電路方案：基于單片機(jī)的貪吃蛇設(shè)計(jì)

1設(shè)計(jì)目的

在21世紀(jì)的今天，人們的生活開始變得更加豐富多彩。在繁忙的工作之余，娛樂成為人們生活不可或缺的一份子，而游戲作為近年來逐漸興起的一種娛樂方式，已經(jīng)越來越受到人們的青睞。在工作學(xué)習(xí)之余，通過玩游戲來放松、調(diào)節(jié)緊張的學(xué)習(xí)工作壓力是不錯(cuò)的選擇;然而大型的網(wǎng)絡(luò)游戲玩起來比較耗費(fèi)時(shí)間，且不能隨時(shí)隨地的玩。那么如果這時(shí)候擁有一款簡(jiǎn)單易攜帶，并且能夠緩解壓力的小游戲?qū)⑹莻€(gè)不錯(cuò)的選擇，所以，我就設(shè)計(jì)了這樣一款簡(jiǎn)單易攜帶的經(jīng)典小游戲——貪吃蛇。

1.2 設(shè)計(jì)要求

(資料圖)

①制作一個(gè)的貪吃蛇游戲，系統(tǒng)以單片機(jī)為控制器，用四個(gè)輸入端表示四個(gè)控制鍵（上下左右）。②游戲初始化蛇的節(jié)數(shù)，以及障礙墻壁。③當(dāng)蛇的頭碰到障礙墻壁或蛇的身體時(shí)自動(dòng)結(jié)束。

2 總體方案

2.1 總體框圖

圖 2?1總體框圖

2.2 方案選擇2.2.1 點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路選擇由于單片機(jī)IO口的驅(qū)動(dòng)能力有限，當(dāng)驅(qū)動(dòng)16*16點(diǎn)陣時(shí)，行控制IO口需要控制16個(gè)LED，單個(gè)IO口驅(qū)動(dòng)能力達(dá)不到良好的顯示效果，故需要驅(qū)動(dòng)電路來控制16*16點(diǎn)陣，具體有以下兩種方案以供選擇：方案一：選用74HC595作為點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)。74HC595是一個(gè)8位串行輸入、并行輸出的位移緩存器?？墒褂?個(gè)74HC595來控制點(diǎn)陣的行列，在控制點(diǎn)陣時(shí)僅需6個(gè)IO口，但每次控制時(shí)需要發(fā)送16次數(shù)據(jù)。方案二：選用74LS138配合74HC373作為點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)。74LS138為3線－8線譯碼器，可由2個(gè)74LS138構(gòu)成一個(gè)4線－16線譯碼器來驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣的行。74HC373是八路D型鎖存器，可用來并行驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣的列，每次控制只需執(zhí)行一次命令。但在此方案中需要20個(gè)IO口來控制電路。根據(jù)以上兩種方案的描述，再結(jié)合我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，IO口還未完全利用，為使刷新速度更快，故采取用方案二。2.2.2 按鍵電路設(shè)計(jì)方案在本設(shè)計(jì)中，我們需要通過按鍵來實(shí)現(xiàn)改變貪吃蛇的運(yùn)動(dòng)方向。那么，鍵盤就是整個(gè)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。具體有以下兩種方案以供選擇：方案一：矩陣式鍵盤，這種鍵盤I/O口利用率高，但電路連接復(fù)雜，軟件編程也比較復(fù)雜，適用于需要大量使用案件的系統(tǒng)。方案二：獨(dú)立式鍵盤，這種鍵盤每個(gè)按鍵之間是相互獨(dú)立的，每個(gè)按鍵占用一個(gè)IO口，當(dāng)按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/0口利用率不高，但程序編寫簡(jiǎn)單，適用于所需按鍵較少的場(chǎng)合。根據(jù)以上兩種方案的描述，再結(jié)合我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，顯而易見，我們需要獨(dú)立式鍵盤，所以，這里我們選擇方案一。2.2.3 電源供電選擇電源電路是一個(gè)電子產(chǎn)品的重要組成部分，本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路都需要電源。在本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)、74HC373和74LS138的電壓典型值都為5V，故需要一個(gè)5V的電源供電。具體有以下三種方案以供選擇：方案一：使用直流電源供電，例如手機(jī)充電器，可以直接獲取5V的電源，并且可以長(zhǎng)時(shí)間供電，但必須有電線連接，不具有便攜性。方案二:使用干電池供電,電池?zé)o需電線連接，具有便攜性。并且單節(jié)干電池由1.5V的電壓，3節(jié)干電池串聯(lián)即可得到4.5V的電壓，基本滿足需求。但干電池僅能單次使用，沒電后需更換電池，造成浪費(fèi)。方案三：使用鋰電池供電，電池?zé)o需電線連接，比干電池更加輕便，更具有便攜性。鋰電池還可以重復(fù)充電循環(huán)使用，設(shè)計(jì)產(chǎn)品可有更長(zhǎng)的壽命。另外鋰電池典型電壓為3.7V，不滿足系統(tǒng)所需的5V，但市面上有類似于FM3209M之類的鋰電池管理芯片只需搭配簡(jiǎn)單的外圍電路即可獲得5V的電壓。根據(jù)以上兩種方案的描述，我們選用方案三，使用鋰電池為本設(shè)計(jì)供電，以便使設(shè)計(jì)產(chǎn)品更加便捷。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.1.1 單片機(jī)選型本設(shè)計(jì)選用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，控制該貪吃蛇系統(tǒng)的整體運(yùn)行。STC89C52單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為功耗低、八位CMOS微處理器性能高，片內(nèi)具有8k在線編程Flash存儲(chǔ)器，采用MCS-51內(nèi)核，指令完全兼容MCS-51，具有開發(fā)簡(jiǎn)單、可在線編程下載、成本低等優(yōu)點(diǎn)。[1]最小系統(tǒng)主要由STC89C52單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路構(gòu)成。電源采用鋰電池供電，晶振電路為12M石英晶振，并聯(lián)兩個(gè)電容，可以起到頻率微調(diào)作用。復(fù)位電路有上電自動(dòng)復(fù)位和開關(guān)復(fù)位兩種復(fù)位方式。3.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖 3?1所示:

