基于單片機的俄羅斯方塊游戲模擬器的設計

1、設計報告學 院：物理與電子工程學院 姓 名：關珊珊、趙聰、曹鶴、謝葉青班 級：1211電子信息工程指導老師：李新鄂專業(yè)方向課程設計報告題目：基于單片機的俄羅斯方塊游戲模擬器的設計摘 要： 本設計是通過AT89S52單片機來實現(xiàn)俄羅斯方塊游戲的設計，使用C語言進行編程?；竟δ苁牵簯冒存I來控制方塊的變換與移動；消除一行并計分；消除多行額外獎勵記分，方塊堆滿時結束游戲等俄羅斯方塊的基本功能。單片機在手持娛樂設備上的應用具有非常大的潛力，它能將其帶入到一個新的階段。為了解決外部電路圖，必須充分了解所用液晶的顯示方法和單片機的外部接口功能，和所需要處理的邏輯關系；還要理解LCD液晶的控制原理，來通過

2、數(shù)據(jù)端口和控制端口來實現(xiàn)畫面在液晶上面的顯示。關鍵詞：AT89S52；C語言；LCD液晶1、 設計要求：1、應用按鍵來控制方塊的變換與移動；2、消除一行并計分；3、消除多行額外獎勵記分，方塊堆滿時結束游戲。二、整體設計方案 2.1系統(tǒng)的核心部分單片機 2.1.1單片機的選擇單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當?shù)能浖巴獠吭O備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。目前，單片機

3、正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統(tǒng)控制技術的一次革命。單片機經(jīng)過3代的發(fā)展，正朝著多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價格、大存儲容量、強I/O功能及較好的結構兼容性方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢不外乎以下幾個方面：1 多功能 單片機中盡可能地把所需要的存儲器和I/O口都集成在

4、一塊芯片上，使得單片機可以實現(xiàn)更多的功能。比如A/D、PWM、PCA（可編程計數(shù)器陣列）、WDT（監(jiān)視定時器-看家狗）、高速I/O口及計數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。有的單片機針對某一個應用領域，集成了相關的控制設備，以減少應用系統(tǒng)的芯片數(shù)量。例如，有的芯片以51內(nèi)核為核心，集成了USB控制器、SMART CARD接口、MP3解碼器、CAN或者I*I*C總線控制器等，LED、LCD或VFD顯示驅動器也開始集成在8位單片機中。2高效率和高性能為了提高執(zhí)行速度和執(zhí)行效率，單片機開始使用RISC、流水線和DSP的設計技術，使單片機的性能有了明顯的提高，表現(xiàn)為：單片機的時鐘頻率得到提高；同樣頻率的單片機運行

5、效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，單片機的尋址能力、片內(nèi)ROM（FLASH）和RAM的容量都突破了以往的數(shù)量和限制。由于系統(tǒng)資源和系統(tǒng)復雜程度的增加，開始使用高級語言（如C語言）來開發(fā)單片機的程序。使用高級語言可以降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，增強軟件的可讀性和可移植性，便于改進和擴充功能。3低電壓和低功耗單片機的嵌入式應用決定了低電壓和低功耗的特性十分重要。由于CMOS等工藝的大量采用，很多單片機可以在更低的電壓下工作（1.2V或0.9V），功耗已經(jīng)降低到uA級。這些特性使得單片機系統(tǒng)可以在更小電源的支持下工作更長的時間。4低價格單片機應用面廣，使用數(shù)量大，帶來的直接好處就是成本的降低。

6、目前世界各大公司為了提高競爭力，在提高單片機性能的同時，十分注意降低其產(chǎn)品的價格。在此，我們采用型號為AT89S52的單片機。因為： AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、1000次擦寫周期、全靜

7、態(tài)操作：0Hz33MH、三級加密程序存儲器 、32個可編程I/O口線 、三個16位定時器/計數(shù)器八個中斷源 、全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標識符 。AT89S52具有以下標準功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容

8、被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 AT89S52單片機有PDIP、PLCC、TQFP三種封裝方式，在此我選用DPIP也就是雙列直插封裝的單片機此種封裝有如下特點：1. 適合PCB的穿孔安裝；2. 易于對PCB布線；3. 操作方便；2.1.2 AT89S52引腳功能描述AT89S52單片機的管腳說明如圖2-1所示：圖2-1 DIP封裝 AT89S52單片機引腳結構圖1P0口（P0.0P0.7）：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被

