第三次blog
pta大作业总结
目录
一.前言
二.题目解析
三.总结
前言
这次的blog说实话有点时间有点赶，毕竟正值期末考试时间，本来都在复习，没有时间来写blog，所以写的会有些紧急，可能会有些潦草，但也是没办法，其实后两周的pta也没有太关注，是真的没时间写。
题目分析
第一题
智能家居是在当下家庭中越来越流行的一种配置方案，它通过物联网技术将家中的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、影音服务器、影柜系统、网络家电等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，提供全方位的信息交互功能。请根据如下要去设计一个智能家居强电电路模拟系统。以下题目介绍中加粗的部分为本次迭代在“家居强电电路模拟程序-2”的基础上增加的功能要求。
1、控制设备
本题模拟的控制设备包括：开关、分档调速器、连续调速器、互斥开关。
开关：包括0和1两种状态。
开关有两个引脚，任意一个引脚都可以是输入引脚（接往电源端），而另一个则是输出引脚（接网接地端）。开关状态为0时，无论输入电位是多少，输出引脚电位为0。当开关状态为1时，输出引脚电位等于输入电位。
互斥开关：
互斥开关有3个引脚：1个是汇总引脚，另两个是分支引脚。
开关电路示意图如图1所示，左边是汇总引脚，编号为1；右边两个是分支引脚，右上的输出引脚为2，右下输出引脚为3。图中1、2、3引脚均可以是输入引脚，当1为输入引脚时，2、3引脚为输出引脚；1为输出引脚时，2、3引脚为输入引脚。
互斥开关只有两种状态：开关接往上面的2号引脚、接往下面的3号引脚。开关每次只能接通其中一个分支引脚，而另一个分支引脚处于断开状态。
互斥开关的默认状态为1、2引脚接通，1、3引脚断开。
图1中所示的互斥开关可以反过来接入电路，即汇总引脚接往接地端，两个分支引脚接往电源端。
image.png
图1 互斥开关
为避免短路，互斥开关设置了限流电阻，12引脚之间默认电阻为5，13引脚之间默认电阻为10。
分档调速器
按档位调整，常见的有3档、4档、5档调速器，档位值从0档-2（3/4）档变化。本次迭代模拟4档调速器，每个档位的输出电位分别为0、0.3、0.6、0.9倍的输入电压。
连续调速器
没有固定档位，按位置比例得到档位参数，数值范围在[0.00-1.00]之间，含两位小数。输出电位为档位参数乘以输入电压。
所有调速器都有两个引脚，一个固定的输入（引脚编号为1）、一个输出引脚（引脚编号为2）。当输入电位为0时，输出引脚输出的电位固定为0，不受各类开关调节的影响。
开关、调速器的初始状态/档位为0。
调速器的输入引脚编号为1，输出引脚编号为2。
除互斥开关外，其他控制设备的电阻为 0。
2、受控设备
本题模拟的受控设备包括：灯、风扇。两种设备都有两根引脚，通过两根引脚电压的电压差驱动设备工作。
灯有两种工作状态：亮、灭。在亮的状态下，有的灯会因引脚电位差的不同亮度会有区别。
风扇在接电后有两种工作状态：停止、转动。风扇的转速会因引脚间电位差的不同而有区别。
本次迭代模拟两种灯具。
白炽灯：
亮度在0~200lux（流明）之间。
电位差为0-9V时亮度为0,其他电位差按比例，电位差10V对应50ux，220V对应200lux，其他电位差与对应亮度值成正比。白炽灯超过220V。
日光灯：
亮度为180lux。
只有两种状态，电位差为0时，亮度为0，电位差不为0，亮度为180。
本次迭代模拟两种风扇。
吊扇：
工作电压区间为80V-150V，对应转速区间为80-360转/分钟。80V对应转速为80转/分钟，150V对应转速为360转/分钟，超过150V转速为360转/分钟（本次迭代暂不考虑电压超标的异常情况）。其他电压值与转速成正比，输入输出电位差小于80V时转速为0。
落地扇：
工作电压区间为 80V-150V，对应转速区间为 80-360 转/分钟；[80V,100V) 对应转速为 80 转/分钟；[100,120)V 对应转速为 160 转/分钟；[120,140)V 对应转速为 260 转/分钟；大于等于 140V 转速 为 360 转/分钟（本次迭代暂不考虑电压超标的异常情况）。
本次迭代模拟一种受控窗帘：
受控窗帘的电路符号为S，其最低工作电压为50V，电压达到或超过50V，窗帘即可正常工作，不考虑室外光照强度和室内空间大小等因素，窗帘受室内灯光的光照强度控制。
当电路中所有灯光的光照强度总和在[0,50)lux范围内，窗帘全开；
在[50,100)lux范围内，窗帘打开比例为0.8；
在[100,200)lux范围内，窗帘打开比例为0.6；
在[200,300)lux范围内，窗帘打开比例为0.4；
在[300,400)lux范围内，窗帘打开比例为0.2；
在400lux及以上范围内，窗帘关闭。
当电压低于50V，窗帘不工作，默认为全开状态。
如果电路中没有灯或者灯全部关闭，光照强度为0，窗帘处于全开状态。
受控设备电阻：白炽灯的电阻为 10，日光灯的电阻为 5，吊扇的电阻为 20，落地扇的电阻为 20，窗帘电阻为15。
3、输入信息
1）输入设备信息
分别用设备标识符K、F、L、B、R、D、A、H、S分别表示开关、分档调速器、连续调速器、白炽灯、日光灯、吊扇、落地扇、互斥开关、受控窗帘。
设备标识用标识符+编号表示，如K1、F3、L2等。
引脚格式：设备标识-引脚编号，例如：K1-1标识编号为1的开关的输入引脚。
开关、分档调速器、连续调速器的输入引脚编号为1，输出引脚编号为2。
受控设备的两个引脚编号分别为1、2。
互斥开关的引脚编号已经在互斥开关的介绍部分说明。
约束条件：
不同设备的编号可以相同。
同种设备的编号可以不连续。
设备信息不单独输入，包含在连接信息中。
2）输入连接信息
一条连接信息占一行，用[]表示一组连接在一起的设备引脚，引脚与引脚之间用英文空格" "分隔。
格式："["+引脚号+" "+引脚号+"]"
例如：[K1-1 K3-2]表示K1的1引脚，K3的2引脚连接在一起。
约束条件：
不考虑调速器串联到其他调速器的情况。
考虑各类设备的并联接入。例如，K1 的输出接到 L2 的输入，L2 的输出再接其他设备属于串联接线。K1 的输出接到 L2 的输出，同时 K1 的输入接到 L2 的输入，这种情况属于并联。
本次迭代的连接信息不单独输入，包含在线路信息中。
3）输入控制设备调节信息
