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Calculadora con funciones

Se asigna una tecla para calcular el valor de una función, en éste caso se sustituye la tecla ‘*’ por una función factorial como ejemplo:

Al presionar la tecla «!» se obtiene el valor del factorial del número.

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Instrucciones Arduino

El archivo de intrucciones modificado a partir de calculadora básica y la función de la tecla escrita al final se muestra a continuación:

// Calculadora tecla factorial 2018.06.24
// blog.espol.edu.ec/edelros
// edelros@espol.edu.ec 

#include <LiquidCrystal_I2C.h> // LCD por I2C 
#include <Wire.h> //comunicación I2C 
#include <Keypad.h> //Teclado

// Pantalla LCD. npxmp FilasxColumnas
const byte mp = 20;
const byte np = 4;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,mp,np); 

// Teclado ntxmt FilasxColumnas
const byte nt = 4; 
const byte mt = 4;
char tabla[nt][mt]={
        {'1', '2', '3', '+'},
        {'4', '5', '6', '-'},
        {'7', '8', '9', '!'},
        {'C', '0', '.', '='}};  
byte PinF[nt] = {7,6,5,4}; 
byte PinC[mt] = {3,2,1,0}; 
Keypad teclado = Keypad(makeKeymap(tabla),
                        PinF,PinC,nt,mt); 

// variables de calculadora
float numA = 0;
float numB = 0;
float resultado = 0; 
String num1, num2;
char operador  = ' ';
int tamano = 0;
byte cualnum = 0;
boolean haypunto = 0;

void setup(){
  // inicializa pantalla
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("Calculadora-Basica");
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("FCNM-ESPOL");
  delay (2000);
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("blog.espol.edu.ec");
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("/matg1052");
  delay (2000);
  lcd.clear();
}

void loop(){
  char tecla = teclado.getKey(); 

  // tecla presionada numero
  if (tecla != NO_KEY){
    if (tecla=='1' || tecla=='2' || tecla=='3' ||
        tecla=='4' || tecla=='5' || tecla=='6' || 
        tecla=='7' || tecla=='8' || tecla=='9' || 
        tecla=='0'){
      if (cualnum <= 1){
        num1 = num1 + tecla;
        cualnum = 1;
        }
      if (cualnum == 2){
        num2 = num2 + tecla;
        }
    }
    
    // tecla punto decimal
    if (tecla=='.' and haypunto==0){
      if (cualnum == 1 or cualnum == 0){
        tamano = num1.length();
        if (tamano == 0)
          {num1= "0.";}
        else
          {num1 = num1 + tecla;}
        }
      if (cualnum == 2){
        tamano = num2.length();
        if (tamano == 0)
          {num2= "0.";}
        else
          {num2 = num2 + tecla;}
        }
      haypunto = 1;
      }
  
    //tecla de Operacion
    if (cualnum >= 1 && (tecla == '+' || 
        tecla == '-' || tecla == '!' || 
        tecla == '/')){
      operador = tecla;
      cualnum = 2;
      haypunto = 0;
      }
  
    // obtener resultado
    if (tecla == '=' && cualnum == 2){
      obtenerresultado();
      }
    // tecla factorial
    if (tecla == '!'){
        resultado = factorial(numA);
        num1 = String(resultado);
        num2 = "";
        cualnum = 2;
        haypunto = 0;
        }
  
    //tecla Borrar C Clear
    if (tecla == 'C'){
      cualnum = 0;
      num1 = "";   num2 = "";
      operador = ' ';
      resultado = 0;
      haypunto = 0;
      }
    numA = num1.toFloat();
    numB = num2.toFloat();
  
    // SALIDA A PANTALLA LCD
    mostrarpantalla();
    }
  }

void obtenerresultado(){
  if (operador == '+') 
    {resultado = numA + numB;}
  if (operador == '-')
    {resultado = numA - numB;}
  if (operador == '*')
    {resultado = numA * numB;}
  if (operador == '/')
    {resultado = numA / numB;}
  num1 = String(resultado);
  num2 = "";
  cualnum = 2;
  haypunto = 0;
  }

void mostrarpantalla(){
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0,0);
    // muestra decimales = 3
    lcd.print(numA,3);
    if (numB!=0){
      lcd.setCursor(0,1);
      lcd.print(numB,3);    
      }
    lcd.setCursor(mp-2,0);
    lcd.print(operador);
  }


// ------ Funcion Factorial ----
float factorial(float n){
    float resultado = 1;
    int i = 2;
    for (i = 2; i<=n; i++){
        resultado = resultado*i;
    }
    return resultado;
}
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Calculadora Básica-LCD y Teclado4x4

Como proyecto base se usa una calculadora básica para números reales (float).

Los componentes usados son los que tenía disponible, pueden usarse otros modelos de arduino, otros tamaños de pantalla.

