基于51单片机的贪食蛇游戏机开发.docx
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基于51单片机的贪食蛇游戏机开发
第ChpNum章基于51单片机的贪食蛇游戏机开发
1本设计的特点和目的
本设计以51系列单片机STC89C52为控制核心,以点阵液晶显示模块、键盘为人机接口,实现了一个贪食蛇游戏机。
通过本设计,令读者掌握利用单片机开发简单电子产品的基本技能,熟悉原理图绘制、仿真、软件设计、优化以及系统调试的基本方法,为进一步设计开发更为复杂的嵌入式模拟/数字混合系统打下一定的基础。
2产品简介
“贪食蛇”又称为“贪吃蛇”,是一种益智小游戏。
其游戏规则比较简单,就是一条小蛇,不停地在屏幕上游走去吃屏幕上出现的蛋,越吃越长,只要蛇头碰到屏幕四周或者碰到自己的身子,小蛇就立即毙命并结束游戏。
本作品有上下左右四个按键来控制蛇头的移动方向,另有一个复位按键控制程序的重启,游戏界面采用分辨率为128×64的液晶显示屏。
3硬件设计
3.1人机接口电路
本游戏机游戏界面由液晶显示模块呈现。
液晶显示模块中,最主要的就是LCD液晶屏。
根据LCD液晶屏显示内容的不同,液晶显示模块可以分为数显液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形液晶模块3种。
本设计使用点阵图形液晶模块OCM12864。
OCM12864液晶显示模块是128×64点阵型液晶显示模块,可显示各种字符及图形,可与CPU直接连接,具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线,各引脚的信号说明参见表ChpNum-1。
表ChpNum-1OCM12864引脚说明
管脚名称
方向
引脚说明
VSS
-
逻辑电源地。
VDD
-
逻辑电源+5V。
V0
I
LCD调整电压,应用时接10K电位器可调端
RS
I
数据\指令选择:
高电平:
数据D0-D7将送入显示RAM;
低电平:
数据D0-D7将送入指令寄存器执行。
R/W
I
读\写选择:
高电平:
读数据;低电平:
写数据。
E
I
读写使能,高电平有效,下降沿锁定数据。
DB0
I/O
数据输入输出引脚。
DB1
I/O
数据输入输出引脚。
DB2
I/O
数据输入输出引脚。
DB3
I/O
数据输入输出引脚。
DB4
I/O
数据输入输出引脚。
DB5
I/O
数据输入输出引脚。
DB6
I/O
数据输入输出引脚。
DB7
I/O
数据输入输出引脚。
CS1
I
片选择信号,高电平时选择左半屏。
CS2
I
片选择信号,高电平时选择右半屏。
/RET
I
复位信号,低电平有效。
VEE
O
LCD驱动,负电压输出,对地接10K电位器
LEDA
-
背光电源,LED+(5V)。
LEDK
-
背光电源,LED-(0V)。
单片机与液晶显示器的连接电路如图ChpNum-1所示,片选信号CS1与CS2接P2.4和P2.3引脚,RS、R/W、E分别接引脚P2.2、P2.1、P2.0。
VEE驱动负电压输出,而V0接10K电位器,对LCD亮度进行调节。
51单片机的P0口为了实现准3态,采用了OC输出,也就是集电极悬空输出。
这种电路结构,只有下拉能力,高电平输出没有电流。
在高电平时表现为高阻态,加上拉电阻,就会失去高阻态,变成1、0两态。
因此在P0口与OCM12864的I/O口之间接上10K的排阻。
用户通过四个按键控制蛇头的上下左右移动,接法如图ChpNum-1所示。
四个按键尾端均接地,任意按键的按下均会使与门输出由高电平变成低电平,从而触发中断。
此时,中断服务程序通过检测P2.6口与P2.7口的电平可以识别是哪个按键被按下。
若P2.6和P2.7同时为低电平,表明是UP键按下;若同时为高电平,表明DOWN键按下;若P2.6为高,P2.7为低则表明是LEFT键被按下;若P2.6为低,P2.7为高则表明RIGHT键被按下。
游戏音效由蜂鸣器实现,接法如图ChpNum-1所示。
由于单片机输出脚的驱动电流有限,我们用单片机P2.5脚输出信号控制PNP三极管S8550的通断,当P2.5输出高电平时,三极管截止,当P2.5输出低电平时,三极管导通。
因此,通过在P2.5脚输出不同频率的方波信号,可使得蜂鸣器发出不同频率的声音。
图ChpNum-1人机接口电路
3.2单片机与PC机通信电路
本设计采用的STC89C52单片机具备ISP下载功能,无需用到编程器,编译好的单片机程序可以通过串口下载到单片机。
单片机与PC机串行通信采用RS-232C标准。
因为RS-232C接口信号不是标准的TTL电平,单片机与PC机通过RS-232C串口进行通信时,必须进行电平转换。
虽然可以用分立元件组成RS-232C与TTL电平之间的转换电路,但是现在更多的是使用集成电路来完成,这里使用MAX232集成电路。
如图ChpNum-2所示,MAX232需要外接4只0.1uF电容,或者1uF的电解电容。
之所以需要电容,是因为RS-232电平是工作在大约-9V~+9V之间,需要电容将5V电压转换成RS-232电平需要的+10V和-10V。
