Сенсорный калькулятор на Arduino с TFT-дисплеем

Почему стоит сделать калькулятор на Arduino

Калькулятор есть в каждом телефоне, но собрать его с нуля на микроконтроллере -- совсем другое дело. В этом проекте ученик создаёт устройство с графическим интерфейсом, сенсорным вводом и математическим движком, который правильно обрабатывает приоритет операций и скобки. Это не простое сложение двух чисел -- здесь реализован настоящий парсер выражений, как в компиляторах.

Проект охватывает сразу несколько тем: рисование графических элементов на экране, обработка касаний, работа со стеками и алгоритм вычисления арифметических выражений.

Целевая аудитория: ученики 8-11 классов.

Время на проект: 2-3 занятия по 45 минут.

Необходимые компоненты

• Arduino Uno
• 2.4" TFT LCD сенсорный дисплей-шилд (резистивный тачскрин)
• USB-кабель для подключения к компьютеру
• Arduino IDE с установленными библиотеками

Шилд вставляется поверх Arduino Uno без дополнительных проводов -- все контакты совпадают. Это большое преимущество для начинающих: ошибки подключения исключены.

Установка библиотек

Через менеджер библиотек Arduino IDE (меню Скетч -> Подключить библиотеку -> Управление библиотеками) установите:

1. MCUFRIEND_kbv -- универсальный драйвер для TFT-шилдов, автоматически определяет контроллер дисплея

2. Adafruit TouchScreen -- библиотека для чтения координат нажатия на резистивный сенсорный экран

3. Adafruit GFX Library -- базовая графическая библиотека (устанавливается автоматически как зависимость)

Подключение дисплея

Шилд устанавливается на Arduino Uno сверху. Убедитесь, что все штырьки вошли в разъёмы. Шилд использует цифровые пины D0-D13 и аналоговые A0-A5. Тачскрин работает через аналоговые пины.

После установки шилда подключите Arduino к компьютеру по USB. Экран должен на мгновение засветиться -- значит, питание идёт.

Важный шаг -- калибровка тачскрина. Загрузите пример TouchScreen_Calibr_native из библиотеки MCUFRIEND_kbv. Нажимайте на крестики в углах экрана и запишите полученные значения. Их нужно подставить в константы TS_LEFT, TS_RT, TS_TOP и TS_BOT в коде калькулятора.

