基于单片机的俄罗斯方块游戏模拟器的设计

设

计

报

告

学 院：物理与电子工程学院

姓 名：关珊珊、赵聪、曹鹤、谢叶青

班 级：1211电子信息工程

指导老师：李新鄂

专业方向课程设计报告

题目：基于单片机的俄罗斯方块游戏模拟器的设计

摘 要：

本设计是通过AT89S52单片机来实现俄罗斯方块游戏的设计，使用C语言进行编程。基本功能是：应用按键来控制方块的变换与移动；消除一行并计分；消除多行额外奖励记分，方块堆满时结束游戏等俄罗斯方块的基本功能。单片机在手持娱乐设备上的应用具有非常大的潜力，它能将其带入到一个新的阶段。为了解决外部电路图，必须充分了解所用液晶的显示方法和单片机的外部接口功能，和所需要处理的逻辑关系；还要理解LCD液晶的控制原理，来通过数据端口和控制端口来实现画面在液晶上面的显示。

关键词：AT89S52；C语言；LCD液晶

一、设计要求：

1、应用按键来控制方块的变换与移动；

2、消除一行并计分；

3、消除多行额外奖励记分，方块堆满时结束游戏。

二、整体设计方案

2.1系统的核心部分单片机

2.1.1单片机的选择

单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

单片机经过3代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性方向发展。其发展趋势不外乎以下几个方面：

1．多功能

单片机中尽可能地把所需要的存储器和I/O口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。比如A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器---看家狗）、高速I/O口及计数器的捕获/比较逻辑等。

有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。例如，有的芯片以51内核为核心，集成了USB控制器、SMART CARD接口、MP3解码器、CAN或者I*I*C总线控制器等，LED、LCD或VFD显示驱动器也开始集成在8位单片机中。

2．高效率和高性能

为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用RISC、流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内ROM（FLASH）和RAM的容量都突破了以往的数量和限制。

由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如C语言）来开发单片机的程序。使用高级语言可以降低开发难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩充功能。

3．低电压和低功耗

单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。由于CMOS等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2V或0.9V），功耗已经降低到uA级。这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。

4．低价格

单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。

在此，我们采用型号为AT89S52的单片机。因为： AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33MH、三级加密程序存储器 、32个可编程I/O口线 、

三个16位定时器/计数器八个中断源 、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符 。

AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89S52单片机有PDIP、PLCC、TQFP三种封装方式，在此我选用DPIP也就是双列直插封装的单片机此种封装有如下特点：

1. 适合PCB的穿孔安装；

2. 易于对PCB布线；

3. 操作方便；

2.1.2 AT89S52引脚功能描述

AT89S52单片机的管脚说明如图2-1所示：

17181920P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0(RXD)P3.1(TXD)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.6(WR)P3.7(RD)XTAL2XTAL1GNDVCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPALE/PROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)4433323134232221图2-1 DIP封装 AT89S52单片机引脚结构图

1．P0口（P0.0～P0.7）：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。

2．P1口(P1.0～P1.7)：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口

拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和 P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表2-1所示：

在 Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表2-1 P1口第二功能

引脚号

P1.0

P1.1

P1.5

P1.6

P1.7

第二功能

T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出

T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制）

MOSI（在系统编程用）

MISO（在系统编程用）

SCK（在系统编程用）

3．P2口（P2.0～P2.7）：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如 MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2 锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

4．P3口（P3.0～P3.7）：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为 AT89S52第二功能使用，如表2-2所示：

表2-2 P3口第二功能

引脚号

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

第二功能

RXD（串行输入）

TXD（串行输出）

INT0(外部中断 0)

INT0(外部中断 0)

T0（定时器 0 外部输入）

T1（定时器 1 外部输入）

WR(外部数据存储器写选通)

P3.7

RD(外部数据存储器写选通)

在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

2.1.3 晶振特性

AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟源驱动器件的话，XTAL2可以不接，而从XTAL1接入，如图2-2所示。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。如图 2-2 所示：

