基于51单片机的乒乓游戏机设计附Proteus仿真毕业设计 精品.docx

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基于51单片机的乒乓游戏机设计附Proteus仿真毕业设计精品

1绪论

1.1本设计的研究背景和研究目的

乒乓球，中华人民共和国国球，是一种世界流行的球类体育项目。

它的英语官方名称是“tabletennis”，即“网上桌球”。

乒乓球的名字起源于1990年。

乒乓球的比赛赛制是以11分为一局，采用五局三胜（团体）或七局四胜制（单项）。

比赛分团体、单项（男单、女单、男双、女双、混双）。

在中国，到处可见打乒乓球的人，以学生居多。

因为，随着人们现代化节奏的加快，工作压力的增大，传统打乒乓球的方式受到运动设施、场地、环境的因素的影响，让人们对乒乓球运动减少了很多兴趣。

随着科学技术的发展，人类进入信息化社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。

现代电子产品发展的越来越快，于是人们将乒乓球与电子产品结合在一起，形成了乒乓游戏机。

通过使用按键模拟球拍，发光二极管模拟乒乓球，进行乒乓球游戏的操作。

乒乓游戏机的出现解决了人类的很大难题。

因为该产品不受运动设施、空间、场地、环境等因素的影响，在家即可进行操作。

操作的同时，让操作者仿佛在真正的打乒乓球。

而且该设计属于一种益智类设计，让人既可以锻炼身体，也可以锻炼智力。

1.2国内外研究现状

第二次世界大战以后，电子计算机技术得到了突飞猛进的发展。

电子计算机一代一代的更新的同时，软件设计也迅速发展。

于是，1971年，世界上第一台电子游戏机出现了。

随着电子技术的迅猛发展，电子游戏机进入了次世代，主要有三大游戏机厂商。

分别为：

SONY、微软和任天堂。

如今，大部分益智类游戏机属于电子游戏机，乒乓游戏机就属于电子游戏机。

随着电子技术的突破，电子游戏机开始朝着“便携式”和“家庭化”方向发展，彩色电视的普及使大型游戏机的显像管和扫描版部分完全可以被彩色电视取代，使得微处理机部分与现实屏幕实现了分离。