单片机侧安装了DB9物理连接器,可直接通过串口线连接到PC的串口。
图ChpNum-2RS-232信号适配电路
3.3其他部分电路说明
电源电路、复位和时钟电路比较简单,具体连接请参见电路原理总图。
供电部分采用7805将输入9~12V电压转换为5V输出,输入输出端接220uF电解电容,使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。
由于大容量的电解电容一般具有一定的电感,对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除,所以两端并联一只容量为0.1uF的电容,以滤除高频及脉冲干扰。
复位电路含有上电复位和按键复位功能,按键复位用于游戏结束后游戏的重新启动。
系统插电瞬间电源通过10K电阻给10uF电容充电电平,充电电流在10K电阻上产生压降,于是电阻上端产生一个维持几百毫秒的高电平输入到RESET对单片机进行复位,电容充电满后经过电阻电流为0,复位失效。
类似地,当开关按下时,强制产生一个高电平对单片机进行复位。
时钟电路使用12MHz的晶振,晶振的两引脚处接入两个22pF的瓷片电容来削减谐波对电路稳定性的影响。
4软件设计
4.1系统程序流程
如图ChpNum-3所示,贪食蛇软件主要分成三个部分:
主程序、外部中断服务程序、定时中断服务程序。
主程序的作用是一些初始化工作及蛇体动作执行、食物的随机产生、得分累计、图像显示等。
外部中断服务程序的功能是识别按键。
定时中断服务程序的作用是定时产生步进信号。
外部中断服务程序与主程序之间联系的纽带是全局变量MovDirection,键盘中断服务程序每次执行都要把按键对应的方向更新到此变量,而主程序每次步进方向都以此变量为依据。
定时中断服务程序通过全局变量IsToStep与主程序联系起来,主程序只有在IsToStep为1时才让蛇体步进,且步进后将该变量置0,定时中断服务程序每隔一段时间为IsToStep置位,使主程序得到步进信号。
图ChpNum-3程序流程
主程序首先进行LCD和定时器的初始化,绘制好游戏界面后打开外部中断并启动定时器,进入主循环。
主循环等待蛇体步进信号IsToStep(由定时中断服务程序设置),得到步进信号后根据当前方向MovDirection控制蛇体向前步进。
步进后判断当前蛇头是否碰到食物,若碰到,将食物与蛇体合并,并产生新的食物再进入首身相碰判断;若未碰到食物,直接进入首身相碰判断。
若首身未相碰则将IsToStep清零、更新得分后回到主循环;否则退出游戏。
定时器中断服务程序作用是定时产生步进信号,因硬件定时最大值不够蛇体步进最小间隔时间,我们用多次硬件定时来产生一个步进信号。
设计全局变量p,每硬件中断触发一次p减1。
当p减到0时置IsToStep为1并对p重新赋值。
值得注意的是,p的重新赋值应参考蛇体长度,若蛇体长度越长p值应越小,即步进间隔越短,蛇体移动速度越快,游戏难度越大。
具体做法见参考代码。
外部中断服务程序用于按键识别并更新前进方向全局变量MovDirection。
首先取出键盘检测位的值再确定贪食蛇要改变的方向。
当贪食蛇正向上或向下移动时,按下上下方向键,键值都不进行处理;而贪食蛇正向左或向右移动时,按下左右方向键,键值都不进行处理。
4.2软件模块设计
4.2.1LCD初始化
在对LCD进行初始化时,先要检查读忙碌标志位,当BF为1表示内部操作正在进行,0表示允许指令操作。
具体指令说明如下:
(1)显示开/关设置
引脚
R/W
RS
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
电平
L
L
L
L
H
H
H
H
H
H/L
功能:
设置屏幕显示开/关。
DB0=H,开显示;DB0=L,关显示。
不影响显示RAM(DDRAM)中的内容。
(2)设置显示起始行
引脚
R/W
RS
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
电平
L
L
H
H
行地址(0~63)
功能:
执行该命令后,所设置的行将显示在屏幕的第一行。
显示起始行是由Z地址计数器控制的,该命令自动将A0-A5位地址送入Z地址计数器,起始地址可以是0-63范围内任意一行。
Z地址计数器具有循环计数功能,用于显示行扫描同步,当扫描完一行后自动加一。
(3)设置页地址
引脚
R/W
RS
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
电平
L
L
H
L
H
H
H
页地址(0~7)
功能:
执行本指令后,下面的读写操作将在指定页内,直到重新设置。
页地址就是DDRAM的行地址,页地址存储在X地址计数器中,A2-A0可表示8页,读写数据对页地址没有影响,除本指令可改变页地址外,复位信号(RST)可把页地址计数器内容清零。
(4)设置列地址
引脚
R/W
RS
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
电平
L
L
L
H
