游戲機(jī)電路板單片機(jī)方案開發(fā)

小游戲不僅可以幫助人們緩解日常生活壓力，還可以鍛煉手眼協(xié)調(diào)能力、應(yīng)急反應(yīng)能力，并且小游戲不會(huì)占用太多的時(shí)間，在學(xué)習(xí)、工作間隙，可以作為一種放松的方式，例如俄羅斯方塊、貪吃蛇、賽車、打飛機(jī)等。本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為控制器完成這些內(nèi)容，并且對于單片機(jī)初學(xué)者，也可以完成這項(xiàng)任務(wù)，對微控制器控制電路產(chǎn)生興趣，從而提高學(xué)習(xí)的樂趣。

此次設(shè)計(jì)采用ＳＴＣ１５單片機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用點(diǎn)陣來顯示游戲的各個(gè)不同界面。本系統(tǒng)的時(shí)鐘是由單片機(jī)內(nèi)部振蕩器振蕩產(chǎn)生，該實(shí)時(shí)時(shí)鐘同時(shí)提供給顯示模塊，完成顯示功能。此款游戲機(jī)可以進(jìn)行俄羅斯方塊、貪吃蛇、賽車、打飛機(jī)等游戲，通過鍵盤對游戲進(jìn)行控制，游戲音效電路會(huì)同時(shí)播放游戲音樂，使得游戲玩起來更加逼真。

一、游戲機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)

本次采用的ＳＴＣ１５系列單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：大容量的片內(nèi)ＲＡＭ存儲(chǔ)器，運(yùn)行速度比普通單片機(jī)更快，具有多種工作模式以降低功耗，多路ＰＷＭ、ＡＤＣ功能單元輸出，同時(shí)還具有６個(gè)定時(shí)器，方便控制，還可對系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行編程輸出。本次設(shè)計(jì)采用ＳＴＣ１５Ｆ２Ｋ６０Ｓ２單片機(jī)作為控制器，使用內(nèi)部振蕩器提供的時(shí)鐘；利用單片機(jī)片內(nèi)大容量ＥＥＰＲＯＭ完成游戲過程中的ＦＬＡＳＨ畫面；利用單片機(jī)外部中斷構(gòu)成鍵盤控制游戲；ＰＷＭ功能實(shí)現(xiàn)ＬＥＤ顯示屏的亮度調(diào)節(jié)。

為了設(shè)計(jì)和調(diào)試方便，該游戲機(jī)系統(tǒng)可以采用單片機(jī)的最小系統(tǒng)來完成，包括：點(diǎn)陣屏電路、游戲鍵盤電路、游戲音效電路、ＬＥＤ游戲計(jì)分電路。游戲機(jī)硬件電路圖如圖１所示。

１.１點(diǎn)陣屏顯示游戲畫面電路

本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)陣顯示，其原理如圖２點(diǎn)陣屏顯示電路所示。為了使顯示的圖像較為清晰，需要兩個(gè)８８點(diǎn)陣顯示模塊。從圖２中給出了一塊點(diǎn)陣及其連接關(guān)系，每個(gè)點(diǎn)陣模塊由６４個(gè)發(fā)光二極管組成，且每個(gè)發(fā)光二極管是放置在行線和列線的交叉點(diǎn)上。當(dāng)某一列置高電平，對應(yīng)的行置低電平，則相應(yīng)的二極管就點(diǎn)亮。通過行列的控制算法，即可完成動(dòng)態(tài)Ｆｌｓｈ動(dòng)畫的顯示。ＳＴＣ１５系列單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口有四種工作模式：準(zhǔn)雙向口、弱上拉、強(qiáng)推挽、強(qiáng)上拉。將Ｉ／Ｏ口作為輸出時(shí)，選擇強(qiáng)推挽模式，每個(gè)口的輸出電流可達(dá)到２０ｍＡ，這足以點(diǎn)亮對應(yīng)行上的發(fā)光二極管，無需額外的上拉電阻。因此，可將點(diǎn)陣與單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口直接相連，降低了電路的復(fù)雜程度，對于初學(xué)者而言，硬件更加簡單。