La lista de componentes es:

Componentes
Descripción Unidades Observacion
Teclado 4×4 1 de membrana
Pantalla LCD 20×4 ó 16×2 1 o la que esté disponible
Módulo I2C para la pantalla 1 compatible con la pantalla LCD si no lo tiene integrado
Arduino Uno o equivalente y cable USB 1 o el modelo que esté disponible
cable Conector hembra – macho 4 para conectar el I2C al arduino
Espadines o conector macho-macho 8 pines para conectar el teclado al arduino

El módulo I2C facilita la conexión con menos cables: usando las señales SDA (Serial Data) y SCL (Serial Clock), y las de alimentación Vcc (5V) y GND.

El prototipo puede ser adaptado a otros modelos de pantallas, teclados y arduinos, debe cambiar las variables que controlan el display, el teclado o las entradas en los arduinos.

Librerías Arduino

Las librerías usadas para el manejo de los módulos del prototipo, en caso de no encontrarse disponibles en el Programa Arduino

Librería para pantalla LCD con I2C

Librería para teclado

Instrucciones en Arduino

Instrucciones básicas para operaciones de suma, resta y multiplicación, ver distribución del teclado.

// Calculadora Básica 2018.06.24
// blog.espol.edu.ec/edelros
// edelros@espol.edu.ec 

#include <LiquidCrystal_I2C.h> // LCD por I2C 
#include <Wire.h> //comunicación I2C 
#include <Keypad.h> //Teclado

// Pantalla LCD. npxmp FilasxColumnas
const byte mp = 20;
const byte np = 4;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,mp,np); 

// Teclado ntxmt FilasxColumnas
const byte nt = 4; 
const byte mt = 4;
char tabla[nt][mt]={
        {'1', '2', '3', '+'},
        {'4', '5', '6', '-'},
        {'7', '8', '9', '*'},
        {'C', '0', '.', '='}};  
byte PinF[nt] = {7,6,5,4}; 
byte PinC[mt] = {3,2,1,0}; 
Keypad teclado = Keypad(makeKeymap(tabla),
                        PinF,PinC,nt,mt); 

// variables de calculadora
float numA = 0;
float numB = 0;
float resultado = 0; 
String num1, num2;
char operador  = ' ';
int tamano = 0;
byte cualnum = 0;
boolean haypunto = 0;


void setup(){
  // inicializa pantalla
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("Calculadora-Basica");
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("FCNM-ESPOL");
  delay (2000);
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("blog.espol.edu.ec");
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("/matg1052");
  delay (2000);
  lcd.clear();
}

void loop(){
  char tecla = teclado.getKey(); 

  // tecla presionada numero
  if (tecla != NO_KEY){
    if (tecla=='1' || tecla=='2' || tecla=='3' ||
        tecla=='4' || tecla=='5' || tecla=='6' || 
        tecla=='7' || tecla=='8' || tecla=='9' || 
        tecla=='0'){
      if (cualnum <= 1){
        num1 = num1 + tecla;
        cualnum = 1;
        }
      if (cualnum == 2){
        num2 = num2 + tecla;
        }
    }
    
    // tecla punto decimal
    if (tecla=='.' and haypunto==0){
      if (cualnum == 1 or cualnum == 0){
        tamano = num1.length();
        if (tamano == 0)
          {num1= "0.";}
        else
          {num1 = num1 + tecla;}
        }
      if (cualnum == 2){
        tamano = num2.length();
        if (tamano == 0)
          {num2= "0.";}
        else
          {num2 = num2 + tecla;}
        }
      haypunto = 1;
      }
  
    //tecla de Operacion
    if (cualnum >= 1 && (tecla == '+' || 
        tecla == '-' || tecla == '*' || 
        tecla == '/')){
      operador = tecla;
      cualnum = 2;
      haypunto = 0;
      }
  
    // obtener resultado
    if (tecla == '=' && cualnum == 2){
      obtenerresultado();
      }
  
    //tecla Borrar C Clear
    if (tecla == 'C'){
      cualnum = 0;
      num1 = "";   num2 = "";
      operador = ' ';
      resultado = 0;
      haypunto = 0;
      }
    numA = num1.toFloat();
    numB = num2.toFloat();
  
    // SALIDA A PANTALLA LCD
    mostrarpantalla();
    }
  }

void obtenerresultado(){
  if (operador == '+') 
    {resultado = numA + numB;}
  if (operador == '-')
    {resultado = numA - numB;}
  if (operador == '*')
    {resultado = numA * numB;}
  if (operador == '/')
    {resultado = numA / numB;}
  num1 = String(resultado);
  num2 = "";
  cualnum = 2;
  haypunto = 0;
  }


void mostrarpantalla(){
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0,0);
    // muestra decimales = 3
    lcd.print(numA,3);
    if (numB!=0){
      lcd.setCursor(0,1);
      lcd.print(numB,3);    
      }
    lcd.setCursor(mp-2,0);
    lcd.print(operador);
  }
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Funciones personalizadas en Arduino, Entrada/salida serie

Componentes: Arduino, cable USB.

