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根本技能，熟悉原理图绘制、仿真、软件设计、优化以及系统调试的根本方法，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根底。
2产品简介
“贪食蛇〞又称为“贪吃蛇〞，是一种益智小游戏。
其游戏规那么比拟简单，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，小蛇就立即毙命并完毕游戏。
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将送入指令存放器执行。
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亮度进展调节。
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。
这种电路构造，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，中断效劳程序通过检测P2.6口与P2.7口的电平可以识别是哪个按键被按下。
假设P2.6和P2.7同时为低电平，说明是UP键按下；假设同时为高电平，说明DOWN键按下；假设P2.6为高，P2.7为低那么说明是LEFT键被按下；假设P2.6为低，P2.7为高那么说明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串口进展通信时，必须进展电平转换。
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其他局部电路说明
电源电路、复位和时钟电路比拟简单，具体连接请参见电路原理总图。
供电局部采用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比照拟稳定的直流电压。
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，按键复位用于游戏完毕后游戏的重新启动。
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对单片机进展复位，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展复位。
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局部：
主程序、外部中断效劳程序、定时中断效劳程序。
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。
外部中断效劳程序的功能是识别按键。
定时中断效劳程序的作用是定时产生步进信号。
外部中断效劳程序与主程序之间联系的纽带是全局变量MovDirection,键盘中断效劳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。
定时中断效劳程序通过全局变量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，定时中断效劳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
主程序首先进展LCD和定时器的初始化，绘制好游戏界面后翻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〔由定时中断效劳程序设置〕，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，假设碰到，将食物与蛇体合并，并产生新的食物再进入首身相碰判断；假设未碰到食物，直接进入首身相碰判断。
假设首身未相碰那么将IsToStep清零、更新得分后回到主循环；否那么退出游戏。
定时器中断效劳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，我们用屡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，假设蛇体长度越长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。
外部中断效劳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，键值都不进展处理；而贪食蛇正向左或向右移动时，按下左右方向键，键值都不进展处理。
4.2软件模块设计
4.2.1LCD初始化
在对LCD进展初始化时，先要检查读忙碌标志位，当BF为1表示内部操作正在进展，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进展读写操作后，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，先进展读忙碌检查。
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，进入中断效劳程序。
中断效劳程序先将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一样，也不能超出墙外，否那么就要重置食物。
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，因此不管是汇编的，还是C语言的，不管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〕翻开uVision3后，翻开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〕至此就可以进展源程序编写，完成编写后就对程序进展编译及仿真。
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在编辑器窗口翻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，就可以开场调试了。
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进展电路仿真。
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中新建立计图，画出本设计的电路图。
电路设计完成后就可以进展仿真。
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键即可进展仿真。
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展仿真。
5.2硬件的安装
软件调试及Proteus仿真完成后就进展硬件的安装。
读者可以自己印制PCB进展设计，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。
比方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，假设没完成，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调试考前须知
5.3.1硬件调试考前须知
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展测试，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。
如果调试各局部都正常，就可以把整个程序下载到单片机系统中，再进展下一步的软件调试了。
5.3.2软件调试考前须知
整个程序是用C语言进展编写的，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软件进展仿真调试，之后再进展硬件调试。
这样可以防止屡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展调试了。
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异的，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，必须要综合的进展考虑。
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
ucharcodeshu0[]=
{0x00,0xE0,0x10,0x08,0x08,0x10,0xE0,0x00,0x00,0x0F,0x10,0x20,0x20,0x10,0x0F,0x00};/*"0"*/
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{0x00,0x10,0x10,0xF8,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x20,0x20,0x3F,0x20,0x20,0x00,0x00};/*"1"*/
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ucharcodeGam
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