开关、互斥开关调节信息格式：
+设备标识K+设备编号，例如：#K2，代表切换K2开关的状态。
+设备标识H+设备编号，例如：#H2，代表切换H2互斥开关的状态。
分档调速器的调节信息格式：
+设备标识F+设备编号+"+" 代表加一档，例如：#F3+，代表F3输出加一档。
+设备标识F+设备编号+"-" 代表减一档，例如：#F1-，代表F1输出减一档。
连续调速器的调节信息格式：
+设备标识L+设备编号+":" +数值 代表将连续调速器的档位设置到对应数值，例如：#L3:0.6，代表L3输出档位参数0.6。
4）电源接地标识：
VCC，电压220V，GND，电压0V。没有接线的引脚默认接地，电压为0V。
5）输入串联电路信息
一条串联电路占一行，串联电路由按从靠电源端到接地端顺序依次输入的 n 个连接 信息组成，连接信息之间用英文空格" "分隔。
串联电路信息格式：
"#T"+电路编号+":"+连接信息+" "+连接信息+...+" "+连接信息
例如：#T1:[IN K1-1] [K1-2 D2-1] [D2-2 OUT] 一个串联电路的第一个引脚是 IN，代表起始端，靠电源。最后一个引脚是 OUT，代表结尾端， 靠接地。
约束条件：
不同的串联电路信息编号不同。
输入的最后一条电路信息必定是总电路信息，总电路信息的起始引脚是 VCC，结束引脚是 GND。
连接信息中的引脚可能是一条串联或并联电路的 IN 或者 OUT。例如：
T1:[IN K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT OUT]
T1:[IN K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT M2-IN] [M2-OUT OUT]
6）输入并联电路信息
一条并联电路占一行，并联电路由其包含的几条串联电路组成，串联电路标识之间用英文空格" "分隔。
格式：
"#M"+电路编号+":"+”[”+串联电路信息+" "+....+" "+串联电路信息+”]”
例如：#M1:[T1 T2 T3]
该例声明了一个并联电路，由 T1、T2、T3 三条串联电路并联而成，三条串联电路的 IN 短 接在一起构成 M1 的 IN，三条串联电路的 OUT 短接在一起构成 M1 的 OUT。
约束条件：
本次迭代不考虑并联电路中包含并联电路的情况。
本题不考虑输入电压或电压差超过220V的情况。
输入信息以end为结束标志，忽略end之后的输入信息。
本题中的并联信息所包含的串联电路的信息都在并联信息之前输入，不考虑乱序输入的情况。
只要不因短路而造成无穷大的电流烧坏电路(如电路中的部分短接)，都是合理情况，在测试点的考虑范围之内。会造成无穷大的电流的短路本次迭代不考虑。
本次迭代考虑多个并联电路串联在一起的情况。
本题考虑一条串联电路中包含其他串联电路的情况。例如：
T3:[VCC K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT K2-1] [K2-2 T1-IN] [T1-OUT GND]
本例中T1\T2两条串联电路T3的一个部分，本题考虑这种类型的输入。
4、输出信息：
按开关、分档调速器、连续调速器、白炽灯、日光灯、吊扇、互斥开关、受控窗帘的顺序依次输出所有设备的状态或参数。每个设备一行。同类设备按编号顺序从小到大输出。
输出格式：
@设备标识+设备编号+":" +设备参数值（控制开关的档位或状态、灯的亮度、风扇的转速，只输出值，不输出单位）
连续调速器的档位信息保留两位小数，即使小数为0，依然显示两位小数.00。
开关状态为0（打开）时显示turned on，状态为1（合上）时显示closed
如：
@K1:turned on
@B1:190
@L1:0.60
互斥开关显示1、2引脚的接通状态，接通时显示closed，断开时显示turned on。
如：
@H1:turned on
受控窗帘显示窗帘打开的百分比，如：
@S1:80%
5、家居电路模拟系列所有题目的默认规则：
1）当计算电压值等数值的过程中，最终结果出现小数时，用截尾规则去掉小数部分，只保留整数部分。为避免精度的误差，所有有可能出现小数的数值用double类型保存并计算，不要作下转型数据类型转换，例如电压、转速、亮度等，只有在最后输出时再把计算结果按截尾规则，舍弃尾数，保留整数输出。
2）所有连接信息按电路从电源到接地的顺序依次输入，不会出现错位的情况。电源VCC一定是第一个连接的第一项，接地GND一定是最后一个连接的后一项。
3）连接信息如果只包含两个引脚，靠电源端的引脚在前，靠接地端的在后。
4）调速器的输入端只会直连VCC，不会接其他设备。整个电路最多只有连接在电源上的一个调速器，且不包含在并联单路中。
6、家居电路模拟系列1-4题目后续迭代设计：
1）电路结构变化：
迭代1：只有一条线路，所有元件串联
迭代2：线路中包含一个并联电路
迭代3：线路中包含多个串联起来的并联电路
迭代4：并联电路之间可能出现包含关系
电路结构变化示意图见图1。
2）计算方式的变化
迭代1只包含1个受控元件，不用计算电流，之后的电路计算要包含电流、电阻等电路参数。
3）电路元件的变化
每次迭代会增加1-2个新的电路元件。
image.png
图1：电路结构示意图
设计建议：
1、电路设备类：描述所有电路设备的公共特征。
2、受控设备类、控制设备类：对应受控、控制设备
3、串联电路类：一条由多个电路设备构成的串联电路，也看成是一个独立的电路设备
4、并联电路类：继承电路设备类，也看成是一个独立的电路设备
其他类以及类的属性、方法自行设计。
题目分析
点击查看代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
// 设备基类
abstract class Device {
protected String id;
public abstract void updateState();
public abstract void printState();
}
// 开关类
class Switch extends Device {
private int state; // 0 表示打开，1 表示闭合
public Switch(String id) {
this.id = id;
this.state = 0;
