2048游戏机设计报告

2048游戏机设计报告

摘要因为在2048游戏中，不仅有上下左右四个控制按键和ABCD四个游戏模式

的选择按键，还有菜单键和返回键。若是采用独立按键则会占用很多I/O口，而51单片机中，往往I/O口是很有限的。所以我们采用了矩阵键盘，虽然在编程上比独立按键复杂了许多，但只需要八个接口就可以完成对整个游戏的控制。同时，我们考虑到矩阵键盘的应用比较广，在以后的单片机的学习中都会派上大用，所以，我们还给键盘的按键做了规定如图：

方案论证

●单片机的选择

单片机的选择有两个方案：51单片机与32单片机，经过各方面的讨论，我们最终选定51单片机作为游戏机的工作平台。具体分析如下：

51优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理(作位处理时，合128个位，相应位地址为OOH～7FH)，使用极为灵活。这一功能提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能)，只需用一条位操作指令。

51的另一个优点是乘法和除法指令。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令，即两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加

器A中，高位字节在寄存器B中

51系列的I/O脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平(复位时，各I/O口均置高电平)。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μA 甚至更小(电流是由脚的上拉电流形成的)，基本上没有驱动能力。其原因是高电平时该脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现，I/O脚不通，电流经R驱动LED发光；低电平时，I/O脚导通，电流由该脚入地，LED灭(I/O脚导通时对地的电压降小于1V，LED的域值1.5-1.8V)。5lI/O 脚使用简单，但高电平时无输出能力，所以有利有弊。

而对于32单片机高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核高性能的32位ARM Cortex-M3 CPU，这些特性使开发人员可以在设备上整合多种功能。运算速度大约是51单片机的几十倍。

虽然总体上32单片机的性能和功能比51单片机强大，但由于我们经验的缺乏，加上能力也不足，所以选用51单片机来学习和入门。

●显示屏的选择

再选择了51单片机的基础上，我们还得找一个显示效果好，又能兼顾51单片机性能的显示屏，12864液晶显示模块可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。

TFT-LCD液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏，也就是“真彩”(TFT)。TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶，所以TFT液晶的色彩更真。另外，TFT的亮度好，对比度高，层次感强，颜色鲜艳。缺点是比较耗电，成本较高。

在这道题中，我们选择了12864液晶屏，因为对于51单片机来说，接TFT液晶屏可能不稳定或可能带动效果不好。

●矩阵键盘的设定

矩阵键盘是单片机外部设备中所使用的排布类似于矩阵的键盘组，其按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V 电源上。无按键按下时，行线处于高电平的状态，而当有按键按下时，行线电平与此行线相连的列线电平决定，其结构如图所示。

因为在2048游戏中，不仅有上下左右四个控制按键和ABCD四个游戏模式的选择按键，还有菜单键和返回键。若是采用独立按键则会占用很多I/O口，而51单片机中，往往I/O 口是很有限的。所以我们采用了矩阵键盘，虽然在编程上比独立按键复杂了许多，但只需要八个接口就可以完成对整个游戏的控制。同时，我们考虑到矩阵键盘的应用比较广，在以后的单片机的学习中都会派上大用，所以，我们还给键盘的按键做了规定如图：

理论分析与设计

●稳压系统

我们利用9V的南孚电池通过稳压电路将独立电源的电压稳定在5.6V，稳压电路如图所示：

稳压电流IZ与稳压值VZ的乘积不能超过器件的消耗功率，我们使用功率为0.5W的稳压二极管，所以当稳压值VZ =5.6V时，其稳压电流IZ不能超过0.5W÷5.6V≈89mA。

所以电阻R1的阻值应至少为：（9V—5.6V）/89mA=38.2Ω。

电路与程序设计

●电路设计

针对2048游戏机，我们小组经过讨论最终确定以51单片机为运行平台，LCD12864作为显

示器，并用4x4的矩阵键盘作为输入工具，来实现用户与游戏机之间的交互过程。电路整体以12V 干电池作为电源，经稳压电路将整体电压稳定在5.6V 以支持游戏机的正常工作。