图2-2内部振荡电路连接图

2.2 液晶显示模块

显示器部分是由HD61202液晶显示控制驱动器和JM12864J液晶显示器组成的，下面我们对其分别进行介绍。

2.2.1液晶显示控制驱动器HD61202的特点

HD61202液晶显示控制驱动器是一种带有驱动输出的图形液晶显示控制器，它可直接与8位微处理器相连，它可与HD61203配合对液晶屏进行行、列驱动。HD61202是一种带有列驱动输出的液晶显示控制器，它可与行驱动器HD61203配合使用，组成液晶显示驱动控制系统。

1.内藏64×64=4096位显示RAM，RAM中每位数据对应LCD屏上一个点的亮、

暗状态；

61202是列驱动器，具有64路列驱动输出；

61202读、写操作时序与68系列微处理器相符，因此它可直接与68系列微处理器接口相连；

61202的占空比为1/32～1/64。

2.2.2 液晶显示控制驱动器HD61202的引脚功能

引脚CS1,CS2,CS3 为芯片的片选端；引脚 E 为读写使能信号，它是在下降沿时数据被锁存入HD61202的；在E 高电平期间，数据被读出；R/W 为读写选择信号，当它为一时为读选通，为零时为写选通；DB0-DB7为数据总线RST 为复位信号复位信号有效时，关闭液晶显示，使显示起始行为0，RST可跟MCU相连，由MCU控制；也可直接接VDD，使之不起作用。HD61202的引脚功能如下表2-3所示：

表2-3 HD61202的引脚功能

引脚符号 状态 引脚名称 功能

CS1和CS2低电平选通，CS3高电平选通。

在E下降沿，数据被锁存（写）入HD61202；在E高电平期间，数据被读出

R/W=1为读选通，R/W=0为写选通

RS=1为数据操作

RS=0为写指令或读状态

复位信号有效时，关闭液晶显示，使显示起始行为0，RST可跟MCU相连，由MCU控制；也可直接接VDD，使之不起作用。

CS1,CS2,CS3 输入 芯片片选端

E

R/W

RS

DB0-DB7

RST

输入 读写使能信号

输入 读写选择信号

输入

数据、指令选择信号

三态 数据总线

输入 复位信号

2.2.3 液晶显示控制驱动器HD61202的指令系统

HD61202的指令系统比较简单，总共只有七种。现分别介绍如下：

1. 显示开/关指令

R/W RS

0 0

DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

0 0 1 1 1 1 1 1/0

当DBO=1时，LCD显示RAM中的内容；DBO=0时，关闭显示。

2. 显示起始行（ROW）设置指令

该指令设置了对应液晶屏最上一行的显示RAM的行号，有规律的改变显示起始行，可以使LCD实现显示滚屏的效果。

R/W RS

0 0

R/W RS

0 0

DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

1 1 显示起始行（0-63）

DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

1 0 1 1 1 页号（0-7）

3. 页(PAGE)置指令

显示RAM共64行，分8页，每页8行。

4. 列地址（Y Address）设置指令

R/W RS

0 0

DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

0 1 显示列地址（0-63）

设置了页地址和列地址，就唯一确定了显示RAM中的一个单元，这样MCU就可以用读、写指令读出该单元中的内容或向该单元写进一个字节数据。

5. 读状态指令

R/W RS

1 0

DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

BUSY 0 ON/OFF REST 0 0 0 0

该指令用来查询HD61202的状态，各参量含义如下：

BUSY： 1-内部在工作 0-正常状态

ON/OFF：1-显示关闭 0-显示打开

REST： 1-复位状态 0-正常状态

在BUSY和REST状态时，除读状态指令外，其它指令均不对HD61202产生作用。在对HD61202操作之前要查询BUSY状态，以确定是否可以对HD61202进行操作。