Una forma de usar funciones personalizadas para cálculo en arduino, consiste en serparar las instrucciones de cálculo como una función separada del bloque/lazo principal.

Por ejemplo, se puede usar la forma polinómica de la serie de Taylor para una función no disponible de cálculos con la precisión deseada.

La operatividad se muestra usando como ejemplo la función factorial(),   enviando y recibiendo los valores por medio de la conexión por USB y el «monitor serie». Ejemplo:

Observe que se encuentra habilitado el uso de «nueva línea» y «cambio de línea» (NL & CR) , para que al presionar «ENTER» se considera ingresado todos los dígitos del número.

Funciones para cálculos

Para el ejemplo, se realiza el cálculo del factorial:

n! = 1 x 2 x 3 x … x n

float factorial(float n){
    float resultado = 1;
    int i = 2;
    for (i = 2; i<=n; i++){
        resultado = resultado*i;
    }
    return resultado;
}

En el resultado, la cantidad de dígitos  se extiende usando el tipo real (float). Como práctica,  cambie la variable resultado a tipo entero (int), actualice el programa en el arduino, y calcule para números mayores  a 7; observe y explique el resultado.

Envío y recepción de datos con «monitor Serie»

La prueba de la función se simplifica enviando y recibiendo datos por la conexión USB. La variable mensaje almacena un caracter enviado al arduino, validando que sea un dígito entre 0 y 9. Al presionar «ENTER» se cierra el mensaje, se cambia el valor a número a entero y se procede a usar la función factorial para mostrar el resultado.

// funciones personalizadas para cálculo
// ingreso y salida por 'monitor serial'
// el mensaje se procesa por dígitos hasta presional ENTER
//    y se convierte a número

String mensaje = "";
void setup() {
    Serial.begin(9600);
    // espera por conexion serial-USB
    while (!Serial) {}
    Serial.println("\n calcular funcion(): \n");
}
void loop() {
    int uncaracter = 0;
    float numero = 0;
    float resultado = 0.0;
    while (Serial.available() > 0) {
        uncaracter = Serial.read();
        if (isDigit(uncaracter)) {
            mensaje = mensaje + (char)uncaracter;
        }
        if (uncaracter == '.') {
            mensaje = mensaje + (char)uncaracter;
        }
        if (uncaracter == '\n') {
            numero = mensaje.toInt();
            Serial.print("mensaje: ");
            Serial.println(mensaje);
            Serial.print("numero es: ");
            Serial.println(numero);

            // bloque de función matematica
            resultado = factorial(numero);
            Serial.print("factorial(numero): ");
            Serial.println(resultado);
            mensaje = "";
        }
    }
}

float factorial(float n){
    float resultado = 1;
    int i = 2;
    for (i = 2; i<=n; i++){
        resultado = resultado*i;
    }
    return resultado;
}

Para probar otras funciones, modifique los mensajes siguiendo el contexto del problema a resolver.

Funciones con números reales

Siguiendo el ejemplo de Polinomio de Taylor para el coseno(), en este caso el número de ingreso y salida son es reales (float). El esquema de la función es muy semejante.

1.4 Taylor-polinomio Ejemplo01

// funciones personalizadas para cálculo
// ingreso y salida por 'monitor serial'
// el mensaje se procesa por dígitos número hasta presional ENTER
//    y se convierte a número, para usar la función

String mensaje = "";
void setup() {
    Serial.begin(9600);
    // espera por conexion serial-USB
    while (!Serial) {}
    Serial.println("\n calcular funcion(): \n");
}
void loop() {
    int uncaracter = 0;
    float numero = 0.0;
    double resultado = 0.0;
    while (Serial.available() > 0) {
        uncaracter = Serial.read();
        if (isDigit(uncaracter)) {
            mensaje = mensaje + (char)uncaracter;
        }
        if (uncaracter == '.') {
            mensaje = mensaje + (char)uncaracter;
        }
        if (uncaracter == '\n') {
            numero = mensaje.toFloat();
            Serial.print("mensaje: ");
            Serial.println(mensaje);
            Serial.print("numero es: ");
            Serial.println(numero);

            // bloque de función matematica
            resultado = poliTaylor(numero);
            Serial.print("poliTaylor(numero): ");
            Serial.println(resultado,4);
            Serial.println(cos(numero),4);
            mensaje = "";
        }
    }
}

float poliTaylor(float x){
    float resultado;
    float x0=0.0;
    resultado = 1 - 0.5*(x-x0)*(x-x0); 
    return resultado;
}

Referencias:

Arduino Serial read , Arduino lista de funciones básicas .