圖 3?1單片機(jī)最小系統(tǒng)

[1] 時(shí)鐘電路

圖 3?2單片機(jī)最小系統(tǒng)-時(shí)鐘電路

單片機(jī)內(nèi)部具有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。通常在引腳XTALI和XTAL2跨接石英晶體和兩個(gè)補(bǔ)償電容構(gòu)成自激振蕩器，系統(tǒng)時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)如圖 3?2所示，在本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘電路采用12M石英晶振作為基準(zhǔn)時(shí)鐘。

[2] 復(fù)位電路

圖 3?3單片機(jī)最小系統(tǒng)-復(fù)位電路

復(fù)位電路用于重新啟動(dòng)系統(tǒng)，使得單片機(jī)回到原始狀態(tài)。設(shè)置復(fù)位電路的目的是當(dāng)系統(tǒng)失去控制或程序跑飛時(shí)，通過復(fù)位按鈕恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置，系統(tǒng)重新啟動(dòng)運(yùn)行。[2]復(fù)位電路由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖 3?3并結(jié)合“電容電壓不能突變”的性質(zhì)，可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RST腳將會(huì)出現(xiàn)高電平，并且，這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的RC值來決定。典型的51單片機(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位，所以，適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。一般教科書推薦C 取10u，R取8.2K。當(dāng)然也有其他取法的，原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個(gè)機(jī)器周期的高電平。式 3?1電容充電時(shí)間計(jì)算公式在本設(shè)計(jì)中C取10u，R取10K。由式 3?1計(jì)算得 =0.1s遠(yuǎn)大于兩個(gè)機(jī)器周期（2us），故可以實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能，另外還設(shè)置了一個(gè)按鍵作為復(fù)位按鍵，即按下后直接將單片機(jī)RST端接至5V復(fù)位單片機(jī)，當(dāng)按鍵松開后再重復(fù)電容充電的過程恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.2 點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路