6. 写数据指令

R/W RS

0 1

DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

写 数 据

读、写数据指令每执行完一次读、写操作，列地址就自动增一，必须注意的是，进行读操作之前，必须有一次空读操作，紧接着再读才会读出所要读的单元中的数据。

7. 读数据指令

R/W RS

1 1

DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

读 显 示 数 据

2.2.4 HD61202的软件设计

液晶控制器HD61202 一共有七条指令，从作用上可分为两类，显示状态设置指令和数据读/写操作指令。详见指令系统可查看图形液晶显示器产品有关手册。显示起始行设置中L5～L0 为显示起始行的地址，取值在0-3FH(1-64 行)范围内。页面地址设置中P2-P0 为选择的页面地址，取值范围为0-7H，代表1-8

页。列地址设置中C5-C0 为Y地址计数器的内容，取值在0-3FH(1-64 行)范围内。

显示器上128 点×64 点，每8点为一字节数据，都对应着显示数据RAM(在HD61202 芯片内)，一点对应一个bit,计算机写入或读出显示存储器的数据代表显示屏上某一点列上的垂直8 点行的数据。D0 代表最上一行的点数据，D1为第二行的点数据，……D7为第八行的点数据。该bit=1 时该点则显示黑点出来，该bit=0 时该点则消失。另外LCD 指令中有－条display ON/OFF 指令，display

ON 时显示RAM 数据对应显示的画面；display OFF 则画面消失，RAM 中显示数据仍存在。

点阵字模文件的建立：

由于MGLS12864 液晶显示器没有内部字符发生器，所以在屏幕上显示的任何字符、汉字等须自己建立点阵字模库，然后均按图形方式进行显示。由于HD61202

显示存储器的特性，不能将计算机内的汉字库和其它字模库提出直接使用，需要

将其旋转90 度后再写入。

2.2.5 JM12864J的电路结构特点

JM12864J是使用HD61202及其兼容控制驱动器作为列驱动器，同时使用HD61203作为行驱动器的液晶模块。由于HD6120不与MPU发生联系，只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号，比较简单，因此这里就不作介绍了。下面主要介绍一下JM12864J的逻辑电路图。

JM12864J共有两片HD61202及其兼容控制驱动器和一片HD61203，如图2-3所示：

图2-3 JM12864J的逻辑电路图

在JM12864J中，两片HD61202的ADC均接高电平，RST也接高电平，这样在使用JM12864J时就不必再考虑这两个引脚的作用。CSA跟HD61202（1）的CS1相连；CSB跟HD61202（2）的CS1相连，因此CSA、CSB选通组合信号为CSA，CSB=01选通（1），CSA，CSB=10选通（2）。对于JM12864J，只要供给VDD、VSS和V0即可，

HD61202和HD61203所需的电源将由模块内部电路在VDD和V0、VSS的作用下产生。

2.2.6 键盘电路

键盘电路本设计共采用按键3个，分别与单片机的 P1.0、P3.5、P3.6、P3.7口相连，分别对应旋转、左移、下、右移。

3 系统程序的设计

3.1 俄罗斯方块驱动流程图

3.2 俄罗斯方块所有绘图工作流程图

3.3 俄罗斯方块中按下键的流程图

4 系统仿真

4.1 Proteus软件介绍

Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件。

Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，不需要别的，Proteus建立了完备的电子设计开发环境！

其功能模块：—个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；Proteus混合模型SPICE仿真； ARES PCB设计。Proteus 仿真器的一个扩展Proteus VSM：便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微

控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型。

1.支持许多通用的微控制器，如PIC,AVR,HC11以及8051；

2.交互的装置模型包括：LED和LCD显示,RS232终端,通用键盘；

3.强大的调试工具，包括寄存器和存储器,断点和单步模式；

C-SPY 和Keil uVision3等开发工具的源层调试；

5.应用特殊模型的DLL界面-提供有关元件库的全部文件。

4.2 Keil软件介绍

Keil C51 µVision2集成开发环境是Keil Software，Inc/Keil Elektronik

GmbH开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程尤其是C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。

