51单片机学习笔记——OLED贪吃蛇
一、成果展示
功能：
1.贪吃蛇的基本游戏规则
2.有开始和结束界面
3.实现计分功能
4.游戏有无墙和有墙两种模式
5.游戏有简单和困难两种难度
6.在开始和结束时有声音提示
源码链接，提取码：o93u
二、软件部分
1.OLED模块与SSD1306使用
- OLED引脚图
OLED的引脚与SSD1306和单片机的通信方式有关。常见的有SPI，I2C串行通信和并行通信等。博主购买的是7针的OLED模块，引脚详情如下。
| 引脚 | 名称 | 解释 |
|---|---|---|
| 1 | GND | 接地端 |
| 2 | VCC | 电源端 |
| 3 | D0 | 在 SPI 和 I2C 通信中为时钟管脚(SCLK) |
| 4 | D1 | 在 SPI 和 I2C 通信中为数据管脚(MOSI) |
| 5 | RES | 复位管脚，低电平有效 |
| 6 | DC | 数据和命令控制管脚,0写命令，1写数据 |
| 7 | CS | 片选信号输入端，当输入低电平，表明OLED被选中，若只有OLED通信可直接接地 |
- OLED指令
与LCD1602类似，DC管脚置0之后，向OLED中写入命令，下表为部分指令。
| 指令 | 解释 |
|---|---|
| 00H-0FH | 页地址模式下设置列起始地址低位 |
| 10H-1FH | 页地址模式下设置列起始地址高位 |
| 20H | 设置寻址模式，00H/01H/02H为水平/垂直/页地址模式 |
| 26H/27H | 设置水平滚动的起始页，终止页和滚动速度 |
| 29H/2AH | 设置垂直和水平滚动的起始页，终止页，滚动速度，垂直滚动偏移 |
| 2EH | 禁用滚动，调用后RAM数据需要重写 |
| 2FH | 启用滚动，在26H/27H/29H/2AH设置好后调用 |
| 40H-7FH | 设置屏幕(地址)起始行，取值范围为[0,63],一般从头显示 |
| 81H | 设置对比度，共有256级对比度 |
| A0H/A1H | 设置段重映射，A0H左右反置，A1H正常 |
| A3H | 设置滚动垂直区 |
| A4H/A5H | 设置全屏点亮，A5H无视GDDRAM点亮全屏，A4H正常 |
| A6H/A7H | 设置反转显示，A7H反转（0表示点亮），A6H正常（1表示点亮） |
| A8H | 设置复用率，默认63 |
| AEH/AFH | 设置屏幕开启/关闭,AEH关闭屏幕，AFH开启屏幕 |
| B0H-B7H | 页地址模式下设置目标显示位置页起始地址 |
| C0H/C8H | 设置列输出扫描方向，C0H左右反置，C8H正常 |
| D3H | 设置显示偏移 |
| D5H | 设置显示时钟震荡频率 |
| D9H | 设置预充电周期 |
| DAH | 设置列引脚硬件配置 |
| DBH | 设置VCOMH反压值 |
| E3H | 空指令，不产生作用 |
- OLED与贪吃蛇
第一，由于OLED模块不能发送数据，所以不能读取OLED显存(GDDRAM)中的值。第二，OLED是对页地址进行整体赋值，贪吃蛇在显示蛇，食物等方面都要求对像素点进行操作。所以在OLED上显示像素点就会有困难。比如说某一页上的数据是 (0100 0000) 。如果想让其他像素点显示，会对这一页重新赋值，比如(0010 0000)。赋值过后，先前的数据就会被覆盖。也就是说一页只能打一个点，因此为了避免这种情况，要记录之前显示过的值，必须要在单片机内部申请一块内存区域充当OLED的显示缓存区，每次打点的时候读取先前的数据进行运算后再给OLED传送数据。
- 在OLED上打印像素点
博主购买的OLED附带中景园电子的部分源码，商家可能考虑到内存问题，就给打点函数删除掉了，博主花了好几天时间，查阅了相关资料，以及学长的帮助下，才完成了下面打印像素点的两个函数。
/*****************************************************************/
