STM32F103VCT6点阵游戏机电子设计报告.doc

队员名单：谭承志张一弘戴明峻2023年4月7日京信杯设计报告题目：点阵游戏机（A题）【摘要】本系统作品采用一个STM32F103VCT6单片机控制，1个74HC573锁存器驱动四位一体数码管显示数字，四个74HC595锁存器驱动点阵屏，4个水银管作重力感应，8个微动开关作键盘输入。TDA2822搭建的功放电路作音频输出。Ams1117-3.3作电源部分。用keil编写程序，可根据重力方向改变显示方向，显示数字，汉字，大小写字母等。具有开机动画，开机音乐，游戏音乐，6个游戏，1个演示功能。游戏部分可存档可记录最高分。有方便直观的人机界面。系统运行稳定，具有一定的使用价值。【关键词】STM32单片机 四位一体数码管 点阵屏 手持游戏机 【Abstract】 The system works using a STM32F103VCT6 MCU control, a 74HC573 latch driver integrated digital display four digits, four 74HC595 latch driver dot matrix screen, four mercury tube for gravity sensing, 8 fretting switch for keyboard input. TDA2822 amplifier circuit built for audio output. Ams1117-3.3 for the power section. Written with keil program can change the display orientation according to the direction of gravity, display numbers, characters, uppercase and lowercase letters and so on. With boot animation, boot music, games music, six games, a presentation function. Part of the game can be archived to record the highest score. There is a convenient and intuitive user interface. The system is stable, has a certain value.【Key word】STM32 MCU four integrated digital lattice screen handheld game console 目录一 方案论证与比较····························································41.1控制芯片的选取························································42.2数码管驱动的方式······················································42.3光照感应及速度调节的设计方案··········································5二 系统方案设计与参数计算····················································72.1系统总体方案··························································72.2硬件电路设计··························································72.2.1单片机控制电路··················································72.2.2数码管驱动电路设计··············································82.2.3光照的检测电路···················································92.3软件设计流程··························································9三 测试方法及数据··························································103.1测试方法简介························································103.2基础部分测试数据····················································103.3发挥部分测试数据····················································10四 测试结果及分析··························································11五 小结····································································11六 参考文献·······························································11一、方案论证与比较1.1单片机芯片的选取系统需要能驱动点阵屏，音频输出（DAC口），spi通信（内存卡，无线收发模块），就需要一种强大而稳定的单片机芯片，有了好的单片机芯片才能保障游戏机的完美工作。【方案一】51系列单片机，蜂鸣器输出音频，模拟spi口，大量锁存器拓展io口。【方案二】用一个Arduino芯片。Arduino是一个基于开放原始码的软硬体平台，构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java，C语言的Processing/Wiring开发环境。蜂鸣器输出音频，模拟spi口，大量锁存器拓展io口。【方案三】stm32系列单片机。具有大量的io口，自带DAC、ADC、SPI。JTAG便宜学习资料丰富，32位的单片机，价格便宜【方案选择】综合优缺点分析和学习的态度我们本次使用【方案三】1.2 数码管驱动的方式要进行计数就需要能将计数状态通过人机交互界面变现出来，本系统我们采用数码管显示。【方案一】使用74LS48 BCD七段数码管译码器将单片机IO口的二进制数据直接译码，并连接到四位一体数码管，通过快速闪烁切换形成视觉残留显示4为数字。