Счётчик на семисегментнике: цифры из массива паттернов

Счётчик нажатий — самый частый запрос после первых кнопочных уроков: посчитать детали на входе, людей в комнате, циклы станка. Схема из прошлого урока готова, но скетч пугает: на каждую цифру семь вызовов digitalWrite, на десять цифр — семьдесят строк, и в одной из пар я умудрился перепутать пятёрку с шестёркой. Правишь сегмент в цифре «5» — забываешь тот же сегмент в цифре «6». Код растёт линейно, а места для проделок в нём — с каждой цифрой всё больше.

Здесь второй заход, и он про таблицу вместо повторов: цифра становится байтом-паттерном, вся таблица цифр — массивом из десяти байт, а рисование — функцией showDigit(n) в семь строк. Кнопки плюс/минус добавят счётчику управление: фронт HIGH-LOW, антидребезг на millis и кольцевую обёртку 0-9, после которой девятка прыгает на ноль без пауз. Массивы уже мелькали в уроке про массивы и паттерны, чтение кнопки разобрано в уроке про digitalRead — здесь обе механики работают в паре и прикрывают друг друга. Проверка у счётчика одна: кольцо обязано ходить от нуля до девятки в обе стороны без заездов за границу массива, сколько бы кнопок ни было зажато подряд.

Идея в том, что семь сегментов — это семь бит одного байта. Договариваемся о порядке: бит 0 — сегмент a, бит 1 — b, и так до бита 6 — g. Тогда цифра описывается одним числом: ноль — горят сегменты a-f, это биты 0-5, получается 0b0111111. В двоичной записи паттерн читается прямо по сегментам — включён бит, горит палочка. А вот десятичная запись того же числа, 63, немая: из неё не видно ни верхней перекладины, ни спящей средней черты, только абстракция, которую приходится держать в голове.

Порядок бит — не стандарт, а договорённость конкретного скетча, главное — чтобы бит i всегда означал один и тот же сегмент и совпадал с массивом пинов. Приятный бонус: в даташитах готовых шрифтов, например у драйвера TM1637, сегменты лежат в тех же младших битах байта в порядке a-g — привычка, набитая на голом индикаторе, переносится на модули один в один. Точка dp в этой схеме — бит 7, и если она не подключена, паттерн её просто игнорирует.

Тип byte в объявлении массива выбран не случайно: это те же восемь бит без знака, 0-255, ровно один байт памяти. Массив из десяти цифр занимает 10 байт SRAM, а в типе int — уже 20: int тянет два байта. На Uno с её двумя килобайтами SRAM разница в два раза звучит громче, чем кажется: большие таблицы шрифтов для многоразрядных табло набирают десятки и сотни байт, и привычка хранить сегментные паттерны в byte выливается в свободную память для остального скетча. Соберёте когда-нибудь шрифт для многоразрядного табло — экономия вырастет кратно: по байту на каждый сегментный байт каждой цифры.

Сердце скетча — функция showDigit, и в ней два приёма, которые стоит разобрать по буквам. Цикл идёт по сегментам i от 0 до 6, выражение (CIF[n] >> i) & 1 достаёт из байта бит номер i: сначала сдвигает байт вправо на i позиций, чтобы нужный бит встал на младшее место, потом маска & 1 обрезает всё остальное. Единица — сегменту HIGH, ноль — LOW. Своя функция уже встречалась в уроке про свои функции, здесь она приносит первую заметную экономию: десять цифр — десять чисел в массиве, а не семьдесят строк кода.

Кнопки опрашиваются по фронту: сравнение с prevPlus ловит момент перехода HIGH в LOW, и счётчик срабатывает один раз за нажатие, а не сто раз за секунду удержания. Окно антидребезга в 200 мс глушит повторные дребезги контактов — механику фронта и дребезга я подробно разбирал в уроке про антидребезг, здесь она размножена на две кнопки с отдельными таймерами tPlus и tMinus. Если зажать обе кнопки разом, ветки отработают в одном проходе loop() и цифра останется на месте — плюс и минус аннулируют друг друга, что честно.

Задержек delay в скетче нет: loop() оборачивается за миллисекунды, и ни одно нажатие не проскочит — тем же принципом в третьем уроке этого кластера оживёт таймер. В sim-версии в конце loop() стоит delay(10): это не пауза «после нажатия», а короткая передышка движку, и против окна нажатия в 100-150 мс она незаметна. Подробно о том, почему delay в больших скетчах вреден и что приходит на смену, написано в уроке про millis вместо delay.

Обёртка цикла — две строки, на которых держится вся навигация: после девятки плюс возвращает счётчик на ноль, после нуля минус отправляет на девятку. Так работают навигация по меню, выбор режима, перебор настроек — тот же принцип, что в меню на двух кнопках. Кольцо удобнее останова на границе: пользователю не надо возвращаться назад, чтобы перейти от нуля к девятке, — путь всегда короткий, а управлять можно одной рукой.

За обёрткой стоит не эстетика, а защита памяти. В C++ обращение к массиву за границей не вызывает никаких ругательств компилятора: CIF[10] молча читает соседнюю ячейку, и на индикатор вылезает случайный узор из битов чужой переменной. Я один раз ловил именно это: минус-кнопка на нуле уводила счётчик в -1, и на дисплее вспыхивала каша. Проверки if (cifra > 9) и if (cifra < 0) стоят две строки — дешевле, чем час с отладкой «самопроизвольной» живописи.

В симуляторной макетке одна кнопка — она играет роль плюса: счётчик крутится по кольцу 0-9 от каждого нажатия. Индикатор садится на пины D12-D6 в порядке a-g, кнопка — на D2, и sim-скетч ниже держит именно эти номера; на реальной плате берите раскладку из большого скетча выше — сегменты 2-8, кнопки 9 и 10. Паттерны в обоих скетчах идентичны байт в байт: массив CIF не знает, какие пины прячутся за массивом SEG, и в этом вся прелесть упаковки цифры в число. Перенос скетча между платами сводится к правке одной строки с пинами — вся логика остаётся нетронутой.

Кстати о шрифте: массив CIF — обычная таблица соответствий, и её можно расширять. Байт 0b1000000 зажигает только среднюю черту — получается знак минус, которым удобно показывать отрицательную температуру или паузу; 0b0110000 — заготовка для дробных значений вместе с точкой. Буквы A, b, C, d, E, F тоже рисуются семью сегментами и позволяют выводить шестнадцатеричные числа — до них дойдёте, когда счётчику понадобится больше десяти значений, а понадобится он вам раньше, чем кажется.