unsigned char OLED_GRAM[64][8] = {0}; //申请一个二维数组作为显存
/*****************************************************************/
//显示地图上的点
//我设置的是y轴向下的坐标系
void OLED_Write_GRAM(u8 x,u8 y,bit value)
{
u8 OLED_page = y/8;
u8 OLED_page_value = 1 << y%8;
if(x>=64)
return;
if(value)OLED_GRAM[x][OLED_page]|=OLED_page_value;
else OLED_GRAM[x][OLED_page]&=~OLED_page_value;
}
/*****************************************************************/
//向OLED传输显存数据
//更新显存到OLED
void OLED_Refresh(void)
{
unsigned char i,n;
for(i=0;i<8;i++)
{
OLED_WR_Byte(0xb0+i,OLED_CMD); //设置行起始地址
OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD); //设置低列起始地址
OLED_WR_Byte(0x10,OLED_CMD); //设置高列起始地址
for(n=0;n<64;n++)
{
OLED_WR_Byte(OLED_GRAM[n][i],OLED_DATA);
//delay_ms(1);
}
}
for(i=0;i<64;i++)
OLED_WR_Byte(0x00,OLED_DATA);
}
/*****************************************************************/
以上代码需要注意的几个地方：
unsigned char OLED_GRAM[64][8] = {0};
在查阅相关资料发现，博主购买的单片机是STC公司的89C54RD+和12C5A60S2，其内存大小为均1280字节。OLED显示屏共128列8页，若在单片机中申请内存则是128×8×1=1024个字节。博主试过一次，IO口电平全部被拉低了…也就说申请的内存占用了IO口的寄存器。所以申请64×8的内存，节省一点，让蛇在左半屏活动就好了~
OLED_Write_GRAM()函数中有一句 if(x>=64)return;
OLED_Refresh()函数中有一句 for(i=0;i<64;i++) OLED_WR_Byte(0x00,OLED_DATA);
没有这两句，OLED的显示过程中会出现这种诡异的情况，最后一页乱码了。博主猜测是由于使用的12单片机，送数据和送命令之间切换过快导致的。
- 在OLED上打印汉字和数字
在中景园电子提供的代码中，下面两个函数用于实现汉字的打印和数字的打印，非常方便。用于打印菜单和得分。
void OLED_ShowNum(u8 x,u8 y,u16 num,u8 len,u8 size2);//x,y坐标，num打印的数字，len数字的位数，size字体大小
void OLED_ShowCHinese(u8 x,u8 y,u8 no);//x,y坐标，no汉字的序号
2.贪吃蛇的基本算法
- 打印
void Print_Map(); //打印地图
void Print_Snake(); //打印蛇的坐标
void Print_Food(); //打印食物
void Print_Clear(); //清屏方法
以上是部分打印函数。这几个函数都使用了打点函数，也就是左半屏，用于显示游戏画面。博主采用的方式是使用了一个定时器0。在定时器中断内进行显存的更新，以此来控制贪食蛇运动速度。在每次打印蛇和食物坐标之前，会使用一次清屏函数，清除上一帧蛇，否则会留下长长的尾巴。以下是部分定时器0中断内的代码。
