基于单片机的贪吃蛇设计

1 绪论

1.1 设计目的

在21世纪的今天，人们的生活开始变得更加丰富多彩。在繁忙的工作之余，娱乐成为人们生活不可或缺的一份子，而游戏作为近年来逐渐兴起的一种娱乐方式，已经越来越受到人们的青睐。在工作学习之余，通过玩游戏来放松、调节紧张的学习工作压力是不错的选择;然而大型的网络游戏玩起来比较耗费时间，且不能随时随地的玩。那么如果这时候拥有一款简单易携带，并且能够缓解压力的小游戏将是个不错的选择，所以，我就设计了这样一款简单易携带的经典小游戏——贪吃蛇。

1.2 设计要求

①制作一个的贪吃蛇游戏，系统以单片机为控制器，用四个输入端表示四个控制键（上下左右）。

②游戏初始化蛇的节数，以及障碍墙壁。

③当蛇的头碰到障碍墙壁或蛇的身体时自动结束。

2 总体方案

2.1 总体框图

图 2‑1总体框图

2.2 方案选择

2.2.1 点阵驱动电路选择

由于单片机IO口的驱动能力有限，当驱动16*16点阵时，行控制IO口需要控制16个LED，单个IO口驱动能力达不到良好的显示效果，故需要驱动电路来控制16*16点阵，具体有以下两种方案以供选择：

方案一：选用74HC595作为点阵驱动。74HC595是一个8位串行输入、并行输出的位移缓存器。可使用4个74HC595来控制点阵的行列，在控制点阵时仅需6个IO口，但每次控制时需要发送16次数据。

方案二：选用74LS138配合74HC373作为点阵驱动。74LS138为3线－8线译码器，可由2个74LS138构成一个4线－16线译码器来驱动点阵的行。74HC373是八路D型锁存器，可用来并行驱动点阵的列，每次控制只需执行一次命令。但在此方案中需要20个IO口来控制电路。

根据以上两种方案的描述，再结合我们的系统设计，IO口还未完全利用，为使刷新速度更快，故采取用方案二。

2.2.2 按键电路设计方案

在本设计中，我们需要通过按键来实现改变贪吃蛇的运动方向。那么，键盘就是整个系统中不可缺少的一部分。具体有以下两种方案以供选择：

方案一：矩阵式键盘，这种键盘I/O口利用率高，但电路连接复杂，软件编程也比较复杂，适用于需要大量使用案件的系统。

方案二：独立式键盘，这种键盘每个按键之间是相互独立的，每个按键占用一个IO口，当按键数量较多时，I/0口利用率不高，但程序编写简单，适用于所需按键较少的场合。

根据以上两种方案的描述，再结合我们的系统设计，显而易见，我们需要独立式键盘，所以，这里我们选择方案一。

2.2.3 电源供电选择

电源电路是一个电子产品的重要组成部分，本设计中的单片机与驱动电路都需要电源。在本设计中的单片机、74HC373和74LS138的电压典型值都为5V，故需要一个5V的电源供电。具体有以下三种方案以供选择：

方案一：使用直流电源供电，例如手机充电器，可以直接获取5V的电源，并且可以长时间供电，但必须有电线连接，不具有便携性。

方案二:使用干电池供电,电池无需电线连接，具有便携性。并且单节干电池由1.5V的电压，3节干电池串联即可得到4.5V的电压，基本满足需求。但干电池仅能单次使用，没电后需更换电池，造成浪费。

方案三：使用锂电池供电，电池无需电线连接，比干电池更加轻便，更具有便携性。锂电池还可以重复充电循环使用，设计产品可有更长的寿命。另外锂电池典型电压为3.7V，不满足系统所需的5V，但市面上有类似于FM3209M之类的锂电池管理芯片只需搭配简单的外围电路即可获得5V的电压。

根据以上两种方案的描述，我们选用方案三，使用锂电池为本设计供电，以便使设计产品更加便捷。

3 硬件设计

3.1 单片机最小系统

3.1.1 单片机选型

本设计选用STC89C52单片机作为系统的主控芯片，控制该贪吃蛇系统的整体运行。STC89C52单片机的优点为功耗低、八位CMOS微处理器性能高，片内具有8k在线编程Flash存储器，采用MCS-51内核，指令完全兼容MCS-51，具有开发简单、可在线编程下载、成本低等优点。[1]

最小系统主要由STC89C52单片机、晶振电路、复位电路构成。电源采用锂电池供电，晶振电路为12M石英晶振，并联两个电容，可以起到频率微调作用。复位电路有上电自动复位和开关复位两种复位方式。

3.1.2 单片机最小系统

单片机最小系统原理图如图 3‑1所示:

图 3‑1单片机最小系统

[1] 时钟电路

图 3‑2单片机最小系统-时钟电路

单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALI和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，系统时钟电路结构如图 3‑2所示，在本设计中时钟电路采用12M石英晶振作为基准时钟。

[2] 复位电路

图 3‑3单片机最小系统-复位电路

复位电路用于重新启动系统，使得单片机回到原始状态。设置复位电路的目的是当系统失去控制或程序跑飞时，通过复位按钮恢复默认设置，系统重新启动运行。[2]

复位电路由电容串联电阻构成，由图 3‑3并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C 取10u，R取8.2K。当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机器周期的高电平。

