這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

目錄
1 布爾邏輯運算
1.1 晶體管邏輯電路與二進制
2 示例
2.1 邏輯運算符
2.2 雙繼電器狀態(tài)機

1 Arduino布爾邏輯運算

二進制和布爾運算有時候看起來就像是流行語一樣，尤其是“二進制”，但這只是因為人們一旦了解了之后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塊中，二進制屬于機器的部分，如果您想要控制機器，尤其是微控制器，那么您必須時常對二進制進行深入研究。尤其是Arduino Uno（atmega328p），它只有2KB SRAM。這是一個精益系統(tǒng)，如果您想要它運行更大的項目，那就要很聰明地使用二進制才行。如果要將大型陣列存儲在PROGMEM和EEPROM（閃存）中，您必須使用這個方法。

1.1 晶體管邏輯電路和二進制

“為什么不直接使用十進制系統(tǒng)？”這一問題非常重要，必須首先解答。一旦您理解了二進制系統(tǒng)的設(shè)計初衷，您就會更加喜歡布爾邏輯運算的。
設(shè)想有一個晶體管，它在任何給定時間都可能處于“ON”或“OFF”狀態(tài)。該晶體管可以描述兩個值（2**1）。但是，如果您想要計數(shù)更大的值該怎么辦？添加另一個晶體管，您可以數(shù)到4（2**2），三個（2**3）可以讓您數(shù)到8，以此類推。為了增加您的學(xué)習(xí)樂趣，可以打開一個python腳本，然后將以下內(nèi)容復(fù)制粘貼到您的腳本中來查看8位/1字節(jié)的可能狀態(tài)：

for 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：

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/2字節(jié)：

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：

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)

在十進制系統(tǒng)中，僅僅使用16個手指和腳趾不可能數(shù)出65,535只寶可夢（包括起始值0）。但是使用二進制就可以！
如果看起來有點晦澀難懂的話，不要氣餒。把每個二進制數(shù)字想像成一個晶體管：1是“ON”，0是“OFF”。使用十進制系統(tǒng)來描述數(shù)字255需要256只晶體管（包括0），而使用二進制系統(tǒng)，我們可以只用8只晶體管來描述256種狀態(tài)。它是“0b11111111”，8位為一個字節(jié)。它在早期的計算機實驗室種節(jié)省了大量空間，因為那個時候晶體管既不小也不高效（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(shù)量的方式。除了內(nèi)存限制，它的計數(shù)大小是沒有上限的。
使用Arduino時，我們使用“字節(jié)”型數(shù)據(jù)類型（實際上是uint_8t）來告訴編譯器我們想要一個0-255范圍內(nèi)的值。然而，布爾型變量要簡單得多！布爾型變量可以僅用一個晶體管來表示，真（true）為“ON”，假（false）為“OFF”。您可以使用一個很小的狀態(tài)機來確定您的電機是否在運行，并在setup()函數(shù)之前對其進行全局聲明。

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：

// flip it, else use true/1
bool is_motor_running = ! is_motor_running ;

您可以使用它來控制系統(tǒng)的行為，例如，保證您的Arduino在電機運行時不進行任何操作。

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(jīng)注意到了符號“!”，這是邏輯非運算符，在人類語言中的意思是“不是”。Arduino C++中可用的關(guān)系運算符是“!=”、“>=”、“<=”、“>”，但今天講述的是布爾邏輯運算。這與變量之間的關(guān)系無關(guān)（例如確定一個值是否大于另一個值），因為邏輯運算符“!”—邏輯非，“&&”—邏輯與，和“||”—邏輯或已經(jīng)足以創(chuàng)建出令人生畏的復(fù)雜表達式了。雖然有時候我們稱之為二進制運算符，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 邏輯運算符

按照上面的二進制位，我們在實例中使用邏輯運算符。我們使用了Arduino IDE，請參閱此文的簡介。
現(xiàn)在，讓我們用二進制的方式讀到“1”！

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復(fù)合表達！
[ begin Boolean_logical_operators.ino ]

/*
  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彈出串行監(jiān)視器，并輸入一個4位值，以空格分隔，類似“1 0 1 0”這樣的數(shù)據(jù)，然后按下“Send（發(fā)送）”。您將看到以下輸出：

如果幸運的話，您將看到以下內(nèi)容：

該Arduino草圖展示了布爾邏輯運算的多種用途。無論在哪個應(yīng)用中需要使用“真”，或者是“假”，我們都可以使用布爾邏輯運算。

2.2 雙繼電器狀態(tài)機

2.1中的示例只是一個用來演示邏輯運算符的小程序。本節(jié)所創(chuàng)建的是一個有用的狀態(tài)追蹤中繼模塊，您可以進行修改和添加。將代碼復(fù)制到Arduino IDE一個新的草圖中，然后使用CTRL+U上傳。然后，使用CTRL+SHIFT+M（或在Linux/MacOS上 使用“python3 -m serial.tools.miniterm”，Windows上使用TeraTerm/Putty）查看串行監(jiān)視器。如果輸入“0”并發(fā)送，則可以查看當前繼電器狀態(tài)（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(fā)送“2”則會對繼電器2進行相同的操作。對于這兩個繼電器，狀態(tài)保存在布爾型變量（“relay1State”和“relay2State”）中，并且對于每個繼電器，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序。制作之前先玩一下吧！

以下代碼是專門按照適合于在Arduino IDE上使用布爾值的方式來編寫的。
在硬件方面，我從不信任那些用于重載的藍色5V繼電器，但是已經(jīng)確認了這些繼電器在高達~200W的負載下性能良好。那么開始享受制作的樂趣吧！

2.2.1 開始構(gòu)建！

按下圖所示將所有部件進行連接，首先是面包板，然后是原型板。我們就是這樣做的。


唯一需要注意的是正確使用BAT86肖特基二極管。您必須將陰極（BAT86上的黑環(huán)，通常在別的二極管上是白環(huán)）朝向繼電器的正極端子（上圖右側(cè)），否則會出現(xiàn)問題（短路）。環(huán)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原型板上的附加組件內(nèi)容不在本文的范圍內(nèi)，而且這部分也很無趣。

!prettyStateMachine, 這是“真”嗎？

您可以查看以下代碼：
[ begin prettyStateMachine.ino ]

/*
  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 statesn[!] 1=flip relay 1n[!] 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 ) ;
}


	

	[ end prettyStateMachine.ino ]

	現(xiàn)在我們就有了狀態(tài)追蹤功能了，例如，我們可以查看當前的繼電器狀態(tài)，并且可以隨意對其進行反轉(zhuǎn)。我們已經(jīng)介紹了帶有邏輯運算符的復(fù)合表達式，您可以將此代碼用作未來項目的模板。

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	審核編輯黃宇