void time0() interrupt 1
{
TH0 = (65535-10000)/256; //10ms初值
TL0 = (65535-10000)%256;
time_count++; //计时
if(time_count >= mode) //mode为难度
{
Food_Is_Eaten(); //判断食物是否被吃了
Print_Clear(); //清屏函数
Print_Snake(); //打印蛇的坐标
Print_Food(); //打印食物
OLED_Refresh(); //把显存中的值赋给OLED
time_count = 0; //重新计时
}
}
- 蛇
蛇类是贪吃蛇的核心算法。包括蛇身体坐标的储存，蛇的初始化，蛇的运动，蛇是否撞墙，是否吃到自己。
typedef struct Snake//蛇结构体，用于储存蛇的身体和食物的坐标
{
u8 x; //x为横坐标
u8 y; //y为纵坐标
}Snake;
Snake snake[MAX]; //蛇身体结构体，食物，尾巴
u8 length = 1; //储存蛇的长度
void Snake_Init(); //初始化蛇
void Snake_Move(); //操控蛇移动 后一节给前一节赋值 如果无墙模式 撞墙之后要在另一侧打印
bit Snake_eatself(); //判断是否吃到自己
bit Snake_HitWall(); //判断蛇是否撞墙
1.蛇结构体：蛇身体坐标的储存采用了一个结构体数组，仅有x,y两个坐标的成员变量，同时也能储存食物的坐标。
2.蛇的初始化：首先要给蛇身体的结构体数组开辟一块内存空间，并用length变量储存蛇的长度。蛇头坐标为snake[0].x和snake[0].y;然后依次向后储存到第length个。C语言基础较好的朋友可能会用链表，malloc()函数去动态分配内存。在查阅相关资料发现由于51单片机内存太小，malloc()函数申请的内存很容易申请不到，返回NULL，也是因为博主学艺不精，放弃了这个想法。妥协之下，在蛇到达最大长度的时候直接退出游戏。最大长度为MAX，这里我设置的是30。(在控制台写贪吃蛇的时候博主很暴力的把max设置成地图长乘地图宽)第二，要给蛇头赋初值，博主在初始化函数中初始化了两节坐标。
3.蛇的移动：蛇的移动其实很好理解，蛇头先上下左右移动，然后把前一节的坐标赋给后一节。如果是无墙模式，先把头坐标直接赋值到另一侧，再进行后一节赋给前一节。
void Snake_Move() //操控蛇移动 后一节给前一节赋值
{
u8 i;
tail.x = snake[length].x; //保留上次尾巴的坐标
tail.y = snake[length].y; //当吃到食物的时候将该坐标赋给蛇结构第length个的坐标
for(i = length;i > 0 ; i--)
{
snake[i].x = snake[i - 1].x;
snake[i].y = snake[i - 1].y;
}
if(wall == 0)
{
if(snake[0].x == 63) //如果与右墙相撞
{
snake[0].x = 1; //到最左侧
}
else if(snake[0].x == 0)//如果与左墙相撞
{
snake[0].x = 62; //到最右侧
}
else if(snake[0].y == 0)//如果与上墙相撞
{
snake[0].y = 62; //到最下侧
}
else if(snake[0].y == 63)//如果与下墙相撞
{
snake[0].y = 0; //到最上侧
}
}
}
但如果按照上述算法，有一个很致命的问题，在头坐标赋给第二节身体的时候，第二节身体再赋值给第三节，那第三节的元素不也是第一节的吗？因此采用的是从后向前赋值。从把倒数第二节坐标赋给尾巴，倒数第三节坐标赋给倒数第二节，以此类推。最后再根据蛇的运动方向使蛇头移动。至于为什么保留尾巴的坐标，与吃食物有关，后面再解释。