列地址(0~63)
功能:
DDRAM的列地址存储在Y地址计数器中,读写数据对列地址有影响,在对DDRAM进行读写操作后,Y地址自动加1。
(5)状态检测
引脚
R/W
RS
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
电平
H
L
BF
L
ON/OFF
RST
L
L
L
L
功能:
读忙信号标志位(BF)、复位标志位(RST)以及显示状态位(ON/OFF)。
BF=H:
内部正在执行操作;BF=L:
空闲状态。
RST=H:
正处于复位初始化状态;RST=L:
正常状态。
ON/OFF=H:
表示显示关闭;ON/OFF=L:
表示显示开。
(6)写显示数据
引脚
R/W
RS
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
电平
L
H
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
功能:
写数据到DDRAM,DDRAM是存储图形显示数据的,写指令执行后Y地址计数器自动加1。
D7-D0位数据为1表示显示,数据为0表示不显示。
写数据到DDRAM前,要先执行“设置页地址”及“设置列地址”命令。
(7)读显示数据
引脚
R/W
RS
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
电平
H
H
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
功能:
从DDRAM读数据,读指令执行后Y地址计数器自动加1。
从DDRAM读数据前要先执行“设置页地址”及“设置列地址”命令.
LCD初始化时,根据指令格式,先进行读忙碌检查。
当BF为低电平时,设置显示起始行为第一行,A0~A5位为0,然后设置屏幕显示为开,具体做法见参考代码。
4.2.2键盘扫描程序
键盘扫描通过外部中断来检测,四个方向键经与门与P3.2(中断输入)引脚相连。
程序初始化时将IT0置0,表示外部中断使用电平触发方式,低电平可引起中断。
任何键的按下均会使P3.2电平为低,进入中断服务程序。
中断服务程序先将P2口数据取出,右移6位将键盘接入引脚(P2.7、P2.6)的值取出,得到键盘识别码。
键盘识别码有四个:
1(左键)、2(右键)、0(上键)、3(下键)。
得到按键识别码后根据识别码及当前方向更新前进方向。
4.2.3显示16*16点阵汉字
液晶显示器的数据线是8位的,显示数据是逐字节输入的。
每字节输入数据对应到一列的8个像素点(8行)。
自然地,64行像素点分成8页,每8行为一页。
向液晶显示器写入显示数据时均要先设置写入的页号和列号(而不是具体某一个像素点的坐标),然后写入一个字节的数据。
如表ChpNum-2所示,液晶显示模块中的DDRAM是存储图形显示数据的,LCD显示的数据与DDRAM中的数据一一对应(一位DDRAM对应一个像素,数据为1表显示该点,为0不显示)。
汉字在液晶中占用16*16像素点,即两页16列。
把汉字的点阵数据写到液晶的DDRAM中时。
先载入第一页的16列(字节),再载第2页的16列。
详细过程见参考代码。
表ChpNum-2DDRAM地址映像
Y地址
0
1
2
………………………
61
62
63
X地址
DB0
∫ PAGE0
DB7
X=0
DB0
∫ PAGE1
DB7
X=1
∷
∷
∷
∷
DB0
∫ PAGE6
DB7
X=7
DB0
∫ PAGE7
DB7
4.2.4食物的随机出现
食物的出现是一种随机行为,所以必须做一个随机数,而且食物出现的位置不能与蛇的位置相同,也不能超出墙外,否则就要重置食物。
这里使用程序中的定时计数器的低八位TL0的数值,由于TL0不断变化,不同的时间点数值不同,TL0%24及TL0%15分别为食物的列地址和行地址。
4.3软件编译
程序调试使用uVision3,此在软件中要求每个工程都要建立一个文件来存储相关信息,因此不论是汇编的,还是C语言的,不论是只有一个文件的还是有多个文件的程序都需要一个工程文件。
这里使用C语言编写,具体步骤如下:
(1)打开uVision3后,打开Project菜单,在弹出的下拉菜单中选择NewProject命令,选择保存路径,输入工程名“贪食蛇”,最后单击“保存”按钮。
在保存新建工程后要求选择所使用单片机的型号,在此选择Atmel的80C52单片机。
(2)建立起一个新工程后,接下来是新建程序及各种文件,保存程序文件后需要将其添加文件到工程中。
(3)至此就可以进行源程序编写,完成编写后就对程序进行编译及仿真。
通过单击工具栏图标BuildTarget,可以翻译所有源文件并生成应用。
当Build应用存在语法错误时,uVision3将会在OutputWindow-Build页显示错误和警示信息。
双击信息行,uVision3在编辑器窗口打开此信息对应的源文件,并定位到相应的位置。
一旦成功地生成了应用程序,就可以开始调试了。
在调试好应用程序后,要求生成一个IntelHEX文件。
这个文件可以下载到EPROM编程器中。