9、作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。2P1口(P1.0P1.7)：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和 P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如表2-1所示：在 Flash編程和校

10、驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。表2-1 P1口第二功能引腳號第二功能P1.0T2（定時器/計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數(shù)器 T2 的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7SCK（在系統(tǒng)編程用）3P2口（P2.0P2.7）：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外

11、部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2 鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。4P3口（P3.0P3.7）：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為 AT89S52第二功能使用，如表2-2所示：表2-2

12、 P3口第二功能引腳號第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2I(外部中斷 0)P3.3I(外部中斷 0)P3.4T0（定時器 0 外部輸入）P3.5T1（定時器 1 外部輸入）P3.6(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)在 flash 編程和校驗時，P3 口也接收一些控制信號。RST:復位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位?？撮T狗計時完成后，RST腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。2.1.3 晶振特性AT89S5

13、2單片機有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構成自激振蕩器。從外部時鐘源驅動器件的話，XTAL2可以不接，而從XTAL1接入，如圖2-2所示。由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有其它要求，最長低電平持續(xù)時間和最少高電平持續(xù)時間等還是要符合要求的。如圖 2-2 所示：圖2-2內(nèi)部振蕩電路連接圖2.2 液晶顯示模塊顯示器部分是由HD61202液晶顯示控制驅動器和JM12864J液晶顯示器組成的，下面我們對其分別進行介紹。 2.2.1液晶顯示控制驅動器HD61202

14、的特點HD61202液晶顯示控制驅動器是一種帶有驅動輸出的圖形液晶顯示控制器，它可直接與8位微處理器相連，它可與HD61203配合對液晶屏進行行、列驅動。HD61202是一種帶有列驅動輸出的液晶顯示控制器，它可與行驅動器HD61203配合使用，組成液晶顯示驅動控制系統(tǒng)。1.內(nèi)藏64×64=4096位顯示RAM，RAM中每位數(shù)據(jù)對應LCD屏上一個點的亮、暗狀態(tài)；2.HD61202是列驅動器，具有64路列驅動輸出；3.HD61202讀、寫操作時序與68系列微處理器相符，因此它可直接與68系列微處理器接口相連；4.HD61202的占空比為1/321/64。 2.2.2 液晶顯示控制驅動器H

15、D61202的引腳功能引腳CS1,CS2,CS3 為芯片的片選端；引腳 E 為讀寫使能信號，它是在下降沿時數(shù)據(jù)被鎖存入HD61202的；在E 高電平期間，數(shù)據(jù)被讀出；R/W 為讀寫選擇信號，當它為一時為讀選通，為零時為寫選通；DB0-DB7為數(shù)據(jù)總線RST 為復位信號復位信號有效時，關閉液晶顯示，使顯示起始行為0，RST可跟MCU相連，由MCU控制；也可直接接VDD，使之不起作用。HD61202的引腳功能如下表2-3所示：表2-3 HD61202的引腳功能引腳符號狀態(tài)引腳名稱功能CS1,CS2,CS3輸入芯片片選端CS1和CS2低電平選通，CS3高電平選通。E輸入讀寫使能信號在E下降沿，數(shù)據(jù)被

16、鎖存（寫）入HD61202；在E高電平期間，數(shù)據(jù)被讀出R/W輸入讀寫選擇信號R/W=1為讀選通，R/W=0為寫選通RS輸入數(shù)據(jù)、指令選擇信號RS=1為數(shù)據(jù)操作 RS=0為寫指令或讀狀態(tài)DB0-DB7三態(tài)數(shù)據(jù)總線RST輸入復位信號復位信號有效時，關閉液晶顯示，使顯示起始行為0，RST可跟MCU相連，由MCU控制；也可直接接VDD，使之不起作用。 2.2.3 液晶顯示控制驅動器HD61202的指令系統(tǒng)HD61202的指令系統(tǒng)比較簡單，總共只有七種。現(xiàn)分別介紹如下：1. 顯示開/關指令R/W RSDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 1 1 1 1 1 1/0

17、當DBO=1時，LCD顯示RAM中的內(nèi)容；DBO=0時，關閉顯示。2. 顯示起始行（ROW）設置指令該指令設置了對應液晶屏最上一行的顯示RAM的行號，有規(guī)律的改變顯示起始行，可以使LCD實現(xiàn)顯示滾屏的效果。R/W RSDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 1 顯示起始行（0-63）3. 頁(PAGE)置指令R/W RSDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 0 1 1 1頁號（0-7）顯示RAM共64行，分8頁，每頁8行。4. 列地址（Y Address）設置指令R/W RSDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2

