متغیرها و انواع داده در آردوینو

تا حالا در اسکچ‌ها فقط اعداد ثابت دیدید: پین ۸، تأخیر ۱۰۰۰. برنامهٔ واقعی اطلاعاتی دارد که تغییر می‌کنند — شمارنده، زمان، نتیجهٔ خواندن یک سنسور. در این درس «متغیر» (Variable) را یاد می‌گیرید؛ خانه‌ای نام‌دار در حافظهٔ میکروکنترلر که مقداری از یک نوع مشخص نگه می‌دارد. آردوینو با زبان C++ برنامه‌نویسی می‌شود و انواع دادهٔ آن دقت و محدودهٔ متفاوتی دارند؛ انتخاب اشتباه نوع، رایج‌ترین علت مقادیر عجیب در برنامه‌های مبتدیان است.

تعریف متغیر و قواعد نام‌گذاری

یک متغیر با سه چیز ساخته می‌شود: نوع، نام و مقدار اولیه:

int counter = 0;        // Declare an int variable named counter
float voltage = 4.85;   // Declare a float variable named voltage

نام متغیر (Identifier) قواعدی دارد: فقط حروف انگلیسی، رقم و خط زیر (_) مجاز است؛ نام با رقم شروع نمی‌شود؛ بزرگی و کوچکی حرف مهم است (count و Count دو متغیر متفاوت‌اند) و نمی‌توانید از کلمات رزروشدهٔ زبان مثل int یا if استفاده کنید. نام را معنادار بگذارید: elapsedMs از x بهتر است، چون سه ماه بعد هم می‌فهمید چیست.

انواع دادهٔ پرکاربرد در Uno

هر نوع، اندازه‌ای از حافظه و محدوده‌ای از مقادیر دارد. روی برد Uno (میکروکنترلر ATmega328P با کامپایلر avr-gcc) این اندازه‌ها به این شکل‌اند:

نکتهٔ کلیدی همین جدول است: در برخی رایانه‌ها int چهار بایت است، اما روی Uno فقط ۲ بایت است و پس از ۳۲۷۶۷ سرریز می‌شود. برای زمان بر حسب میلی‌ثانیه (که در چند ساعت به میلیون‌ها می‌رسد) باید unsigned long بگیرید، نه int.

ثابت‌ها: const بهتر از define است

هر مقداری که در طول اجرای برنامه نباید تغییر کند را «ثابت» (Constant) کنید تا کامپایلر از تغییر تصادفی‌اش جلوگیری کند:

const int LED_PIN = 8;           // Recommended: a typed constant
#define DELAY_MS 1000            // Old style: a text replacement

هر دو کار می‌کنند، اما const بهتر است، به این دلایل:

• const نوع دارد (int)؛ پس کامپایلر خطای نوع را می‌گیرد. #define فقط متن را جایگزین می‌کند و خطاهایش پیام‌های گیج‌کننده‌ای می‌سازند.
• const محدوده (Scope) دارد و داخل تابع هم تعریف می‌شود؛ #define از نقطهٔ تعریف تا آخر فایل همه‌جا اثر می‌گذارد.
• در پیام‌های خطا، نامِ ثابتِ const قابل‌فهم باقی می‌ماند.

در کدهای قدیمی اینترنتی زیاد #define می‌بینید؛ بخوانید و بفهمید، اما در کد خودتان const بنویسید.

اسکچ: شمارندهٔ چشمک‌زن با خروجی سریال

این اسکچ را آپلود کنید و «سریال مانیتور» (Serial Monitor) را از آیکن ذره‌بین در گوشهٔ بالا-راست IDE باز کنید؛ بادریت را همان 9600 که در کد نوشته‌اید انتخاب کنید:

const int LED_PIN = 8;   // External LED on pin 8
const int DELAY_MS = 500;

int count = 0;  // Blink counter, starts at zero

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);  // Start serial communication at 9600 baud
}

void loop() {
  count = count + 1;  // Increase the counter by one
  Serial.print("Count: ");
  Serial.println(count);

  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  delay(DELAY_MS);
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  delay(DELAY_MS);
}

توضیح نکته‌های تازه:

1. count = count + 1; — مقدار فعلی count خوانده می‌شود، یکی اضافه می‌شود و نتیجه دوباره در همان متغیر ذخیره می‌شود. میان‌بر رایج همین خط count++; است.
2. Serial.begin(9600); — ارتباط سریال را با نرخ ۹۶۰۰ بیت بر ثانیه راه می‌اندازد؛ فقط یک بار در setup().
3. Serial.print("Count: "); — عبارت را بدون خط جدید چاپ می‌کند؛ Serial.println(count); عدد را می‌چاپد و خط را می‌شکند. جمع این دو، هر چشمک را یک خط می‌کند.

خروجی سریال مانیتور قطعی است و به این شکل ادامه دارد:

این خط‌ها تا وقتی برد روشن است ادامه پیدا می‌کنند و هر چشمک LED یکی دیگر را اضافه می‌کند.

سرریز و دقت اعشاری

دو تلهٔ عددی که باید از همین حالا بشناسید:

• سرریز (Overflow) — هر نوع سقفی دارد و عبور از سقف، مقدار را از آن‌سوی محدوده می‌اندازد. یک int با مقدار ۳۲۷۶۷ روی Uno، با یک افزایش به −۳۲۷۶۸ تبدیل می‌شود؛ یعنی شمارندهٔ شما ناگهان منفی می‌شود. راه‌حل: برای مقادیر بزرگ long یا unsigned long بگیرید.
• دقت float — float اعشاری دقیق نیست و فقط حدود ۶ تا ۷ رقم معنادار دارد. جمع‌کردن پیاپی مقادیر اعشاری کوچک، خطا انباشته می‌کند؛ برای همین است که مقایسهٔ دو float با == معمولاً بی‌جواب می‌ماند و باید اختلاف‌شان را با یک حد کوچک بسنجید.

اشتباهات رایج و عیب‌یابی

تمرین‌ها

const int LED_PIN = 8;
const int DELAY_MS = 500;

int count = 0;  // Blink counter, restarts after ten

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  count = count + 1;
  if (count > 10) {
    count = 1;  // Restart the count after ten blinks
  }
  Serial.print("Count: ");
  Serial.println(count);

  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  delay(DELAY_MS);
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  delay(DELAY_MS);
}

::: :::

خلاصه

• متغیر خانه‌ای نام‌دار در حافظه است؛ با نوع و نام و مقدار اولیه تعریف می‌شود.
• روی Uno مقدار int دو بایت است و پس از ۳۲۷۶۷ سرریز می‌شود؛ زمان میلی‌ثانیه‌ای را با unsigned long نگه دارید.
• float فقط حدود ۶ تا ۷ رقم دقت دارد و برای مقایسهٔ دقیق مناسب نیست.
• ثابت‌ها را با const تعریف کنید؛ نوع‌دار و محدود به همان بخش از کد است و خطاها را خواناتر نشان می‌دهد.
• نام متغیر با رقم شروع نمی‌شود، بزرگی و کوچکی حروف مهم است و نام باید معنا داشته باشد.

حالا می‌توانید داده نگه دارید؛ گام بعدی تصمیم‌گرفتن است: اگر عددی بیشتر از چیزی بود چه؟ در درس بعدی با شرط‌ها و حلقه‌ها برنامه‌ها را هوشمند می‌کنید.