【方案二】使用一片74HC573锁存器提供电流，利用单片机内部保存译码表实现软解码。同样通过快速闪烁切换形成视觉残留显示4为数字。【方案选择】方案一线路简单，可以便捷的实现基本功能，但是使用局限性较多，不能显示非数字信息。方案二控制复杂但自定义显示的信息，甚至能显示16进制数据，可以轻松拓展。综上所述，为了能实现更多功能我们选择方案二。1.3点阵屏的设计方案【方案一】占用PD、PE两组共32个IO口驱动点阵屏【方案二】使用4个74HC595锁存器控制点阵屏并提供电流【方案选择】方案一需三极管等其他元件提供电流驱动点阵屏并占用IO口过多。AB组具有大量SPI、TX、RX等功能接口、方案二锁存器集拓展IO口和提供电流为一体。只需要6个IO口即可驱动。综上所述选择方案二。1.1功放电路的选取系统解码的WAV文件输出电流为几百uA远不足以驱动喇叭。故需要功率放大器驱动。【方案一】：基于集成IC tad2822的功率放大电路如图，输入信号串电阻器到地，保证了音频输入的稳定性，调节电阻器可改变声音的大小，外围电路简单，做PCB方便电路分析：输入的音频模拟信号经过PWM电路调制处理后，形成占空比同输入信号成一定比例的脉冲链，经过开关电路放大后，由低通滤波器滤除高频成分，还原出已放大的输入信号波形，由扬声器放音。从上述场效应管H桥式电路输出的脉冲波是不便直接驱动扬声器发声的。为了重现放大的音频信号，输出波形必须恢复到原来的正弦波。D类放大器的设计，大都采用低通滤波器来解决。由于音频的频带范围为20Hz20kHz，搜索而载波频率通常是它的5倍以上，因此，滤除载波频率的过程相当于就是在扬声器前面接一个截止频率约为25kHz左右的低通滤波器。而在运用到重低音功放时，由于处理的是低频，低通的截止频率可以降低到5kHz左右。 滤波器的设计要求较高，可能会引起射频干扰。为降低功耗，采用被动元件。【方案二】：基于运算放大器的功率放大电路此功放电路外围电阻电容较多，不便于印刷电路的制作，对于游戏的重低音和鼓点音的放大效果不佳，并且伴有杂音【方案三】：分立元件搭建的功率放大电路虽然此电路放大音质很好，但是PCB上用分立元件搭建功放电路十分麻烦，占用了大量的空间，也不经济，另外这个电路的抗干扰能力不好，容易产生自激振荡，容易产生杂音。 【方案选择】：综上，选择方案一，有外围电路简单，声音可调，噪音较小等优点二、系统方案设计及参数设置2.1系统总体方案3.3v电源STM32VCT6硬件按键&重力功放ICSPI74HC57374HC595喇叭SD卡数码管点阵屏点阵屏缓冲数码管缓冲键盘缓冲DAC数码管缓冲API 存档 Rhythm 青蛙过河贪食蛇主菜单演示坦克大战GetLove打飞机字库2.2硬件电路设计2.2.1单片机控制电路如图为stm32f103vct6单片机最小系统，采用8MHZ晶振。3.3V直流供电。2.2.2数码管驱动电路设计如图为数码管驱动电路，采用74HC573芯片为数码管显示提供了充足的电流。74HC573包含八进制3态非反转透明锁存器，是一种高性能硅门CMOS器件。74HC573八数据锁存器都是透明的D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。真值表OE(输出使能) LE（锁存使能） D Q（输出） L H H H L H L L L L X QO H X X Z2.2.3JTAG下载端口电路2.2.4蓝牙预留口2.2.5 2.4G无线通信模块预留口2.2.6 micro SD卡卡槽P9为手动片选跳针2.2.7键盘及重力感应电路2.2.8功放电路2.3PCB设计由于外设较多，又要求手持，我们决定尝试使用PCB进行硬件焊接。PCB top层。印刷有我们的logoPCB bottom层2.4软件设计流程启动设置并初始化各个外设初始化菜单载入开机动画扫描键盘刷新点阵屏刷新数码管更新WAV数据缓存更新随机数种子定时器中断？逻辑Update2.5游戏介绍l 开机动画：自制的16*16点阵版Bad Apple（东方Project相关的一个PV）l 打飞机：基于重力感应的打飞机游戏，可由键盘控制。具有高分记录和存读档功能。l 坦克大战：具有丰富设定的坦克游戏，如装弹时间、装甲厚度、跳弹以及前侧后装甲区分。敌人具有一定的AI。l GetLove：一款休闲游戏小品，目标是躲避“高中校领导”，成功追到“妹子”。l 青蛙过河：相当有难度的一个游戏，要求玩家穿过湍急的河流到达对岸。l Rhythm：紧随当下流行的节奏游戏，按照鼓点准确敲击。三、 测试方法及数据3.1测试方法简介点阵显示进入主菜单，选择演示。观察字母及数字是否准确无误显示。中文汉字显示进入主菜单，选择演示。观察汉字是否准确无误显示。重力感应进入主菜单，选择演示。转动屏幕，观察字母、数字及汉字是否准确无误显示。滚动显示进入主菜单，选择演示。转动屏幕，观察字母、数字及汉字是否准确无误显示。手持用双手托举，感受手部压力。打飞机游戏进入主菜单，选择打飞机。分别用键盘和重力操作飞机移动。开机音乐打开电源，等待2s。观察是否播放有音乐。得分功能进入主菜单，任意打开一款游戏，操作游戏。观察数码管是否有分数变化。随机性进入主菜单，任意打开一款游戏，操作游戏。退出，重新打开。观察游戏内容是否变化。想象力进入主菜单，打开打飞机。操作片刻，选择保存。重新启动后读取，观察游戏内容是否保留；打开除打飞机以外的游戏，操作并体验。3.2,基础部分测量数据点阵显示字母及数字准确无误显示。中文汉字显示汉字准确无误显示。重力感应字母、数字及汉字随重力变化准确无误显示。滚动显示字母、数字及汉字准确无误显示。手持小巧方便，游戏中无不适感。3.3发挥部分测量数据打飞机游戏键盘和重力操作飞机移动正常。开机音乐打开电源，等待2s。播放有音乐Bad apple 及动画。得分功能进入主菜单，任意打开一款游戏，操作游戏。数码管有分数变化。随机性进入主菜单，任意打开一款游戏，操作游戏。退出，重新打开。游戏内容发生变化。想象力重新启动后读取，观察游戏内容保留；打开除打飞机以外的游戏，体验愉悦。四、 测试结果及分析本系统经测试，能完整的实现题目的基本要求和发挥要求，并在题目的要求之外加入了丰富多样的游戏和存档功能。可以说达到了题目的考核要求。五、 小结在本次电子设计比赛中，通过比赛的引导，我们小组初步的了解了电子设计的相关理念和步骤，对STM32单片机及相关IC的使用有了更深一步的的认识和经验。为以后的电子设计开发奠定了基础。感谢比赛组委会提供的这样一个平台，为我们新生的成长提供了莫大的帮助。六、 参考文献零死角玩转STM32 野 火原子教你玩STM32 原 子模拟电子技术基础童诗白 华成英，高等教育出版社电子设计从零开始（第二版）杨欣 莱·诺克斯 王玉凤 刘湘黔，清华大学出版社