Калькулятор: клавиатура 4x4 и LCD

Калькулятор на клавиатуре и экране — первый проект, где сборка уже не главное: и матрица, и дисплей у вас заведены, а вся работа переезжает в логику. Я собрал такой за вечер по мотивам Project Hub, где это один из самых массовых проектов на мембранке, — и застрял на неожиданном месте: клавиши печатались по одной, а число собрать не получалось вовсе. Символ «1» и число 1 — вещи разного сорта, и между ними лежит одна строчка арифметики, которую готовые скетчи из сети молча проглатывают, не объясняя.

В этом уроке цифры с матрицы склеиваются в число по формуле n = n*10 + цифра, клавиши A, B, C, D станут плюс, минус, умножить и разделить, решётка — равно, звёздочка — сброс. Выражение и итог живут на LCD 16x2: набрали 12, нажали A, набрали 34, нажали решётку — на нижней строке появится 12+34=46. Деление на ноль не роняет программу, а выводит сообщение, как на настоящем калькуляторе.

Дисплей берём I2C и не случайно. Клавиатура уже заняла восемь цифровых пинов D2–D9, параллельному HD44780 нужно ещё шесть линий, а из свободных остаются только D10–D13 — впритык и без запаса. Шина I2C сидит на A4 и A5 и к цифровым пинам не прикасается: подключение экрана по двум проводам мы разбирали в уроке про LiquidCrystal I2C, здесь подключим той же библиотекой. Сканер матрицы берём готовый из урока про клавиатуру 4x4 — он станет функцией opros() на десять строк.

В описаниях клавиатурных калькуляторов на Project Hub отдельно подчёркнуты две вещи, и обе про интерфейс, а не про арифметику: экран повторяет набор по каждой клавише — «как на настоящем калькуляторе» — и недопустимое выражение вроде деления на ноль не считается, а показывается сообщением. Первое — не украшение: без эха пользователь не видит, сколько цифр уже вошло, и теряет счёт на третьей-четвёртой. Второе мы повторим один в один и разберём, за какой строкой кода оно стоит.

Символ цифры и её значение связаны через код. В таблице символов '0' — это код 48, '7' — код 55, и все десять цифр идут подряд, поэтому вычитание '7' - '0' даёт ровно 7. Дальше включается позиционная запись: нажали 1 — в переменной единица; нажали 2 — старую единицу умножили на десять и прибавили двойку, получилось 12; нажали 3 — стало 123. Одна строка chislo = chislo * 10 + (k - '0') обслуживает числа любой длины, и тот же приём крутится в типах из урока про переменные и типы: всё, что нажимается пальцем, приезжает в скетч символом и превращается в число на месте.

Потолок ввода ставят сознательно. На Uno int — 16 бит, максимум 32 767: произведение 400 и 90 равно 36 000 и уже вылезает за границу, а 9999x9999 улетает за пределы int в три тысячи раз. Поэтому числа в скетче объявлены long — 32 бита, до 2 147 483 647: даже 99 980 001 помещается с запасом. Набор ограничен четырьмя цифрами: клавиша сверх четвёртой игнорируется — и экран не переполняется, и длинный неряшливый ввод не успевает навредить.

После каждой клавиши первая строка перерисовывается: затирается шестнадцатью пробелами и печатается заново — число, знак операции, второе число. Частота у нажатий человеческая, две-три в секунду, так что перерисовка по событию экран не раздражает; мерцание начинается, когда clear() и печать крутятся в каждом проходе loop, — это отдельная болячка с отдельным уроком про мерцание LCD.

Мелкая, но коварная деталь — затирание старых цифр. Напечатали 123, стёрли звёздочкой, набрали 4: без затирания пробелами на месте трёх старых цифр остались бы хвосты. Вторая деталь — флаг nazhatoB: он отличает «второе число ещё не начали набирать» от «набрали ноль», и без него после знака операции на экране висел бы ноль, которого пользователь не вводил. Обе правки — по одной строке, но именно на таких строках готовые скетчи из сети и сыпятся.

Калькулятор — конечный автомат, и это не выпендрёж: одно и то же нажатие решётки должно означать разное — сверять выражение на этапе набора второго числа и ничего не делать на этапе результата. Этапов три: набор первого числа, набор второго, результат; переменная etap их различает, а схема в целом — та же, что в уроке про конечный автомат: светофор менял фазы по таймеру, калькулятор — по клавишам. Память derzhim отсекает удержание: клавиша считается один раз, на фронте.

Деление на ноль ловится до деления: если второе число ноль, на нижней строке появляется Delenie na 0, и операция не выполняется вовсе. Проекты на Project Hub ловят этот случай так же заранее — недопустимое выражение проще не считать, чем объяснять пользователю, почему экран показывает мусор. Живое деление у нас целочисленное: 7 на 2 даёт 3, а остаток печатает оператор % — на экране строка 7/2=3 ost 1. Дроби требуют точки и другого формата вывода — там же, где мы печатали дробные числа на LCD.

Знаков умножения и деления в знакогенераторе HD44780 нет — ни ×, ни ÷, поэтому на экран печатаем x и дробь. Минус у отрицательных результатов забот не добавляет: печать числа print делает сама, разность 3 - 10 покажет как -7 без дополнительных телодвижений.

Схема у дисплея минимальная: SDA к A4, SCL к A5, питание 5 В и общий провод; подсветка берёт свои 20–30 мА от шины 5V, а не с пина. Единственная известная категория грабель — адрес: у части модулей 0x27, у части 0x3F, и экран с неверным адресом просто молчит. Адрес — первый аргумент конструктора, смена — дело одной цифры в скетче.

Почему не параллельный LCD, который дешевле: шесть линий против двух, а свободных цифровых после клавиатуры всего четыре. Даже если бы хватило, схема осталась бы без единого запаса под светодиод или сервопривод — а пин 8, кстати, уже занят столбцом клавиатуры, на нём даже зуммер не поселить. I2C оставляет свободными все цифровые пины, кроме восьми клавиатурных, и это главный аргумент в связке «матрица плюс экран».

По таймингам у схемы запас в тысячи раз. Скан матрицы на 16 МГц занимает микросекунды, шина I2C в штатном режиме гоняет байты на 100 кГц — обновление двух строк экрана стоит доли миллисекунды, а между нажатиями проходят сотни миллисекунд. Ток через замкнутую клавишу — доли миллиампера, греться нечему, и единственное слабое место остаётся прежним: шлейф в разъёме, который отгибается от частых перетыканий.

Что дальше. Первый кандидат — дроби: десятичная точка на свободной клавише, счётчик знаков после неё и печать с нужным числом разрядов. Второй — цепочки вида 12+34-7: их либо пересчитывают на каждой операции, либо хранят в стеке, и половина вопросов про клавиатурные калькуляторы на форумах именно про это — два числа и знак хранить легко, цепочка уже нет.

И обратите внимание, сколько из скетча переедет в следующий урок почти без изменений: сканер, сбор числа из клавиш, фронт derzhim, строка экрана с затиранием. Калькулятор — это упражнение на арифметику; та же клавиатура с тем же экраном станет кассой, где числа превращаются в позиции чека. Инструменты одни — меняется только смысл нажатий.