Arduino利用键盘矩阵实现计算器

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了Arduino利用键盘矩阵实现计算器。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

运行结果演示

Arduino利用键盘矩阵实现计算器

基本思路

基本结构

Arduino利用键盘矩阵实现计算器

键盘数据读入

运算实现原理

为了实现复杂的四则运算,首先需要考虑的是算数符号以及括号的优先级。具体实现流程如下:

  1. 如果是数字,则压入操作数栈中
  2. 如果是运算符,则有两种情况:
    ①如果运算符栈为空,则将其压入运算符栈中
    ②如果不为空,则比较其与运算符栈中的优先级,如果大于则压入栈中,否则从操作数栈中取出两个数进行相应计算
  3. 如果为* ) * ,取出操作数栈中两个数与运算符栈中运算符计算,结果压入操作数栈中。直至遇到* )*
  4. 将剩余操作数与运算符进行运算,直至操作数栈为空

实现准备

为了实现运算,需要准备简单的栈结构及其基本操作:

/*
  简易栈实现
*/
int stackNum[255] = { 0 };
int stackNumTopIndex = -1;

char stackChar[255] = {};
int stackCharTopIndex = -1;

void pushNumStack(int num) {
	stackNum[++stackNumTopIndex] = num;
}

void pushCharStack(char op)
{
	stackChar[++stackCharTopIndex] = op;
}

bool isEmptyOfNumStack()
{
	return stackNumTopIndex == -1;
}

bool isEmptyOfCharStack()
{
	return stackCharTopIndex == -1;
}

int popNumStack() {
	if (isEmptyOfNumStack()) {
		return -1;
	}
	return stackNum[stackNumTopIndex--];
}

char popCharStack()
{
	if (isEmptyOfCharStack()) {
		return '!';
	}
	return stackChar[stackCharTopIndex--];
}

int peekNumStack()
{
	return stackNum[stackNumTopIndex];
}

int peekCharStack() 
{
	return stackChar[stackCharTopIndex];
}

接着,实现对数据的一些基本功能函数

/*
 * 数据处理
*/

//获取算数符号优先级
int getPriority(char op)
{
	int level = 0;

	switch (op)
	{
	case '(':
		level = 1;
		break;
	case '+':
	case '-':
		level = 2;
		break;
	case '*':
	case '/':
		level = 3;
		break;
	default:
		break;
	}

	return level;
}

//是否是算数运算符
bool isOperator(char op) 
{
	if ( op== '+' || op == '-' || op == '*' || op == '/') {
		return true;
	}
	else {
		return false;
	}
}

//进行相应计算
int Calculate(int lNum, char op, int rNum)
{
	int result = 0;

	switch (op)
	{
	case '+':
		result = lNum + rNum;
		break;
	case '-':
		result = lNum - rNum;
		break;
	case '*':
		result = lNum * rNum;
		break;
	case '/':
		if (rNum != 0) {
			result = lNum / rNum;
		}
		break;
	default:
		break;
	}
	return result;
}

表达式运算代码

int getNum(string str) {

	int result = 0;
	int lNum, rNum;
	int num = 0;
	char op;


	for (int i = 0; i < str.length();) {
		if (isdigit(str[i])) {
			//读入之后字符,判断是否为数字
			num = 0;
			while (isdigit(str[i])) {
				num = num * 10 + (str[i] - '0');
				i++;
			}
			pushNumStack(num);
		}
		else if (str[i] == '(') {
			pushCharStack(str[i++]);
		}
		else if (isOperator(str[i])) {    //运算符
			//符号栈为空,将运算符压入栈中
			if (isEmptyOfCharStack()) {
				pushCharStack(str[i++]);
			}
			else {
				while (!isEmptyOfCharStack()) {
					//优先级低于或等于进行计算,得数压入数据栈中
					if (getPriority(str[i]) <= getPriority(peekCharStack())) {
						rNum = popNumStack();
						lNum = popNumStack();
						op = popCharStack();
						pushNumStack(Calculate(lNum,op,rNum));
					}else {
						break;
					}
				}
				pushCharStack(str[i++]);
			}
		}
		else if (str[i] == ')') {
			while (peekCharStack() != '(') {
				op = popCharStack();   //取出栈顶操作符
				int rNum = popNumStack();
				int lNum = popNumStack();
				result = 0;
				result = Calculate(lNum, op, rNum);
				pushNumStack(result);
			}
			popCharStack();  //弹出(
			i++;
		}
	}
	
	while (!isEmptyOfCharStack())
	{
		op = popCharStack();
		int rNum = popNumStack();
		int lNum = popNumStack();

		result = 0;
		result = Calculate(lNum, op, rNum);
		pushNumStack(result);
 	}
	return popNumStack();
}