现在制成的游戏机只相当于一个信号发生器。

如今乒乓游戏机已出现3D类，体感类等等类型。

乒乓游戏机不仅可以实现人们对乒乓球的热爱，又可以让人们在玩耍的同时进行身体锻炼和智力提高，具有明朗的前景。

1.3本设计的任务和设计方法

1.3.1设计任务

如今各种不同类型的游戏设备一直是消费领域的热点，本设计要求用低廉的成本设计出符合要求的游戏设备，要求操作方便，系统稳定度高。

设计任务为：

（1）使用乒乓游戏机的甲乙双方各在不同的位置发球或击球。

（2）乒乓球的位置和移动方向由灯亮及依次点燃的方向决定，球移动的速度为0.1～1s移动一位。

游戏者根据球的位置发出相应的动作，提前击球或出界均判失分。

（3）比赛用11分为一局来进行，甲乙双方都应设置各自的记分牌，任何一方先记满11分，该方就算胜了此局。

当记分牌清零后，又可开始新的一局比赛。

1.3.2设计方法

本设计是基于单片机的乒乓游戏机设计，分别进行了硬件和软件两部分的设计。

硬件设计包括单片机电路、译码电路、发光二极管电路、按键电路、显示电路等电路的设计。

软件设计是使用KeiluVision4软件编写与硬件模块相应的源程序。

利用Proteus软件对电路进行仿真，最后通过制作实物实现设计。

2乒乓游戏机设计方案

目前，有两种方案来设计乒乓游戏机设计。

方案一是基于单片机的乒乓游戏机设计。

方案二是基于FPGA的乒乓游戏机设计。

2.1基于单片机的乒乓游戏机设计

方案一是基于单片机的乒乓游戏机设计，结果用LCD1602显示屏显示。

软件方面，使用KeiluVision4进行编程。

硬件设计包含单片机电路、模拟球台电路、按键电路、显示电路等电路的设计。

软件设计包括：

主程序、按键组程序（球拍模拟和暂停/开始子程序）、发球程序、线路程序（包括线路选择和LED点阵子程序）、回球程序、LCD显示程序。

基于单片机的乒乓游戏机系统框图如图2.1所示。

单片机模块

电源电路

模拟球台电路

时钟电路

复位电路

LCD显示屏

按键电路

图2.1基于单片机的乒乓游戏机的系统框图

2.1.1硬件设计

电源电路设计：

单片机正常工作电压为+5V，设计采用三端稳压集成电路输出+5V电压。

时钟电路设计：

单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路，即单片机必须在时钟的驱动下才能工作。

因此，单片机需要时钟电路支持，否则不能执行程序。

复位电路设计：

单片机的复位电路使系统的所有功能部件都处于一个确定的初始状态，防止单片机执行错误操作、发出错误的指令等失误。

单片机的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位。

本设计采用手动按钮复位方式进行复位。

按键电路设计：

包含两个按键组，一个是模拟球拍按键电路，一个是暂停/开始

和复位按键电路。

模拟球拍按键分为左右两边，左右各四个。

这四个按键其中三个是对LED点阵线路的操作，一个是进行加速；暂停/开始和复位按键是在运行任一程序时，对游戏机进行暂停或开始或复位。

模拟球台设计：

包括译码电路设计和发光二极管设计。

译码电路设计：

本设计中采用16个发光二极管，而单片机的端口较少，因此采用3-8译码器节约端口。

发光二极管设计：

由单片机控制74LS138译码器，74LS138译码器译码控制LED点阵得点亮顺序和相应点亮时间。

显示电路设计：

设计中采用LCD显示屏显示结果，左右两边分别用A、B表示。

2.1.2软件设计

主程序：

对乒乓游戏机进行初始化，定时器设置，对LED点阵输入数据等，延时扫描按键。

按键程序：

在回球和发球时，按键按下给单片机传入数据作出相应处理。

包括暂停/开始子程序，对系统进行暂停和开始。

发球程序：

绿色指示灯亮起时，B得到发球球权，否则A得到发球球权。

线路程序：

游戏发球有8个线路选择，AB分别4个线路选择，共有16个回球线路，存在数组b[16]中，包括LED点阵子程序，由单片机线路和delay_1（t）控制74LS138译码器，74LS138译码器译码控制LED点阵得点亮顺序和相应点亮时间。

回球程序：

当球在A边时，A可在相应delay_1（t）中感应A按键组的数据并作出相应处理；当球在B边时，同理。

显示程序：

显示游戏比分，当A或B到达11分时进入相应win子程序。

2.2基于FPGA的乒乓游戏机设计

方案二是基于FPGA的乒乓游戏机设计。

因为学校具备专门的实验箱，如果采用方案二只需编程便可实现。

通过对各部分编写VHDL程序，然后进行编译、仿真、逻辑综合、逻辑适配，最后进行编程下载，并通过程序验证结果。

用16个发光二极管代表乒乓球，在游戏机的两侧各设置两个开关，一个是发球开关，一个是击球开关。

甲方按动发球开关时，靠近甲方的第一盏灯亮，然后发光二极管由甲向乙依次点亮，代表乒乓球在移动。

当球过网后，按设计者规定的球位乙方就可以击球。

若乙方提前击球或没有击到球，则判乙方失分，甲方自动加分，重新发球比赛继续进行到一方记分到11分，该局结束，记分牌清零，可以开始新的一局比赛。

其系统框图如2.2所示。

图2.2基于FPGA乒乓游戏机的系统框图

2.3方案比较与选择

FPGA的运行速度很快，适合高速场合，而单片机的运行速度低的多；FPGA的I/O口多，容易实现大规模系统，方便连接外设，而单片机的I/O口较少，适合小规模系统；FPGA的内部程序是并行运行，具有处理复杂功能的能力，而单片机程序时串行