１.２游戲鍵盤設(shè)計(jì)

在游戲機(jī)的設(shè)計(jì)中，鍵盤是必備的輸入設(shè)備。本設(shè)計(jì)中，鍵盤的作用是在游戲開始時(shí)，通過鍵盤選擇對應(yīng)的游戲界面；在游戲過程中，通過鍵盤對正在進(jìn)行的游戲進(jìn)行控制。本游戲機(jī)共有五個(gè)按鍵，分別是Ｋ０與Ｋ４。Ｋ０為選擇鍵，完成開始、變形、加速等功能；Ｋ１與Ｋ４為方向鍵，Ｋ１為向上鍵，Ｋ３為向下鍵，Ｋ４為向左鍵，Ｋ２為向右鍵。Ｒ１與Ｒ５為上拉電阻，為Ｉ／Ｏ口提供必要的驅(qū)動(dòng)。

１.３游戲音效電路設(shè)計(jì)

在滿足應(yīng)用的前提下，本設(shè)計(jì)采用普通的蜂鳴器作為游戲音效的發(fā)聲元件。蜂鳴器通常工作電流比較大，需要一個(gè)三極管放大電路來驅(qū)動(dòng)它。蜂鳴器正極性接＋５Ｖ電源，另一端接ＰＮＰ管的發(fā)射極，三極管基極由單片機(jī)的Ｐ５.５口控制，給游戲提供必要的音樂。

１.４游戲計(jì)分電路設(shè)計(jì)

游戲計(jì)分電路采用三位七段數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)。三位一體的七段數(shù)碼管顯示電路有段碼地址和位碼地址?？刂茢?shù)碼管顯示不同的字符。這樣，要顯示三位數(shù)字，就必須通過采用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)方式。簡單地說就是在不同的位上顯示不同的數(shù)碼，然后快速完成顯示，為了使人能夠看見上面的數(shù)字，必須重復(fù)多次。這樣就通過人眼視覺暫留效應(yīng)及數(shù)碼管余輝特性，可以觀察到數(shù)碼管上的三位數(shù)字了。三位數(shù)碼管的段碼與點(diǎn)陣屏的行數(shù)據(jù)口相連，供游戲計(jì)分使用。

二、游戲機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

２.１軟件設(shè)計(jì)流程

由于系統(tǒng)較為復(fù)雜，所以需要進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以便于后續(xù)的調(diào)試驗(yàn)證。將不同的游戲分開，用不同的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，然后在主函數(shù)里進(jìn)行選擇。

２.２主程序的設(shè)計(jì)

程序按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，所有功能都通過子程序調(diào)用完成。主程序完成功能包括設(shè)計(jì)游戲ＧＵＩ，構(gòu)建游戲界面基本模型，達(dá)到畫面平移效果，利用ＬＥＤ點(diǎn)陣底層驅(qū)動(dòng)逐點(diǎn)掃描，使顯示亮度均勻，用軟件ＰＷＭ分層掃描畫面，形成游戲畫面對比度使顯示屏亮度可調(diào)。在主程序中設(shè)置全局變量，掃描鍵盤的輸入、控制游戲速度、游戲計(jì)分、游戲生命、音效開關(guān)、顯示屏默認(rèn)亮度等。

２.３俄羅斯方塊游戲軟件設(shè)計(jì)

俄羅斯方塊游戲的規(guī)則是在限定的空間范圍內(nèi)，各種形狀的方塊組合依次往下掉落，在方塊的掉落過程中，玩家通過控制按鍵，控制方塊的下落形狀，盡可能的使落下的方塊和已經(jīng)在下面的方塊緊密結(jié)合，不留空隙。當(dāng)方格在下降過程中遇到其它方格的阻擋，將會(huì)在當(dāng)前位置停留下來。當(dāng)某橫向的一層全部被方塊占滿時(shí)，此層的方塊將會(huì)全部消失。通過按鍵控制方塊的合理擺放位置，使方塊填滿一行而自行消失，這樣就可以得分，它是俄羅斯方塊的主要玩點(diǎn)及玩法。