4.3俄罗斯方块系统PROTUES仿真

用Proteus软件，根据俄罗斯方块电路原理图，画出仿真图。

电路图画完后使用Proteus与Keil联调，这里使用的软件是Keil

µVision3.8与Proteus7.4。

1.打开PROTEUS的安装目录,进入help目录,打开帮助文档,点击联接:Remote Debugger Drivers/Download and Install remote debugger driver

for Keil uVision3, 下载, 运行安装到KEIL安装目录文档会自动安装到KEILC51BIN目录。

图4-1 Protues仿真

2.打开KEIL中打开要联调的项目，在project workspace的“target1”上点右键/options for target'target1'。

在打开的对话框中点击到Debug选项卡，在右上角上先中USE选项， 并在下拉菜单中选中proteus VSM Simulator，在旁边的Settings点一下，如果是proteus在同一台电脑，host:127.0.0.1, port:8000, 点确定/OK保存。

3.打开proteus并打开要仿真的图纸，点击Debug菜单/选中Use Remote

Debug Monitor。

4.完成，如果程序和电路图没问题，在KEIL中build all并且仿真运行后，可以在proteus看到实时效果了如图4-1所示：

经Proteus仿真，证明此俄罗斯方块游戏能正常运行，可以进入实物焊接阶段。

5 系统性能测试与功能说明

焊接完成后，将电源接通，游戏画面出现后，分别按下左、右、下、旋转等按钮，均能正常在屏幕上做出反应。当方块堆满一行时，方块正确消除，并将分数累计在屏幕右侧，同时消除多行方块时，分数有额外奖励。达到一定分数时，方块下落速度加快，难度提高。当屏幕中方块有触及顶端的时候，游戏结束。

6 心得体会

基于单片机的俄罗斯方块游戏的设计，设计的过程就是综合运用所学知识和学习新知识的过程。由于经验不足，难免出现一些小的失误，但无论怎样，本次毕业设计对于我来说都是一次难得的锻炼机会，使我积累了许多宝贵的经验。

本文对单片机制作的俄罗斯方块游戏的运行原理进行了分析，全面、详细地阐述了俄罗斯方块游戏的设计过程。本游戏机已经达到了掌上娱乐的要求，但在设计上还留有进一步改善的余地，如可以美化游戏界面、加入背景和动作音乐、力回馈系统等。

首先在硬件设计上，由于开始对LCD液晶屏不熟悉，加之其程序量较多，所以，在设计的过程中，不免有些困难，通过我多方面的查找资料，并不断的向老师和同学请教，结合网络资源，最终找出比较完善的方案，在理论上能够实现功能要求。经过几个月的前期学习，我积累了很多的关于液晶显示方面和C语言设计方面的资料，并对电路的整合有了一个基本的概念，最后设计出总的电路图，经过不断的测试与修改，最终完善了硬件电路的设计。

对于软件设计，因为以前的编程经验不够，再加上对AT89S52这一芯片的了解不是很彻底，因此，在这方面花费了很多的精力和时间。当然由于我在理论和实践方面存在一定的不足，所以在设计思路和实现功能上难免有不足和没有想到的地方，还请各位老师给予指正。

7 参考文献

[1] 张齐.杜群贵.单片机应用系统设计技术——基于C语言编程[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2] Apress. Introduction to Visual Basic Programming

[M].Professional Computing and Web Design, 2006.

[3] 李华．单片机原理与接口技术，北京：清华大学出版社，33－80．

[4] 周润景著.Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5] 游安弼, 李玉岐. 基于JavaBean组件模型的俄罗斯方块[R]. 北京：全国第四届Java技术及应用学术会议，2001.

[6] Jason Lam.J2ME&Gaming[M]. Addison Wesley,2004.

[7] 高凌琴,陈青华. 俄罗斯方块游戏关键技术探讨[J]. 信息技术与信息化.2008.

附录一：完整电路图