式 3‑1电容充电时间计算公式

在本设计中C取10u，R取10K。由式 3‑1计算得 =0.1s远大于两个机器周期（2us），故可以实现上电复位功能，另外还设置了一个按键作为复位按键，即按下后直接将单片机RST端接至5V复位单片机，当按键松开后再重复电容充电的过程恢复正常运行。

3.2 点阵驱动电路

图 3‑5点阵LED内部原理图

点阵LED内部原理图如图 3‑5所示，外侧的就是点阵LED的引脚号，左侧的8个引脚是接的内部LED的阴极，上侧的8个引脚接的是内部LED的阳极。从图上可以看出来，我们的9脚如果是低电平，13脚是高电平的话，最左上角的那个LED小灯就会亮。

控制一个8*8的点阵需要16个引脚，将四个点阵行与行分别连接，列与列分别连接，控制这个16*16点阵仍然需要32个引脚，占用了过多的单片机IO口，所以需要一定的驱动电路来控制点阵。具体驱动方式如下述所示。

3.2.1 4-16线译码器（行驱动）

图 3‑6由两片74LS138构成的4~16线译码器

设计中采用74LS138译码器。译码器每一时刻的输出口会根据输入信号的译码来选择，同一时刻仅有一个端口输出与其他端口的输出不同，该电平信号就是设计所需的。只要在输入端给出连续的编码信号，输出端就会产生由低位端口到高位端口输出的电平信号。由于16×16点阵给出的行引脚为16根，而74LS138仅有8位输出引脚，所以要想实现译码选择行线的话一片，74LS138显然是不够的，因此该设计中采用两片74LS138译码器级联成4～16线译码器。那么怎样才能实现两片74LS138级联成为4～16线译码器呢?级联原理如图 3‑6所示，从图中可以看到，两片74LS138的输入端被相应地连在一起组成4～16译码器的低三位，关键是第四位的连接方式，从图中可以看出，当D3=0时，会使73LS138(1)对输入信号译码，而输出端也仅会在73LS138(1)的Y0到Y7之间进行选择。这与一片74LS138的译码关系一样，74LS138(2)则不参与译码，而全部输出默认电平，但从输入端看是输入了四位信号而产生了16位数据。再当D3=1时，73LS138(2)对输入的低三位信号译码，73LS138(2)被屏蔽，输出端全部输出高电平。这样，只要将4～16线译码器的输入端口接入单片机的IO端口上，16位输出端接在16×16点阵的行线接口上，即可完成点阵的行驱动。[3]

图 3‑7点阵行驱动电路

在本设计中，如图 3‑6所示通过单片机的P2.0、P2.1、P2.2和P2.3四个引脚作为4~16线译码器的输入，4~16线译码器的输出接至四个点阵的阴极。

3.2.2 D锁存器（列驱动）

74HC373是八路D型锁存器，每个锁存器具有独立的D型输入，以及适用于面向总线的应用的三态输出。

锁存器的主要作用
[1]	缓存
[2]	完成高速的控制其与慢速的外设的不同步问题
[3]	是解决驱动的问题（提供的电流比51IO口输出电流大）
[4]	拓展I/O口（可以用锁存器幂叠加方法，即锁存器的Q再接锁存器实现IO口的无限拓展）

表 3‑1锁存器的主要作用

在本设计中就是用到了锁存器的第三个功能，微控制器的IO口均不能流过过大的电流，LED点亮时有约10ms的电流，因此点阵阳极不要直接接单片机IO口，应先经过一个缓冲器74HC373。单片机IO口只需很小的电流控制74HC373即可间接的控制点阵阳极的显示，而74HC373输出也能负载约10mA的电流。设置数码管段的驱动电流为ID=15mA，这个电流点亮度好，并且有一定的裕度。

图 3‑8点阵列驱动电路

在本设计中，如图 3‑7所示将锁存器串如单片机与点阵之间，将锁存器的OE接低电平、LE接高电平，以使锁存器的输出始终等于输入。从而实现扩大电流的作用。

3.3 按键电路

4 软件设计

4.1 主函数

图 4‑1主函数流程图

单片机复位后，单片机运行main()函数，初始化定时器并点亮由两个LED构成的蛇身和一个食物，蛇开始默认向左运动。初始化完成后单片机循环执行点阵扫描函数（点阵显示扫描函数）与按键扫描函数（检测按键是否被按下）。

点阵扫描函数：点阵的显示原理是在每一时刻仅显示一行数据，然后通过每行轮流显示，以很快的速度不断地刷新，也就产生了静态的显示效果。在本设计中，单片机P2.0-P2.3引脚控制4~16线译码器从而控制点阵的行，P0与P1控制点阵的列。当P2.0-P2.3分别是0、0、0、0时，选中的是点阵的第一行，其显示内容由P0与P1控制，IO口为高电平时点阵上对应LED点亮反之低电平则不亮，当P0与P1分别是0xff与0x00时，第一行的左八个LED点亮右八个熄灭。当P2.0-P2.3分别是0、0、0、1时，选中的是点阵的第二行，依次类推从而实现点阵每行的显示。控制P2.0-P2.3引脚以实现选中1-16行，并使其依次循环选中，并通过P0与P1发送数据从而实现点阵整片的显示。