18、 DB1 DB0 0 0 0 1 顯示列地址（0-63）設置了頁地址和列地址，就唯一確定了顯示RAM中的一個單元，這樣MCU就可以用讀、寫指令讀出該單元中的內(nèi)容或向該單元寫進一個字節(jié)數(shù)據(jù)。5. 讀狀態(tài)指令R/W RSDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 0BUSY 0 ON/OFF REST 0 0 0 0該指令用來查詢HD61202的狀態(tài)，各參量含義如下：BUSY：1-內(nèi)部在工作 0-正常狀態(tài)ON/OFF：1-顯示關閉 0-顯示打開REST： 1-復位狀態(tài) 0-正常狀態(tài)在BUSY和REST狀態(tài)時，除讀狀態(tài)指令外，其它指令均不對HD61202產(chǎn)生作用。在對HD61

19、202操作之前要查詢BUSY狀態(tài)，以確定是否可以對HD61202進行操作。6. 寫數(shù)據(jù)指令R/W RSDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 1 寫 數(shù) 據(jù)讀、寫數(shù)據(jù)指令每執(zhí)行完一次讀、寫操作，列地址就自動增一，必須注意的是，進行讀操作之前，必須有一次空讀操作，緊接著再讀才會讀出所要讀的單元中的數(shù)據(jù)。7. 讀數(shù)據(jù)指令R/W RSDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 1 讀 顯 示 數(shù) 據(jù) 2.2.4 HD61202的軟件設計液晶控制器HD61202 一共有七條指令，從作用上可分為兩類，顯示狀態(tài)設置指令和數(shù)據(jù)讀/寫操作指令。詳見指令系統(tǒng)可

20、查看圖形液晶顯示器產(chǎn)品有關手冊。顯示起始行設置中L5L0 為顯示起始行的地址，取值在0-3FH(1-64 行)范圍內(nèi)。頁面地址設置中P2-P0 為選擇的頁面地址，取值范圍為0-7H，代表1-8 頁。列地址設置中C5-C0 為Y地址計數(shù)器的內(nèi)容，取值在0-3FH(1-64 行)范圍內(nèi)。顯示器上128 點×64 點，每8點為一字節(jié)數(shù)據(jù)，都對應著顯示數(shù)據(jù)RAM(在HD61202 芯片內(nèi))，一點對應一個bit,計算機寫入或讀出顯示存儲器的數(shù)據(jù)代表顯示屏上某一點列上的垂直8 點行的數(shù)據(jù)。D0 代表最上一行的點數(shù)據(jù)，D1為第二行的點數(shù)據(jù)，D7為第八行的點數(shù)據(jù)。該bit=1 時該點則顯示黑點出來，

21、該bit=0 時該點則消失。另外LCD 指令中有條display ON/OFF 指令，display ON 時顯示RAM 數(shù)據(jù)對應顯示的畫面；display OFF 則畫面消失，RAM 中顯示數(shù)據(jù)仍存在。點陣字模文件的建立：由于MGLS12864 液晶顯示器沒有內(nèi)部字符發(fā)生器，所以在屏幕上顯示的任何字符、漢字等須自己建立點陣字模庫，然后均按圖形方式進行顯示。由于HD61202 顯示存儲器的特性，不能將計算機內(nèi)的漢字庫和其它字模庫提出直接使用，需要將其旋轉90 度后再寫入。2.2.5 JM12864J的電路結構特點JM12864J是使用HD61202及其兼容控制驅動器作為列驅動器，同時使用HD6

22、1203作為行驅動器的液晶模塊。由于HD6120不與MPU發(fā)生聯(lián)系，只要提供電源就能產(chǎn)生行驅動信號和各種同步信號，比較簡單，因此這里就不作介紹了。下面主要介紹一下JM12864J的邏輯電路圖。JM12864J共有兩片HD61202及其兼容控制驅動器和一片HD61203，如圖2-3所示：圖2-3 JM12864J的邏輯電路圖在JM12864J中，兩片HD61202的ADC均接高電平，RST也接高電平，這樣在使用JM12864J時就不必再考慮這兩個引腳的作用。跟HD61202（1）的相連；跟HD61202（2）的CS1相連，因此、選通組合信號為，=01選通（1），=10選通（2）。對于JM1286

