеальные, и хватило бы фронта, но на реальной плате контакты дребезжат 10–20 мс после замыкания, и без паузы или нормального антидребезга из отдельного урока одно нажатие даст два-три броска. Про честность бросков чуть ниже — там тоже есть что обсудить.

Минимальный кубик из кода выше работает, но ощущается как тумблер: нажал — грань. Настоящий бросок имеет драматургию, и её легко сымитировать: восемь пробных граней подряд с растущей паузой delay(60 + i * 30) — от 60 до 270 мс, всего около 1,3 секунды — и только потом финальный бросок, который остаётся на шкале. Пауза растёт, потому что настоящая тряска затухает, а не наоборот; серия полных версия показана в симуляторе ниже. Первый вариант я делал с одной delay(1000) «на подумать» — с точки зрения кода то же самое, но за столом никто не воспринял один длинный пик как бросок.

А теперь самое важное про честность. random() распределён равномерно на длинной дистанции: на сотне-другой бросков каждая грань набирает свои примерно 16,7 процента. Но на короткой дистанции равномерности нет и быть не должно: три шестёрки подряд — событие с шансом один из 216, и на десятке игроков оно случается каждую партию. Я однажды потратил вечер, «чиня» кубик, который трижды подряд выкинул шестёрку племяннику, — чинить было нечего, это нормальная работа честного генератора. Кластеры и пропуски на двадцати бросках — не признак поломки; проверять генератор глазом по двадцати значениям бессмысленно.

Если захочется всё-таки проверить по-взрослому — считайте, а не смотрите: заведите массив int schet[6] и копите количество выпадений каждой грани за шестьдесят бросков, как мы копили показания в журнале на массивах. Ожидание — десять выпадений на грань, и разброс плюс-минус три-четыре абсолютно нормален. А тем, кому нужна настоящая «морда кости», — классика: семь светодиодов ромбом и четыре побочных паттерна для 2, 3, 4, 5 и 6 точек; название граней в таком варианте удобно держать массивом, как ноты в уроке про мелодии. Шкала проще, но честнее к вашей распиновке.

В симуляторе ниже макетку собирает сам движок: кнопка сядет на D2, шесть светодиодов — на D7–D12. Пины светодиодов назначены симулятором; на своей плате берите любые шесть цифровых — в скетче они перечислены в массиве ledPins, и перекомпоновка занимает одну строку. Кнопка работает через INPUT_PULLUP: нажата — LOW, поэтому в коде бросок ловится фронтом с HIGH на LOW.

Нажимайте кнопку и следите за двумя вещами: за растущими паузами встряски и за строкой Gran: N в Serial — она печатает финальную грань и помогает сверять шкалу с логом. Пустой A0 в симе читается нулём и на случайность не влияет; повторяющихся серий, как на плате без seed, здесь не будет — движок при каждом запуске берёт новую случайность у браузера.