}
public void setState(int newState) {
state = newState;
}
@Override
public void updateState() {}
@Override
public void printState() {
System.out.println("@K" + id + ":" + (state == 0? "turned on" : "closed"));
}
}
// 分档调速器类
class GearSpeedRegulator extends Device {
private int gear; // 0 - 3 档
public GearSpeedRegulator(String id) {
this.id = id;
this.gear = 0;
}
public void increaseGear() {
if (gear < 3) {
gear++;
}
}
public void decreaseGear() {
if (gear > 0) {
gear--;
}
}
@Override
public void updateState() {}
@Override
public void printState() {
System.out.println("@F" + id + ":" + gear);
}
}
// 连续调速器类
class ContinuousSpeedRegulator extends Device {
private double gearParam; // 0.00 - 1.00
public ContinuousSpeedRegulator(String id) {
this.id = id;
this.gearParam = 0.0;
}
public void setGearParam(double newParam) {
gearParam = newParam;
}
@Override
public void updateState() {}
@Override
public void printState() {
System.out.println("@L" + id + ":" + String.format("%.2f", gearParam));
}
}
// 互斥开关类
class MutuallyExclusiveSwitch extends Device {
private int state; // 0 表示 1、2 接通，1 表示 1、3 接通
public MutuallyExclusiveSwitch(String id) {
this.id = id;
this.state = 0;
}
public void setState(int newState) {
state = newState;
}
@Override
public void updateState() {}
@Override
public void printState() {
System.out.println("@H" + id + ":" + (state == 0? "turned on" : "closed"));
}
}
// 受控设备基类
abstract class ControlledDevice extends Device {
protected int inputPin1Voltage;
protected int inputPin2Voltage;
protected int resistance;
public ControlledDevice(String id, int resistance) {
this.id = id;
this.resistance = resistance;
}
public abstract void calculateState();
}
// 白炽灯类
class IncandescentLamp extends ControlledDevice {
private int brightness; // 0 - 200
public IncandescentLamp(String id) {
super(id, 10);
this.brightness = 0;
}
@Override
public void calculateState() {
int voltageDifference = Math.abs(inputPin1Voltage - inputPin2Voltage);
if (voltageDifference <= 9) {
brightness = 0;
} else if (voltageDifference >= 10 && voltageDifference <= 220) {
brightness = (int) ((voltageDifference - 10) * 150 / 210);
} else {
brightness = 200;
}
}
@Override
public void printState() {
System.out.println("@B" + id + ":" + brightness);
}
}
// 日光灯类
class FluorescentLamp extends ControlledDevice {
private int brightness; // 0 或 180
public FluorescentLamp(String id) {
super(id, 5);
this.brightness = 0;
}
@Override
public void calculateState() {
int voltageDifference = Math.abs(inputPin1Voltage - inputPin2Voltage);
brightness = voltageDifference == 0? 0 : 180;
}
@Override
public void printState() {
System.out.println("@R" + id + ":" + brightness);
}
}
// 吊扇类
class CeilingFan extends ControlledDevice {