圖 3?5點(diǎn)陣LED內(nèi)部原理圖

點(diǎn)陣LED內(nèi)部原理圖如圖 3?5所示，外側(cè)的就是點(diǎn)陣LED的引腳號(hào)，左側(cè)的8個(gè)引腳是接的內(nèi)部LED的陰極，上側(cè)的8個(gè)引腳接的是內(nèi)部LED的陽(yáng)極。從圖上可以看出來，我們的9腳如果是低電平，13腳是高電平的話，最左上角的那個(gè)LED小燈就會(huì)亮。控制一個(gè)8*8的點(diǎn)陣需要16個(gè)引腳，將四個(gè)點(diǎn)陣行與行分別連接，列與列分別連接，控制這個(gè)16*16點(diǎn)陣仍然需要32個(gè)引腳，占用了過多的單片機(jī)IO口，所以需要一定的驅(qū)動(dòng)電路來控制點(diǎn)陣。具體驅(qū)動(dòng)方式如下述所示。

3.2.1 4-16線譯碼器（行驅(qū)動(dòng)）

圖 3?6由兩片74LS138構(gòu)成的4~16線譯碼器

設(shè)計(jì)中采用74LS138譯碼器。譯碼器每一時(shí)刻的輸出口會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)的譯碼來選擇，同一時(shí)刻僅有一個(gè)端口輸出與其他端口的輸出不同，該電平信號(hào)就是設(shè)計(jì)所需的。只要在輸入端給出連續(xù)的編碼信號(hào)，輸出端就會(huì)產(chǎn)生由低位端口到高位端口輸出的電平信號(hào)。由于16×16點(diǎn)陣給出的行引腳為16根，而74LS138僅有8位輸出引腳，所以要想實(shí)現(xiàn)譯碼選擇行線的話一片，74LS138顯然是不夠的，因此該設(shè)計(jì)中采用兩片74LS138譯碼器級(jí)聯(lián)成4～16線譯碼器。那么怎樣才能實(shí)現(xiàn)兩片74LS138級(jí)聯(lián)成為4～16線譯碼器呢?級(jí)聯(lián)原理如圖 3?6所示，從圖中可以看到，兩片74LS138的輸入端被相應(yīng)地連在一起組成4～16譯碼器的低三位，關(guān)鍵是第四位的連接方式，從圖中可以看出，當(dāng)D3=0時(shí)，會(huì)使73LS138(1)對(duì)輸入信號(hào)譯碼，而輸出端也僅會(huì)在73LS138(1)的Y0到Y(jié)7之間進(jìn)行選擇。這與一片74LS138的譯碼關(guān)系一樣，74LS138(2)則不參與譯碼，而全部輸出默認(rèn)電平，但從輸入端看是輸入了四位信號(hào)而產(chǎn)生了16位數(shù)據(jù)。再當(dāng)D3=1時(shí)，73LS138(2)對(duì)輸入的低三位信號(hào)譯碼，73LS138(2)被屏蔽，輸出端全部輸出高電平。這樣，只要將4～16線譯碼器的輸入端口接入單片機(jī)的IO端口上，16位輸出端接在16×16點(diǎn)陣的行線接口上，即可完成點(diǎn)陣的行驅(qū)動(dòng)。[3]

圖 3?7點(diǎn)陣行驅(qū)動(dòng)電路

在本設(shè)計(jì)中，如圖 3?6所示通過單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2和P2.3四個(gè)引腳作為4~16線譯碼器的輸入，4~16線譯碼器的輸出接至四個(gè)點(diǎn)陣的陰極。3.2.2 D鎖存器（列驅(qū)動(dòng)）74HC373是八路D型鎖存器，每個(gè)鎖存器具有獨(dú)立的D型輸入，以及適用于面向總線的應(yīng)用的三態(tài)輸出。