电路具体分为三部分，CPU 采用STC89C58RD+单片机，用11.0592MHZ 的晶振来确

定机械时间。通过P1I/O 口与矩阵键盘连接，P0I/O 口与LCD12864的数据端连接。键盘利用扫描发来反馈用户按键。具体电路如下（Proteus 绘图，因单片机和LCD12864没有对应型号，故图中电路与实际电路有部分区别）：

● 程序设计

程序共包含主文件（2048.c ）,矩阵键盘驱动函数库（keyboard.h ）,LCD12864驱动函数库（LCD12864.h ）。总体完成基础要求全部（因LCD12864自身显示空间有限，无法实时显示分数，可在任意游戏模式中按下#键暂停查看分数（score ）和最高分（record ）,再按一次返回游戏），完成了发挥部分的（1）（2）（3）及标准模式下，通关后可以选择继续游戏，也可以选择返回主菜单的功能。程序简要如下：

? LCD12864.h

? 端口设置

? 忙检测函数，若忙则等待，最长等待时间为60ms

?延时函数，延时时间为del个晶振周期

?写命令函数

?写数据函数，12864只能显示ASCII字符

?初始化12864函数

?控制字符位置函数

?写字符串函数，对写字符函数的拓展，并结合了位置函数

?写整型函数，针对2048游戏而写，最多可现实6为整数

?keyboard.h

主要为keyscan函数，会根据按键返回一个整数，在1到17之间，其中17为空键程序摘要如下：

主文件

?2048.c

由于主文件程序太长，以下只作部分摘要：

?开机部分：

字符串定义

开机显示

?然后就是游戏模式的选择，如进入标准模式：

?四个模式

?标准模式摘要

数组，分数，最高分的定义，起始随机产生两个2，然后把数组显示出来

游戏上下左右控制与计算，以向上为例

在游戏过程中按下*键可回到主菜单

按下#键可暂停查看游戏分数和最高分，再按一次返回游戏

如果游戏分数比最高分高，最高分更新，计算完毕后随机产生一个2

更新计算后的数组

游戏结束和游戏胜利的判断句

游戏结束后，显示game over,分数，最高分，按下*回到主菜单；游戏胜利后，显示Congratuations!You win!，分数，最高分，按下*回到主菜单，

按下#可继续游戏

速度模式摘要

速度模式与标准模式相当，只是多了中断函数作为计时工具

我们采用的是方式1中断，分别用counter和counter1来为30s和2s计数，当计数满是，全局变量t会变化，然后再主函数中进行相应操作

启动中断的语句

中断函数

当游戏时间到时，显示time up,分数和最高分，当按键过慢时，显示too slow,分数和最高分，按下*回到主菜单

?开局模式摘要

开局模式也和标准模式相当，只是增加了关卡设计，每一关起始随机10个相应的数，当合成起始最大数的两倍时，进入下一关

开始显示第n关，分数，最高分，然后产生1个最大的数和比它小的9个数，每过一关，最大数翻倍

成功完成本关的判断语句

?加锁模式摘要

加锁模式也和标准模式相当，增加了被加锁的2，加锁的概率我们定为20% 针对加锁，我们引用另一个数组与原数组一一对应，加锁时，对应数组数值改变，在计算时，对对应数组进行判断即可

如图，随机产生0到4，当产生0时，加锁

计算时，如果遇到a[i][j]!=0,不进入计算即可，当加锁的数被加时，

a[i][j]=2，然后解锁

测试方案与测试结果

题目中速度模式要求游戏30s后自动停止，2s内没有按键则停止游戏，为了验证这两个数据是否准确，我们采用了如下办法：

?验证30s：

我们将程序做一定更改，使游戏时间到后，不停止中断，这样，再过一个

游戏时间，游戏会在停止一次，我们在游戏开始的同时，按下秒表，测量

游戏停止五次使用的总时间，若这个总时间大约为150s，则大致符合题目

要求，共测三次。如下为我们实际测试结果：

由测试结果可得，我们的游戏时间基本保持在30s，误差约为0.04%，所以，

我们可大胆的认为我们30s的游戏时间设定是精确的。

?验证2s：

我们按照相同的办法对2s按键时间进行验证，以下为我们实际测试结果：

由测试结果可得，我们的游戏时间基本保持在2s，误差约为2.00%，误差

相比30s的情况有所增加，可能与第一次计时按键不同步有一定关系，所

以，测试结果仍在可接受范围内。