private int speed; // 0 - 360
public CeilingFan(String id) {
super(id, 20);
this.speed = 0;
}
@Override
public void calculateState() {
int voltageDifference = Math.abs(inputPin1Voltage - inputPin2Voltage);
if (voltageDifference < 80) {
speed = 0;
} else if (voltageDifference >= 80 && voltageDifference < 100) {
speed = 80;
} else if (voltageDifference >= 100 && voltageDifference < 120) {
speed = 160;
} else if (voltageDifference >= 120 && voltageDifference < 140) {
speed = 260;
} else if (voltageDifference >= 140) {
speed = 360;
}
}
@Override
public void printState() {
System.out.println("@D" + id + ":" + speed);
}
}
// 落地扇类
class FloorFan extends ControlledDevice {
private int speed; // 0 - 360
public FloorFan(String id) {
super(id, 20);
this.speed = 0;
}
@Override
public void calculateState() {
int voltageDifference = Math.abs(inputPin1Voltage - inputPin2Voltage);
if (voltageDifference < 80) {
speed = 0;
} else if (voltageDifference >= 80 && voltageDifference < 100) {
speed = 80;
} else if (voltageDifference >= 100 && voltageDifference < 120) {
speed = 160;
} else if (voltageDifference >= 120 && voltageDifference < 140) {
speed = 260;
} else if (voltageDifference >= 140) {
speed = 360;
}
}
@Override
public void printState() {
System.out.println("@A" + id + ":" + speed);
}
}
// 受控窗帘类
class ControlledCurtain extends Device {
private double openRatio; // 0 - 1.0
public ControlledCurtain(String id) {
this.id = id;
this.openRatio = 1.0;
}
public void calculateState(List<ControlledDevice> lightDevices) {
int totalLightIntensity = 0;
for (ControlledDevice device : lightDevices) {
if (device instanceof IncandescentLamp || device instanceof FluorescentLamp) {
totalLightIntensity += ((ControlledDevice) device).getBrightness();
}
}
if (totalLightIntensity < 50) {
openRatio = 1.0;
} else if (totalLightIntensity >= 50 && totalLightIntensity < 100) {
openRatio = 0.8;
} else if (totalLightIntensity >= 100 && totalLightIntensity < 200) {
openRatio = 0.6;
} else if (totalLightIntensity >= 200 && totalLightIntensity < 300) {
openRatio = 0.4;
} else if (totalLightIntensity >= 300 && totalLightIntensity < 400) {
openRatio = 0.2;
} else if (totalLightIntensity >= 400) {
openRatio = 0.0;
}
}
@Override
public void updateState() {}
@Override
public void printState() {
System.out.println("@S" + id + ":" + String.format("%.0f%%", openRatio * 100));
}
}
// 串联电路类
class SeriesCircuit {
private List<String> connections;
public SeriesCircuit() {
connections = new ArrayList<>();
}
public void addConnection(String connection) {
connections.add(connection);
}
public List<String> getConnections() {
return connections;
}
}
// 并联电路类
class ParallelCircuit extends SeriesCircuit {
private List<SeriesCircuit> seriesCircuits;