完整代码

//引入键盘处理库 --> 第三方库
#include <Keypad.h>

/*
  简易栈实现
*/
int stackNum[255] = { 0 };
int stackNumTopIndex = -1;

char stackChar[255] = {};
int stackCharTopIndex = -1;

void pushNumStack(int num) {
  stackNum[++stackNumTopIndex] = num;
}

void pushCharStack(char op)
{
  stackChar[++stackCharTopIndex] = op;
}


bool isEmptyOfNumStack()
{
  return stackNumTopIndex == -1;
}

bool isEmptyOfCharStack()
{
  return stackCharTopIndex == -1;
}

int popNumStack() {
  if (isEmptyOfNumStack()) {
    return -1;
  }
  return stackNum[stackNumTopIndex--];
}

char popCharStack()
{
  if (isEmptyOfCharStack()) {
    return '!';
  }
  return stackChar[stackCharTopIndex--];
}

int peekNumStack()
{
  return stackNum[stackNumTopIndex];
}

int peekCharStack() 
{
  return stackChar[stackCharTopIndex];
}


/*
 * 数据处理
*/

//获取算数符号优先级
int getPriority(char op)
{
  int level = 0;

  switch (op)
  {
  case '(':
    level = 1;
    break;
  case '+':
  case '-':
    level = 2;
    break;
  case '*':
  case '/':
    level = 3;
    break;
  default:
    break;
  }

  return level;
}

//是否是算数运算符
bool isOperator(char op) 
{
  if ( op== '+' || op == '-' || op == '*' || op == '/') {
    return true;
  }
  else {
    return false;
  }
}

//进行相应计算
int Calculate(int lNum, char op, int rNum)
{
  int result = 0;

  switch (op)
  {
  case '+':
    result = lNum + rNum;
    break;
  case '-':
    result = lNum - rNum;
    break;
  case '*':
    result = lNum * rNum;
    break;
  case '/':
    if (rNum != 0) {
      result = lNum / rNum;
    }
    break;
  default:
    break;
  }
  return result;
}


//字符串数字拼接
/*
  拆分表达式并计算
*/
int getNum(String str) {

  int result = 0;
  int lNum, rNum;
  int num = 0;
  char op;


  for (int i = 0; i < str.length();) {
    if (isdigit(str[i])) {
      //读入之后字符,判断是否为数字
      num = 0;
      while (isdigit(str[i])) {
        num = num * 10 + (str[i] - '0');
        i++;
      }
      pushNumStack(num);
    }
    else if (str[i] == '(') {
      pushCharStack(str[i++]);
    }
    else if (isOperator(str[i])) {    //运算符
      //符号栈为空,将运算符压入栈中
      if (isEmptyOfCharStack()) {
        pushCharStack(str[i++]);
      }
      else {
        while (!isEmptyOfCharStack()) {
          //优先级低于或等于进行计算,得数压入数据栈中
          if (getPriority(str[i]) <= getPriority(peekCharStack())) {
            rNum = popNumStack();
            lNum = popNumStack();
            op = popCharStack();
            pushNumStack(Calculate(lNum,op,rNum));
          }else {
            break;
          }
        }
        pushCharStack(str[i++]);
      }
    }
    else if (str[i] == ')') {
      while (peekCharStack() != '(') {
        op = popCharStack();   //取出栈顶操作符
        int rNum = popNumStack();
        int lNum = popNumStack();
        result = 0;
        result = Calculate(lNum, op, rNum);
        pushNumStack(result);
      }
      popCharStack();  //弹出(
      i++;
    }
  }
  

  while (!isEmptyOfCharStack())
  {
    op = popCharStack();
    int rNum = popNumStack();
    int lNum = popNumStack();

    result = 0;
    result = Calculate(lNum, op, rNum);
    pushNumStack(result);
  }
  return popNumStack();
}


//读取用户输入值
String getExpression(){
  String res = "";

  //读取串口监视器中表达式
  while(true){
    int in = Serial.read();
    if(in != -1){
      if(in == '='){
        break;
      }else{
        res = res +(char)in; 
      } 
    }
  }
  return res;
}


//矩阵键盘设置

const byte rows = 4; //four rows
const byte cols = 4; //three columns
char keys[rows][cols] = {
  {'1','2','3','+'},
  {'4','5','6','-'},
  {'7','8','9','*'},
  {'D','0','=','/'}
};
byte rowPins[rows] = {9, 8, 7, 6}; //connect to the row pinouts of the keypad
byte colPins[cols] = {5, 4, 3, 2}; //connect to the column pinouts of the keypad
Keypad keypad = Keypad( makeKeymap(keys), rowPins, colPins, rows, cols );



String getExpressionFromKeyBoard(){
  String res = "";
  while(true){
    char key = keypad.getKey();   //获取当前输入字符 
    if(key && key != '=' && key != 'D'){
       res += key;
       Serial.print("当前输入表达式:");
      Serial.println(res);
    }else if(key && key == '='){
       break;
    }else if(key && key == 'D'){
      res = res.substring(0,res.length()-1);
      Serial.print("当前输入表达式:");
      Serial.println(res);
    }
  }
  Serial.println();
  return res;
}

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  String expression = getExpressionFromKeyBoard();
  Serial.print("当前表达式:");
  Serial.println(expression);

  Serial.print("运算结果为:");
  int res = getNum(expression);
  Serial.println(res);
}

总结

此代码仅仅对于算数计算做出了详细解释,对于Arduino与矩阵之间的连接电路以及按键读取未做出详细解释。
其相应的接线方式可参照代码中对应接口进行连接。同时,键盘键位有限,不能将本程序完全演示完毕(可包含括号运算,支持复杂算术运算)
文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-409710.html

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