4.是否撞墙，是否吃到自己
撞墙和吃到自己的函数返回值都是bit类型(0和1)，类似bool类型，如果撞墙/吃到自己返回1，否则返回0，表示无事发生。算法也很简单，撞墙就判断蛇头坐标是否和墙重合，吃自己函数就遍历所有身体坐标，看是否与头重合。
- 食物
食物类分为蛇的坐标，食物的刷新，食物被吃的函数。
Snake food; //食物结构，储存x，y坐标
void Food_Init() //随机生成食物 清除原先食物的坐标 写入新的坐标
{
//食物生成的算法是利用定时器生成两个62范围内的数，如果与蛇重合重新生成
while(1)
{
u8 i;
food.x = TL1 % 61+1;//加1是防止和地图边缘重合
food.y = TL0 % 61+1;
for(i = 0; i < length ; i++)
{
if(food.x == snake[i].x && food.y == snake[i].y)
continue; //如果生成的食物与蛇身体重合，进行下一次循环
}
break; //如果没有和身体重合，退出循环，退出函数
}
}
void Food_Is_Eaten() //判断食物是否被吃了
{
if(snake[0].x == food.x && snake[0].y == food.y)
{
length++;
snake[length].x = tail.x;
snake[length].y = tail.y;
Food_Init(); //重新生成一次食物
Print_Score(); //更新一次分数
}
}
1.食物生成/更新：在游戏开始和食物被吃的时候，才调用这个函数，重新生成食物坐标。采用了定时器0和定时器1的TL值取模来生成x和y坐标(1-62之内的随机数)。如果和蛇身体有重合，则重新生成。
2.判断食物是否被吃：算法也很简单，先判断蛇头坐标是否和食物坐标重合。如果重合则蛇变长一节，把之前储存的蛇尾后面一节坐标赋给最新一节身体。然后重新生成一次食物。
3.按键检测
除正常的独立按键检测以外，还要储存前一次按键的值，用于蛇每次自动移动，用于表示蛇移动的方向；其次，由于贪吃蛇特性，譬如在向上走的同时，只能向左向右拐。因此每次给方向赋值的时候要先判断一次，防止其转向冲突。
4.开始界面
开始界面的实现首先要感谢好朋友的指点，给了我思路，虽然有些简陋，但基本功能可以实现。
代码部分较为冗长，这里只介绍一下基本思路。
首先要定义两个变量，一个是行数line，用于记录选中的行，一个是按键key,用于记录输入的按键。玩家只有上、下、确定键可以按。在按上下键的时候更改选中的行数，并重新打印小箭头；在按确定键的时候根据选中的行数去实现相应需求。开始游戏则跳出循环，更改难度和模式则更改相应变量的值，并把UI中的汉字更改掉。
5.得分面板，结束界面，无源蜂鸣器驱动函数
这部分就比较好实现了，得分为蛇长度-1；结束界面在相应位置打印汉字，关闭定时器0停止显存刷新；蜂鸣器使用不同频率的脉冲给蜂鸣器的IO口送电就好。如果想实现音调do re mi,由于Hz是每秒钟周期的次数，而我们的计时器和延时函数是按毫秒统计，所以需要进行频率的换算，比如C4是261Hz。
1 261 = x 1000 × 2 \frac{1}{261}=\frac{x}{1000×2} 2611=1000×2x
可以得到x=7.66,也就是约每7.66毫秒电平变化一次，可以发出C4(中央C)的音调。延时函数并不会很准确，如果想精确实现可以使用定时器。
三、硬件部分
1.元件清单
以下元件是博主自己使用到的，仅供参考。
| 元件名 | 数量 | 注释 |
|---|---|---|
| 洞洞板8*8 | 1个 | 也可以采用7×9，6×8，40pin锁紧座6.5cm左右 |
| 40针IC锁紧座 | 1个 | 也可以40针IC座，价格便宜但拔插困难 |
| 10K电阻 | 3个 | P0口使用了1个，蜂鸣器和复位电路1个，P0也可以买排阻 |
| 471(470Ω)电阻 | 1个 | 电源指示灯电路会用到 |