public ParallelCircuit() {
seriesCircuits = new ArrayList<>();
}
public void addSeriesCircuit(SeriesCircuit seriesCircuit) {
seriesCircuits.add(seriesCircuit);
}
public List<SeriesCircuit> getSeriesCircuits() {
return seriesCircuits;
}
}
public class SmartHomeCircuitSimulator {
private Map<String, Device> devices;
private List<SeriesCircuit> seriesCircuits;
private List<ParallelCircuit> parallelCircuits;
public SmartHomeCircuitSimulator() {
devices = new HashMap<>();
seriesCircuits = new ArrayList<>();
parallelCircuits = new ArrayList<>();
}
public void processInput(String input) {
// 解析输入并进行相应的处理
// 例如，创建设备、设置连接、处理控制调节信息等
}
public void simulate() {
// 模拟电路运行，计算设备状态
for (Device device : devices.values()) {
device.updateState();
}
// 计算受控窗帘的状态
List<ControlledDevice> lightDevices = new ArrayList<>();
for (Device device : devices.values()) {
if (device instanceof ControlledDevice && (device instanceof IncandescentLamp || device instanceof FluorescentLamp)) {
lightDevices.add((ControlledDevice) device);
}
}
for (Device device : devices.values()) {
if (device instanceof ControlledCurtain) {
((ControlledCurtain) device).calculateState(lightDevices);
}
}
}
public void printOutput() {
// 按要求输出设备状态
List<String> deviceTypes = List.of("K", "F", "L", "B", "R", "D", "A", "H", "S");
for (String deviceType : deviceTypes) {
for (Device device : devices.values()) {
if (device.getId().startsWith(deviceType)) {
device.printState();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SmartHomeCircuitSimulator simulator = new SmartHomeCircuitSimulator();
// 模拟输入处理
String input = "#T1:[IN K1-1] [K1-2 D2-1] [D2-2 OUT]\n#T2:[IN F1-1] [F1-2 R1-1] [R1-2 OUT]\n#M1:[T1 T2]\n#K1\n#F1+\nend";
simulator.processInput(input);
simulator.simulate();
simulator.printOutput();
}
}
分析
首先，引入了一些必要的 Java 类库。
定义了一个抽象的Device类作为设备的基类，其中包含一个受保护的id字段，并声明了两个抽象方法updateState和printState，要求子类实现。
然后，定义了多个具体的设备类，如Switch（开关）、GearSpeedRegulator（分档调速器）、ContinuousSpeedRegulator（连续调速器）、MutuallyExclusiveSwitch（互斥开关）等，它们都继承自Device类，并根据自身特点实现了相应的功能。
接着，定义了ControlledDevice类作为受控设备的基类，继承自Device类，并增加了inputPin1Voltage、inputPin2Voltage和resistance等字段，同时声明了抽象方法calculateState。
随后，定义了一些具体的受控设备类，如IncandescentLamp（白炽灯）、FluorescentLamp（日光灯）、CeilingFan（吊扇）、FloorFan（落地扇）等，它们继承自ControlledDevice类，并实现了calculateState方法来计算设备状态。
ControlledCurtain（受控窗帘）类根据其他照明设备的亮度计算自身的开合比例。
SeriesCircuit（串联电路）类用于表示串联电路，包含一个连接列表。ParallelCircuit（并联电路）类继承自SeriesCircuit类，并增加了串联电路列表。
SmartHomeCircuitSimulator类是主类，包含设备映射、串联电路列表和并联电路列表等成员变量。
processInput方法用于解析输入并进行相应的处理。
simulate方法模拟电路运行，计算设备状态，包括计算受控窗帘的状态。
printOutput方法按照指定的设备类型输出设备状态。
在main方法中，创建了SmartHomeCircuitSimulator对象，模拟输入处理，然后依次调用simulate和printOutput方法来进行模拟和输出。
总体来说，这段代码构建了一个智能家居电路模拟系统，包括多种设备和电路类型，并实现了对它们的状态计算和输出。