Полный код калькулятора

```cpp

#include <MCUFRIEND_kbv.h>

#include <TouchScreen.h>

// Определения цветов

#define BLACK 0x0000

#define WHITE 0xFFFF

#define RED 0xF800

#define GREEN 0x07E0

#define BLUE 0x001F

#define GRAY 0x8410

#define ORANGE 0xFD20

// Пины тачскрина (подставьте свои после калибровки)

const int XP = 8, XM = A2, YP = A3, YM = 9;

const int TS_LEFT = 115, TS_RT = 938, TS_TOP = 74, TS_BOT = 909;

MCUFRIEND_kbv tft;

TouchScreen ts = TouchScreen(XP, YP, XM, YM, 300);

// Массив для выражения и его длина

int maxLength = 15;

int currentLength = 0;

char expression[24] = "\0";

// Структура кнопки экрана

struct Button {

int x, y, w, h;

bool alreadyTouched;

const char* buttonLabel; // Текст на кнопке

const char* displayLabel; // Символ для выражения

};

#define NUM_BUTTONS 22

int sz = 48; // Размер кнопки

// Расположение кнопок: цифры, операции, скобки, ANS, =, AC, CE

Button buttons[NUM_BUTTONS] = {

{0, 224, sz, sz, false, "0", "0"},

{0, 80, sz, sz, false, "1", "1"},

{48, 80, sz, sz, false, "2", "2"},

{96, 80, sz, sz, false, "3", "3"},

{0, 128, sz, sz, false, "4", "4"},

{48, 128, sz, sz, false, "5", "5"},

{96, 128, sz, sz, false, "6", "6"},

{0, 176, sz, sz, false, "7", "7"},

{48, 176, sz, sz, false, "8", "8"},

{96, 176, sz, sz, false, "9", "9"},

{144, 128, sz, sz, false, "+", "+"},

{192, 128, sz, sz, false, "-", "-"},

{144, 176, sz, sz, false, "x", "x"},

{192, 176, sz, sz, false, "/", "/"},

{48, 224, sz, sz, false, "^", "^"},

{96, 224, sz, sz, false, ".", "."},

{144, 224, sz, sz, false, "(", "("},

{192, 224, sz, sz, false, ")", ")"},

{0, 272, sz*2, sz, false, "ANS", "A"},

{96, 272, sz*3, sz, false, "=", "="},

{144, 80, sz, sz, false, "AC", "AC"},

{192, 80, sz, sz, false, "CE", "CE"},

};

// Шаблонный класс стека для чисел и операторов

template <typename T, int SIZE>

class Stack {

T data[SIZE];

int top = -1;

public:

bool push(T val) { if (top >= SIZE-1) return false; data[++top] = val; return true; }

T pop() { return data[top--]; }

T peek() { return data[top]; }

bool isEmpty() { return top < 0; }

};

Stack<float, 64> numbers; // Стек чисел

Stack<char, 64> operators; // Стек операторов

float answer = 0.0f; // Последний результат (для ANS)

int errorCode = 0;

// Приоритет операций

int precedence(char op) {

if (op == '~') return 4; // Унарный минус

if (op == '^') return 3; // Степень

if (op == 'x' || op == '/') return 2;

if (op == '+' || op == '-') return 1;

return 0;

}

// Применяем одну операцию со стеков

bool applyOp() {

if (operators.isEmpty()) return false;

char op = operators.pop();

// Унарный минус -- работает с одним числом

if (op == '~') {

if (numbers.isEmpty()) return false;

numbers.push(-numbers.pop());

return true;

}

if (numbers.isEmpty()) return false;

float b = numbers.pop();

if (numbers.isEmpty()) return false;

float a = numbers.pop();

switch (op) {

case '+': numbers.push(a + b); break;

case '-': numbers.push(a - b); break;

case 'x': numbers.push(a * b); break;

case '/':

if (b == 0) { errorCode = 1; return false; }

numbers.push(a / b); break;

case '^': numbers.push(pow(a, b)); break;

default: errorCode = 4; return false;

}

return true;

}

// Парсер выражения с учётом приоритетов и скобок

bool computeResult(char* expr) {

while (!numbers.isEmpty()) numbers.pop();

while (!operators.isEmpty()) operators.pop();

int i = 0;

char numBuf[24] = "";

int ni = 0;

bool lastNum = false, lastANS = false, lastOp = true;

while (expr[i] != '\0') {

char c = expr[i];

if (c == 'A') {

if (lastNum) { errorCode = 3; return false; }

numbers.push(answer);

lastANS = true; lastNum = false; lastOp = false;

} else if ((c >= '0' && c <= '9') || c == '.') {

if (lastANS) { errorCode = 3; return false; }

numBuf[ni++] = c;

lastNum = true; lastANS = false; lastOp = false;

} else if (c == '(') {

operators.push('(');

lastOp = true; lastNum = false; lastANS = false;

} else if (c == ')') {

if (lastNum) { numBuf[ni] = '\0'; numbers.push(atof(numBuf)); ni = 0; numBuf[0] = '\0'; lastNum = false; }

while (!operators.isEmpty() && operators.peek() != '(') { if (!applyOp()) return false; }

if (operators.isEmpty()) { errorCode = 2; return false; }

operators.pop();

lastOp = false;

} else {

// Проверяем, не унарный ли это минус

if (c == '-' && lastOp) {

if (lastNum) { numBuf[ni] = '\0'; numbers.push(atof(numBuf)); ni = 0; numBuf[0] = '\0'; }

operators.push('~');