5系统调试
5.1PROTEUS仿真
在用uVision3编写单片机程序时,因uVision3往往只能修改语法上的错误,对于算法上的问题不好检查,而直接下到单片机里又受电路板的限制而不方便调试,因此这里使用Proteus进行电路仿真。
该软件具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能,同时有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
在Proteus软件的ISIS中新建设计图,画出本设计的电路图。
电路设计完成后就可以进行仿真。
先双击单片机,把用uVision3编译生成的HEX文件指定为下载文件,点击PLAY键即可进行仿真。
当出现ANALYSERERRORS时,表示电路有错误,列表中说明了具体的错误,必须要先排错才可以进行仿真。
5.2硬件的安装
软件调试及Proteus仿真完成后就进行硬件的安装。
读者可以自己印制PCB进行设计,亦可在万能板上搭建。
安装时要考虑受热、稳固等多方面的影响。
比如使用电烙铁时要控制好焊接的时间,电烙铁停留的时间太短,焊锡不易完全熔化,形成“虚焊”,而焊接时间太长又容易损坏元器件,每一两秒内要焊好一个焊点,若没完成,宁愿等一会儿再焊一次。
其次芯片的摆置要方便连线,焊接时要先把芯片从插座拔出,等线接好了再插上去。
在焊接时要考虑电路的抗干扰能力,同时要充分考虑电源对单片机的影响。
每焊接完一个模块,要用万能表根据电路图检查有没有接错、短路等现象,确认正确后再继续下一个模块。
5.3调试注意事项
5.3.1硬件调试注意事项
硬件全部焊接好以后,先初步检查是否焊错,有没有漏焊、虚焊,元件有没有接错或者接反。
在上电之前可以用万用表检测电源正负极有没有短路,保证系统可靠地供电。
对于复杂的接口,例如LCD接口,单纯从硬件角度不易调试,应结合软件从不同的角度进行测试,这样能起到更好的效果。
有条件的话可以合理地使用示波器,提高工作效率。
同时系统时钟受干扰或晶体振荡不正常可能导致系统工作故障,复位电路也要保证连接正确及工作正常。
检查故障时要细心严谨,要学会正确迅速排除故障原因。
如果调试各部分都正常,就可以把整个程序下载到单片机系统中,再进行下一步的软件调试了。
5.3.2软件调试注意事项
整个程序是用C语言进行编写的,因为程序不可能一次就能正确无误的完成,所以须要在调试中慢慢修改。
程序完成后先是用Proteus软件进行仿真调试,之后再进行硬件调试。
这样可以避免多次使用硬件下载调试造成不必要的麻烦与失误。
软件仿真成功了,便可以通过串口下载到单片机上进行调试了。
但要注意一点,并不是软件上仿真成功了硬件就一定能成功,很多时候软件上的仿真跟便件上仿真还是存在很大的差别的,软件仿真成功只说明电路连接正确,程序编写合理。
而硬件的仿真还受到元件性能,周围环境温度和噪音干扰等多方面因素影响,必须要综合的进行考虑。
6附录
6.1总原理图
图ChpNum-4总原理图
6.2单片机程序参考代码
/*********************************************************************
文件名:
main.c
说明:
程序文件,所有贪食蛇软件的函数均在此文件内,
包括main函数,中断处理处理函数和液晶驱动的相关函数。
其他:
编译器KeilC,单片机晶振12MHz.
************************************************************************/
#include"reg52.h"
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
voidDelayINms(uintk);//函数原型声明
voidchekbusy12864();
voidchoose12864(ucharSlctScreen);
voidcmd_w12864(ucharcmd);
voiddat_w12864(uchardat);
voidclear12864();
voidinit_lcd();
voidPlay8(ucharSlctScreen,ucharColumn,ucharPage,uchar*pAdr);
voidPlay16(ucharSlctScreen,ucharColumn,ucharPage,uchar*pAdr);
uchardat_r12864(ucharPage,ucharColumn);
voidvertical(ucharRowStart,ucharRowStop,ucharColumn);
voiddot(ucharx,uchary);
voidcleardot(ucharx,uchary)
voidDisplayBodyCell(uchar*x,uchar*y);
voidClearBodyCell(uchar*x,uchar*y);
//文字点阵数据
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