依據(jù)上述規(guī)則，程序設(shè)計(jì)思路如下。先利用函數(shù)ｓｔａｔｉｃｖｏｉｄＲａｎｄＢｏｘ隨機(jī)裝載一個(gè)方塊，下落時(shí)間到達(dá)后，當(dāng)前方塊向下方向移動(dòng)一個(gè)單位，然后讀取鍵盤按鍵值。如果按下了移動(dòng)鍵，判斷能否左移或右移，如果可以，則方塊向左或右移動(dòng)一個(gè)單位。如果為變形鍵，則根據(jù)函數(shù)ｔｍｐｂｕｆ［ｉ］＝ｂｌｏｃｋｓ［ｔｍｐｉｄ］［３-ｉ］按規(guī)定對當(dāng)前方塊進(jìn)行變形。方塊每下落一個(gè)單元后，都要判斷是否死亡，是否規(guī)定的樓層已填滿。根據(jù)函數(shù)ｓｔａｔｉｃｖｏｉｄＲｏｗＦｕｌｌ｛ｕｉｎｔ８ｐ，ｋ；ｕｉｎｔ８ｔｍｐｓ＝０；ｆｏｒ（ｐ＝０；ｐ＜１６；ｐ＋＋）｝檢測是否滿行并進(jìn)行相應(yīng)處理。如滿行則消行，同時(shí)分?jǐn)?shù)將會(huì)作相應(yīng)的變化；若規(guī)定范圍內(nèi)堆滿方塊則游戲結(jié)束，顯示游戲分?jǐn)?shù)。

２.４貪吃蛇游戲軟件設(shè)計(jì)

貪吃蛇游戲的規(guī)則是蛇在一定的空間內(nèi)以一定的速度向前跑動(dòng)，在蛇跑動(dòng)的過程中，可以通過按鍵控制蛇頭的方向，使蛇吃到食物。要是蛇吃到食物，那么蛇的長度就會(huì)長大一個(gè)單位，同時(shí)得分也會(huì)增加。如果蛇頭碰到墻或是碰到自己身體的任一部分，游戲就結(jié)束。

設(shè)計(jì)貪吃蛇游戲的基本思路是先為貪吃蛇制作一塊蛇身作為一個(gè)游戲點(diǎn)，即一個(gè)基本點(diǎn)陣。利用函數(shù)ｓｔａｔｉｃｖｏｉｄＣｒｅａｔｅ＿Ｆｏｏｄ隨機(jī)加載蛇的食物。用定時(shí)器１定時(shí)１ｓ，當(dāng)１ｓ的定時(shí)時(shí)間達(dá)到時(shí)，蛇向前跑一個(gè)單位。設(shè)計(jì)蛇的運(yùn)動(dòng)過程，需要注意以下幾點(diǎn)：（１）運(yùn)動(dòng)處理。根據(jù)用戶按鍵的按鍵值進(jìn)行柔體傳動(dòng)，可以通過按下選擇鍵使蛇的運(yùn)動(dòng)加速；（２）吃到食物的處理。如果吃到食物，則置食物標(biāo)志位為０，蛇身體長大一個(gè)游戲點(diǎn)；（３）放置新的食物。判斷食物標(biāo)志位，若食物標(biāo)志位為０，那么就要放置食物。放置食物的過程，還需要判斷新的食物是否和蛇身重疊。如果重疊，則需要重新放置并且再次判斷，直到新的食物與蛇身不重疊為止；（４）死亡處理。蛇跑動(dòng)的過程中，若碰到墻或自己的身體，則游戲結(jié)束，顯示游戲分?jǐn)?shù)。

２.５賽車游戲軟件設(shè)計(jì)