| 2K电阻 | 1个 | 蜂鸣器电路会用到 |
| 15Ω电阻 | 1个 | 蜂鸣器电路会用到 |
| 33μF电容 | 2个 | 晶振两端的负载电容 |
| 10μF电容 | 1个 | 复位电路会用到 |
| 104(0.1μF)电容 | 2个 | 电源的滤波电容和蜂鸣器旁路电容 |
| 独立按键 | 6个 | 上下左右确定和复位电路按键 |
| 排针、排母 | 若干 | 用于IO口和OLED的连接 |
| 杜邦线 | 若干 | 用于IO口和OLED的连接 |
| OLED模块 | 1个 | 显示屏幕 |
| STC89C54RD+ | 1个 | 单片机 |
| 12MHz晶振 | 1个 | 12MHz便于定时器定时 |
| 无源蜂鸣器 | 1个 | 发出提示音 |
| 三极管8550 | 1个 | 蜂鸣器电路使用，放大信号 |
| CH340模块 | 1个 | 用于供电，下载程序 |
2.最小系统的焊接
- 晶振电路
采用普中开发板的接法，如图所示。
- 复位电路
采用普中开发板的接法，如图所示。
- 电源指示灯
IO口给低电平二极管发光，用于测试单片机是否正常运行。
3.蜂鸣器电路的焊接
蜂鸣器电路采用这篇博客的接法，这里就不搬运了。区别是三极管集电极C端并联的33R电阻替换成了15Ω。(因为板子空间不是很够且没有买到33R）
4.独立按键的焊接
博主购买的是4脚的微动按键开关。
四脚分别两两导通。不想检测可以焊接对角线，对角线必然不导通。如果想检测可以使用万用表的二极管挡，如果万用表蜂鸣器响则代表导通(短路)。独立按键的焊接非常简单，一端连接IO口一端共地即可。
四、错误示范汇总
1.软件部分
- 关于51单片机选择问题
博主考虑到内存大小和flash空间问题，购买了STC89C54RD+和STC12C560S2，事实证明，12单片机总是会出现一些无法理解的错误，最后程序是在89C54上完成的。而常用的52单片机8K字节flash，512字节RAM更加捉襟见肘。 - 关于IIC和SPI通信选择问题
IIC通信速度较SPI通信速度慢，因此不适合使用IIC通信。 - 关于片选CS的问题
在阅读oled.c源码时，由于只有oled与单片机通信，CS端接地就万事大吉，以为CS没什么用，就手贱删掉了CS拉低的代码，事后想想也好蠢…后来又不接CS管脚，OLED也不会亮，还是老老实实的接在IO口上吧… - 关于地图大小的选择问题
之前非常天真的把地图设置成60×60，但是在给显存赋值，让蛇穿墙的时候，生成食物坐标时会造成麻烦，遂改成64×64。 - 定时器0与定时器1中断冲突问题
定时器1用于随机生成食物，但是千万不要开定时器1的中断！！！不要手欠写ET1=1;两个中断会冲突，这个错误排查了好久。
2.硬件部分
- 洞洞板的选择问题
为了图省事在线下购买的洞洞板，他下面都是连着的！！！表示第一次见这种洞洞板~第一次焊的时候，焊好之后才发现IO口都并上了…白闻了一下午焊锡…但是合理利用的话会省很多事。
（错误示范图） - 关于31管脚的上拉电阻问题
在普中科技的单片机开发板原理图中，31管脚有接一个4.7k的上拉电阻，但STC公司的单片机内部上拉，也可以不接。
- 元件引脚焊接问题
在第一块板子焊费之后，40脚的IC紧锁座根本拿不下来。（我的2块钱！！！）出于保险，在第二块板子上，我直接把IC座卡在板子上，没有点焊锡，结果电路连接的不是很顺畅，又检查了好几天。
3.排查电路问题的方法分享
- 检查电路是否导通
万用表真的很好用。调到二极管挡，测试有没有虚焊，哪里有没有导通，如果导通万用表蜂鸣器会响。就是用这个方法测出来IC座虚焊的。 - 检查晶振是否工作
晶振正常工作的时候，程序会执行，如果晶振不工作，程序会卡在初始状态。这个时候的现象一般是单片机管脚有电压，但是程序不运行。 - 检查单片机是否正常运行
可以通过电源指示灯来判断。我写了一个很简单的闪烁的灯的程序，如果灯正常闪烁，代表单片机正常运行。
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