lastOp = true; lastNum = false; i++; continue;

}

if (lastNum) { numBuf[ni] = '\0'; numbers.push(atof(numBuf)); ni = 0; numBuf[0] = '\0'; lastNum = false; }

while (!operators.isEmpty() && precedence(operators.peek()) >= precedence(c)) { if (!applyOp()) return false; }

operators.push(c);

lastOp = true; lastANS = false;

}

i++;

}

if (lastNum) { numBuf[ni] = '\0'; numbers.push(atof(numBuf)); }

while (!operators.isEmpty()) { if (!applyOp()) return false; }

if (numbers.isEmpty()) return false;

answer = numbers.pop();

return true;

}

// Усреднение давления тачскрина

int avgPressure(int samples) {

long sum = 0;

for (int i = 0; i < samples; i++) { sum += ts.getPoint().z; delay(1); }

return sum / samples;

}

// Рисуем одну кнопку

void drawButton(const Button &b) {

tft.fillRect(b.x, b.y, b.w, b.h, RED);

tft.drawRect(b.x, b.y, b.w, b.h, BLACK);

tft.setTextSize(2);

tft.setTextColor(WHITE);

int16_t x1, y1; uint16_t w, h;

tft.getTextBounds(b.buttonLabel, 0, 0, &x1, &y1, &w, &h);

tft.setCursor(b.x + (b.w - w)/2, b.y + (b.h - h)/2);

tft.print(b.buttonLabel);

}

// Обновляем дисплей выражения

void refreshDisplay() {

tft.fillRect(0, 0, 240, 80, BLACK);

tft.setTextSize(2);

tft.setTextColor(WHITE);

int16_t x1, y1; uint16_t w, h;

tft.getTextBounds(expression, 0, 0, &x1, &y1, &w, &h);

int cx = 240 - w - 10;

if (cx < 5) cx = 5;

tft.setCursor(cx, (80 - h) / 2);

tft.print(expression);

}

void setup() {

Serial.begin(9600);

tft.begin();

tft.fillScreen(BLACK);

tft.setRotation(0);

for (int i = 0; i < NUM_BUTTONS; i++) drawButton(buttons[i]);

}

void loop() {

TSPoint p = ts.getPoint();

int z = avgPressure(20);

pinMode(XM, OUTPUT);

pinMode(YP, OUTPUT);

if (z > ts.pressureThreshhold) {

int x = map(p.x, TS_LEFT, TS_RT, 0, tft.width());

int y = map(p.y, TS_TOP, TS_BOT, 0, tft.height());

for (int i = 0; i < NUM_BUTTONS; i++) {

Button &b = buttons[i];

bool inside = x >= b.x+7 && x <= b.x+b.w-7 && y >= b.y+7 && y <= b.y+b.h-7;

if (inside && !b.alreadyTouched) {

b.alreadyTouched = true;

if (i <= 18 && currentLength < maxLength - 1) {

strcat(expression, b.displayLabel);

currentLength++;

} else if (i == 19) { // Кнопка "="

if (computeResult(expression)) {

dtostrf(answer, -6, 4, expression);

currentLength = strlen(expression);

} else {

strcpy(expression, errorCode==1 ? "E1:DIV/0" : errorCode==2 ? "E2:()" : "ERR");

currentLength = 1;

}

} else if (i == 20) { // AC -- очистить всё

expression[0] = '\0'; currentLength = 0;

} else if (i == 21 && currentLength > 0) { // CE -- стереть символ

expression[--currentLength] = '\0';

}

refreshDisplay();

} else if (!inside) {

b.alreadyTouched = false;

}

}

}

delay(33);

}

`

Разбор ключевых элементов кода

Двухстековый парсер. Это сердце проекта. Один стек хранит числа, другой -- операторы. Когда парсер встречает новый оператор, он сначала выполняет все операции с более высоким приоритетом, уже лежащие в стеке. Скобки обрабатываются отдельно: открывающая скобка помещается в стек, а при закрывающей все операции до неё выполняются. Унарный минус обозначен символом '~' и имеет наивысший приоритет.

Структура Button. Каждая кнопка хранит свои экранные координаты, текст для отображения и символ, который добавляется в строку выражения. Флаг alreadyTouched предотвращает повторное срабатывание, пока палец не отпущен.

Калибровка тачскрина. Константы TS_LEFT, TS_RT, TS_TOP, TS_BOT задают соответствие между «сырыми» значениями сенсора и пикселями экрана. Без правильной калибровки нажатия будут попадать не на те кнопки.

Обработка ошибок. Код обнаруживает деление на ноль (E1), несбалансированные скобки (E2) и неверное использование ANS (E3), выводя понятное сообщение вместо зависания.

Советы для занятий

• Начните с калибровки тачскрина -- без неё ничего не заработает
• Попросите учеников сначала нарисовать на бумаге, как работает стековый парсер на примере выражения (2+3)*4
• Предложите добавить кнопку десятичной точки с защитой от двойного нажатия
• Более сильным ученикам -- реализовать функции sin, cos, sqrt
• Обсудите, почему приоритет умножения выше сложения и как это отражено в коде

Как Alashed помогает

Платформа Alashed Hardware включает тренажёры для работы с TFT-дисплеями и сенсорным вводом, а в Alashed CodeStudio можно отлаживать логику парсера выражений до загрузки на реальную плату. Это экономит время на занятиях и позволяет ученикам сосредоточиться на понимании алгоритма.