賽車的規(guī)則是賽車在一定的時(shí)間內(nèi)向前跑動(dòng)，在跑動(dòng)的時(shí)候前面出現(xiàn)其他賽車，玩家可以控制賽車速度，并且左、右移動(dòng)賽車位置前進(jìn)，躲避其他賽車。隨著賽車前進(jìn)的距離，得分也會(huì)相應(yīng)增加。游戲中，如果賽車撞到其他賽車，游戲結(jié)束。

設(shè)計(jì)賽車游戲的基本思路是先利用函數(shù)ｖｏｉｄＲＡＣ＿Ｇａｍｅ設(shè)計(jì)賽車結(jié)構(gòu)圖形，設(shè)置一個(gè)全局變量ＲＡＣ＿ｆｌａｇ，其類型定義為無符號(hào)字符型，用于記錄賽車位置和賽車移動(dòng)方向等信息。接下來用定時(shí)器２定時(shí)１ｓ，當(dāng)１ｓ的定時(shí)時(shí)間到后，賽車和其它賽車同時(shí)向前跑動(dòng)一個(gè)單位。通過函數(shù)實(shí)現(xiàn)賽車隨即產(chǎn)生，當(dāng)按選擇鍵時(shí)，汽車加速（０.２ｓ／單位），同時(shí)按左、右鍵躲避其它賽車前進(jìn)，游戲分?jǐn)?shù)相應(yīng)增加。賽車跑動(dòng)過程中，若撞到其他賽車則游戲結(jié)束，并顯示游戲得分。

２.６打飛機(jī)游戲軟件設(shè)計(jì)

打飛機(jī)的規(guī)則是飛機(jī)上方隨機(jī)出現(xiàn)一個(gè)單位點(diǎn)陣的方塊，用戶通過控制左、右鍵及選擇鍵（射擊），對隨機(jī)出現(xiàn)的方塊進(jìn)行射擊，當(dāng)擊中時(shí)方塊消除，同時(shí)分?jǐn)?shù)增加。如果飛機(jī)撞到方塊，那么游戲結(jié)束。

設(shè)計(jì)打飛機(jī)游戲基本設(shè)計(jì)思路是先利用函數(shù)ｓｔａｔｉｃｖｏｉｄＳｈｏｔ＿Ｇａｍｅ＿Ｉｎｉｔ繪制飛機(jī)圖形，同時(shí)初始化顯示畫面，然后隨機(jī)出現(xiàn)射擊方塊。每方塊對應(yīng)一個(gè)游戲點(diǎn)，即一個(gè)基本點(diǎn)陣。設(shè)置一個(gè)全局變量Ｓｈｏｔ＿ｆｌａｇ，其類型定義為無符號(hào)字符型，用于記錄飛機(jī)位置、方塊位置、產(chǎn)生彈道等信息。接著對隨機(jī)出現(xiàn)的方塊進(jìn)行射擊，被擊中后的方塊消失，游戲分?jǐn)?shù)增加。方塊每隔１ｓ下降一個(gè)單位。若飛機(jī)撞到方塊，游戲結(jié)束，并顯示游戲分?jǐn)?shù)。

結(jié)論

由于電路控制部分相對簡單，可以采用ＳＴ１５單片機(jī)的最小系統(tǒng)來完成，完成起來難度不大。但是需要注意點(diǎn)陣屏的管腳與行、列的對應(yīng)關(guān)系，三極管、蜂鳴器注意方向即可。軟件方面，由于系統(tǒng)比較龐大，需要分開完成，即在主程序框架搭建好以后，可以先完成俄羅斯方塊游戲的調(diào)試，然后再加其它的小游戲到系統(tǒng)里面。

本設(shè)計(jì)對采用ＳＴＣ１５Ｆ２Ｋ６０Ｓ２單片機(jī)，制作俄羅斯方塊、貪吃蛇、賽車、打飛機(jī)游戲的硬件原理圖及軟件邏輯進(jìn)行了分析，并完成了該款游戲機(jī)的制作。本游戲機(jī)硬件電路簡單，軟件程序編程邏輯清晰，便于初學(xué)者完成系統(tǒng)的制作，是單片機(jī)初學(xué)者動(dòng)手練習(xí)單片機(jī)的有利工具。

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