鎖存器的主要作用
[1]	緩存
[2]	完成高速的控制其與慢速的外設(shè)的不同步問題
[3]	是解決驅(qū)動(dòng)的問題（提供的電流比51IO口輸出電流大）
[4]	拓展I/O口（可以用鎖存器冪疊加方法，即鎖存器的Q再接鎖存器實(shí)現(xiàn)IO口的無限拓展）

表 3?1鎖存器的主要作用

在本設(shè)計(jì)中就是用到了鎖存器的第三個(gè)功能，微控制器的IO口均不能流過過大的電流，LED點(diǎn)亮?xí)r有約10ms的電流，因此點(diǎn)陣陽(yáng)極不要直接接單片機(jī)IO口，應(yīng)先經(jīng)過一個(gè)緩沖器74HC373。單片機(jī)IO口只需很小的電流控制74HC373即可間接的控制點(diǎn)陣陽(yáng)極的顯示，而74HC373輸出也能負(fù)載約10mA的電流。設(shè)置數(shù)碼管段的驅(qū)動(dòng)電流為ID=15mA，這個(gè)電流點(diǎn)亮度好，并且有一定的裕度。

圖 3?8點(diǎn)陣列驅(qū)動(dòng)電路

在本設(shè)計(jì)中，如圖 3?7所示將鎖存器串如單片機(jī)與點(diǎn)陣之間，將鎖存器的OE接低電平、LE接高電平，以使鎖存器的輸出始終等于輸入。從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大電流的作用。

3.3 按鍵電路

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主函數(shù)

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圖 4?1主函數(shù)流程圖

單片機(jī)復(fù)位后，單片機(jī)運(yùn)行main()函數(shù)，初始化定時(shí)器并點(diǎn)亮由兩個(gè)LED構(gòu)成的蛇身和一個(gè)食物，蛇開始默認(rèn)向左運(yùn)動(dòng)。初始化完成后單片機(jī)循環(huán)執(zhí)行點(diǎn)陣掃描函數(shù)（點(diǎn)陣顯示掃描函數(shù)）與按鍵掃描函數(shù)（檢測(cè)按鍵是否被按下）。點(diǎn)陣掃描函數(shù)：點(diǎn)陣的顯示原理是在每一時(shí)刻僅顯示一行數(shù)據(jù)，然后通過每行輪流顯示，以很快的速度不斷地刷新，也就產(chǎn)生了靜態(tài)的顯示效果。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)P2.0-P2.3引腳控制4~16線譯碼器從而控制點(diǎn)陣的行，P0與P1控制點(diǎn)陣的列。當(dāng)P2.0-P2.3分別是0、0、0、0時(shí)，選中的是點(diǎn)陣的第一行，其顯示內(nèi)容由P0與P1控制，IO口為高電平時(shí)點(diǎn)陣上對(duì)應(yīng)LED點(diǎn)亮反之低電平則不亮，當(dāng)P0與P1分別是0xff與0x00時(shí)，第一行的左八個(gè)LED點(diǎn)亮右八個(gè)熄滅。當(dāng)P2.0-P2.3分別是0、0、0、1時(shí)，選中的是點(diǎn)陣的第二行，依次類推從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣每行的顯示?？刂芇2.0-P2.3引腳以實(shí)現(xiàn)選中1-16行，并使其依次循環(huán)選中，并通過P0與P1發(fā)送數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣整片的顯示。按鍵掃描函數(shù)：在本設(shè)計(jì)中按鍵使用的是單片機(jī)的P3.2-P3.5，單片機(jī)內(nèi)部有將其上拉，所以在沒按下按鍵時(shí)按鍵輸入為高電平，按鍵另一端接地，當(dāng)按下按鍵時(shí)輸入則為低電平。所以循環(huán)掃描按鍵是否有變成低電平，當(dāng)找輸入到低電平，就使蛇向相應(yīng)的方向改變。

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