执行，程序需要执行完一条才能执行下一条，处理突发事件时只能调用中断资源；FPGA包含单片机和DSP软核，即单片机和DSP能实现的功能，FPGA一般都能实现。

单片机设计属于软件范畴，它的硬件即单片机芯片是固定的，通过软件编程语言描述在硬件芯片上的执行的软件指令。

FPGA设计属于硬件范畴，它的硬件即FPGA是可编程的，是一个通过硬件描述语言在FPGA芯片上自定义集成电路的过程。

由上可知，FPGA具有很多优点，但是对本设计而言是大材小用，而且芯片造价较高，因此选用单片机完成本设计。

在国内，有很多成熟且性价比高的单片机，以51单片机为主。

本设计对芯片的要求不高，因此选用性价比高的单片机STC89C51。

STC89C51是ISP的系统可编程芯片，可以直接将程序烧录到芯片中，方便程序的修改和实物调试。

其工作电压要求低，工作频率可达48MHz。

并且可通过串口直接下载程序，数秒即可完成下载。

采用单片机完成设计，可利用Proteus绘制电路原理图，用KeiluVision4进行编程，然后进行仿真调试，减少出错。

并且采用C语言编程，移植性强，使端口的程序控制变得简单。

综上所述，采用方案一完成乒乓游戏机的设计。

3硬件电路的设计

3.1硬件核心电路选择

乒乓游戏机设计选用单片机作为主控芯片，设计选用性价比高的STC89C51单片机。

STC89C51与其它51单片机比较，具有成本低，性能好的优点,并且其具有在线编程功能，可以直接将程序烧录到芯片中，不需要对硬件进行修改。

就乒乓游戏机而言，STC89C51能通过程序的编写实现所需的功能。

3.1.1单片机STC89C51简介

单片机STC89C51是宏晶科技推出的超强抗干扰/低功耗的单片机，指令代码与引脚结构完全兼容传统的8051单片机。

其最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的FlashROM，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载到单片机内部，并且速度更快。

STC89C51的芯片擦除特性：

整个PEROM阵列与三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚低电平10ms来完成。

在芯片擦除中，代码阵列全被写“1”，且在任何非空存储字节被重复编程以前，必须执行该操作。

STC89C51芯片及其引脚如图3.1所示。

图3.1STC89C51芯片及其芯片引脚图

3.1.2单片机端口分配

乒乓游戏机需要八个端口接按键；16个发光二极管则通过两个3-8译码器与单片机连接，需要六个端口；LCD显示屏需要7个端口；单片机时钟电路接两个端口；复位电路接复位端口；暂停/开始按键需要两个端口；发球指示灯和暂停指示灯需要两个端口。

下面对所需端口进行介绍及分配：

P0口（39～32脚）：

P0.0～P0.7统称为P0口。

P0口是一个三态双向口，每个引脚可吸收八个TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。

P0可用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在Flash编程时，P0口用作原码输入口。

当Flash进行校验时，P0输出原码，必须接上拉电阻。

P1口（1～8脚）：

P1.0～P1.7统称为P1口.P1口为准双向口，P1口缓冲器能接收四个TTL门电流。

P1口的管脚写“1”后，内部上拉为高，可用作输入。

P1口被外部下拉为低电平时，因为内部上拉，将输出电流。

在Flash编程和校验时，P1口接收低八位地址。

P2口（21～28脚）：

P2.0～P2.7统称为P2口。

P2口为准双向口，缓冲器可接收/输出4个TTL门电流。

当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，因为内部上拉将输出电流。

当P2口用于外部程序存储器或十六位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出高八位地址。

在给出地址“1”时，利用上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出单片机特殊功能寄存器的内容。

P2口在Flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口（10～17脚）：

P3.0～P3.7统称为P3口。

P2口为准，双向口可接收/输出四个TTL门电流。

当P3口写入“1”时，被内部上拉为高电平，并用作输入。

当外部下拉为低电平，因为上拉的缘故，P3口将输出电流。

P3口作为第二功能使用时各端口引脚的作用，如表3.1所示。

表3.1P3口的第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）