23、4J，只要供給VDD、VSS和V0即可，HD61202和HD61203所需的電源將由模塊內(nèi)部電路在VDD和V0、VSS的作用下產(chǎn)生。2.2.6 鍵盤電路鍵盤電路本設計共采用按鍵3個，分別與單片機的 P1.0、P3.5、P3.6、P3.7口相連，分別對應旋轉、左移、下、右移。3 系統(tǒng)程序的設計3.1 俄羅斯方塊驅動流程圖3.2 俄羅斯方塊所有繪圖工作流程圖3.3 俄羅斯方塊中按下鍵的流程圖4 系統(tǒng)仿真4.1 Proteus軟件介紹Proteus軟件是來自英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件。 Proteus軟件有十多年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它EDA工

24、具一樣的原理布圖、PCB自動或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的電路仿真是互動的，針對微處理器的應用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現(xiàn)軟件源碼級的實時調試，如有顯示及輸出，還能看到運行后輸入輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，不需要別的，Proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境！ 其功能模塊：個易用而又功能強大的ISIS原理布圖工具；Proteus混合模型SPICE仿真； ARES PCB設計。Proteus 仿真器的一個擴展Proteus VSM：便于包括所有相關的器件的基于微處理器設計的協(xié)同仿真。此外，還可以結合微控制器軟件使用動態(tài)的鍵

25、盤，開關，按鈕，LEDs甚至LCD顯示CPU模型。1.支持許多通用的微控制器，如PIC,AVR,HC11以及8051； 2.交互的裝置模型包括：LED和LCD顯示,RS232終端,通用鍵盤； 3.強大的調試工具，包括寄存器和存儲器,斷點和單步模式； 4.IAR C-SPY 和Keil uVision3等開發(fā)工具的源層調試； 5.應用特殊模型的DLL界面-提供有關元件庫的全部文件。4.2 Keil軟件介紹Keil C51 µVision2集成開發(fā)環(huán)境是Keil Software，Inc/Keil Elektronik GmbH開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開發(fā)平臺，內(nèi)嵌多種符合

26、當前工業(yè)標準的開發(fā)工具，可以完成從工程建立到管理、編譯、鏈接、目標代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發(fā)流程尤其是C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時非常理想。4.3俄羅斯方塊系統(tǒng)PROTUES仿真用Proteus軟件，根據(jù)俄羅斯方塊電路原理圖，畫出仿真圖。電路圖畫完后使用Proteus與Keil聯(lián)調，這里使用的軟件是Keil µVision3.8與Proteus7.4。1.打開PROTEUS的安裝目錄,進入help目錄,打開ARM.HLP幫助文檔,點擊聯(lián)接:Remote Debugger Drivers/Downl

27、oad and Install remote debugger driver for Keil uVision3, 下載VDMAGDI.EXE, 運行安裝到KEIL安裝目錄VDM51.dll文檔會自動安裝到KEILC51BIN目錄。圖4-1 Protues仿真2.打開KEIL中打開要聯(lián)調的項目，在project workspace的“target1”上點右鍵/options for target'target1'。在打開的對話框中點擊到Debug選項卡，在右上角上先中USE選項， 并在下拉菜單中選中proteus VSM Simulator，在旁邊的Settings點一下，如果

28、是proteus在同一臺電腦，host:127.0.0.1, port:8000, 點確定/OK保存。3.打開proteus并打開要仿真的圖紙，點擊Debug菜單/選中Use Remote Debug Monitor。4.完成，如果程序和電路圖沒問題，在KEIL中build all并且仿真運行后，可以在proteus看到實時效果了如圖4-1所示：經(jīng)Proteus仿真，證明此俄羅斯方塊游戲能正常運行，可以進入實物焊接階段。5 系統(tǒng)性能測試與功能說明焊接完成后，將電源接通，游戲畫面出現(xiàn)后，分別按下左、右、下、旋轉等按鈕，均能正常在屏幕上做出反應。當方塊堆滿一行時，方塊正確消除，并將分數(shù)累計在屏幕右側，同時消除多行方塊時，分數(shù)有額外獎勵。達到一定分數(shù)時，方塊下落速度加快，難度提高。當屏幕中方塊有觸及頂端的時候