基于Arduino制作這款打地鼠的街機(jī)游戲

時(shí)間：2025-03-14 17:09:03

關(guān)鍵字： Arduino TLE493D 磁性傳感器

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[導(dǎo)讀]你有沒(méi)有覺(jué)得有必要吹掉一些蒸汽，釋放你內(nèi)心的孩子，或者只是重溫從你的街機(jī)輝煌的日子粉碎東西的快感?進(jìn)入正常!這款游戲是對(duì)經(jīng)典打地鼠游戲的高科技改造，融合了懷舊和工程學(xué)。

你有沒(méi)有覺(jué)得有必要吹掉一些蒸汽，釋放你內(nèi)心的孩子，或者只是重溫從你的街機(jī)輝煌的日子粉碎東西的快感?進(jìn)入正常!這款游戲是對(duì)經(jīng)典打地鼠游戲的高科技改造，融合了懷舊和工程學(xué)。

我們從頭開(kāi)始制作這款街機(jī)游戲：一個(gè)激光切割的木制盒子，里面裝著九個(gè)氣缸。但這不僅僅是蠻力，我們用磁鐵和3D磁傳感器取代了傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)，使撞擊檢測(cè)快速而精確。當(dāng)然，我們也不能只使用自己3D打印的錘子，這樣就能承受最激烈的游戲玩法。我們還提供了完整的構(gòu)建指南：組裝、編碼和校準(zhǔn)。準(zhǔn)備好開(kāi)始了嗎?

游戲概述

在嘉年華上玩過(guò)打地鼠嗎?假鼴鼠會(huì)從不同的洞里鉆出來(lái)每次鉆出來(lái)，你就試著敲它。正常!《T》將這一概念現(xiàn)代化：玩家擊碎由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的隨機(jī)彈出的9個(gè)氣動(dòng)活塞。但這不是你爺爺?shù)慕謾C(jī)游戲：

智能命中檢測(cè)：活塞上的磁鐵與英飛凌最新系列的TLE493D磁性傳感器相互作用，取代機(jī)械開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)即時(shí)、精確的命中。

自動(dòng)游戲流程：xmc4700 Relax Lite kit微控制器套件是游戲的大腦，并使用OPTIGA?TrustMsecurity芯片隨機(jī)化活塞定時(shí)?；钊臍鈩?dòng)閥由使用單芯片的TLE94112ES 12倍半橋控制!最重要的是，游戲中的DPS368壓力傳感器和3d打印的錘子會(huì)在錘子被舉起時(shí)觸發(fā)游戲開(kāi)始。

時(shí)間和得分跟蹤：一個(gè)雙位數(shù)的7段顯示剩余的比賽時(shí)間和你的最終得分。

它是如何工作的

開(kāi)始：舉起錘子→DPS368測(cè)量錘子與游戲底座的高度差，觸發(fā)游戲開(kāi)始倒計(jì)時(shí)5秒。

播放：15秒倒計(jì)時(shí)開(kāi)始→OPTIGA?Trust M芯片隨機(jī)分配活塞→TLE94112ES激活閥門(mén)→活塞彈出。

得分：敲擊活塞→TLE493D檢測(cè)磁感應(yīng)→XMC4700點(diǎn)燃下一個(gè)活塞并增加得分。

接下來(lái)是什么?我們將開(kāi)始建立和測(cè)試9活塞氣動(dòng)系統(tǒng)，然后整合3D磁傳感機(jī)制，添加雙7段顯示，最后我們3D打印智能錘子和組裝成一個(gè)拋光街機(jī)準(zhǔn)備的游戲。

硬件

氣動(dòng)系統(tǒng):

此版本中的氣動(dòng)系統(tǒng)基于Hackster項(xiàng)目：使用單個(gè)芯片驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)。按照這個(gè)指南來(lái)創(chuàng)建你的主干!T游戲。

步驟2：將氣動(dòng)系統(tǒng)變?yōu)榛顒?dòng)活塞

為了準(zhǔn)備傳感器測(cè)試，我們現(xiàn)在將轉(zhuǎn)向組裝。確保所有的激光切割部件和3d打印部件都準(zhǔn)備好了，因?yàn)閺默F(xiàn)在開(kāi)始，它們將在每一步中使用(請(qǐng)參閱附件中的設(shè)計(jì)文件)。

讓我們從組裝活塞外殼開(kāi)始，它由激光切割的部件與9個(gè)活塞和傳感器的切口粘合在一起。之后，我們放置3d打印的活塞導(dǎo)軌，將它們鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢?，防止旋轉(zhuǎn)。我們還增加了一些填充物的活塞支持，以幫助吸收沖擊。

接下來(lái)，我們將9個(gè)活塞放入各自的插槽中，并將磁鐵粘在它們身上，因?yàn)樗鼈儗⒃诮酉聛?lái)的構(gòu)建中發(fā)揮重要作用。請(qǐng)注意，在照片中，我們也組裝了側(cè)墻，這是激光切割，也可以附加在最后的組裝。

接下來(lái)，我們放置9個(gè)活塞墊，擰緊支撐活塞的木板。這塊板作為運(yùn)動(dòng)活塞和氣動(dòng)系統(tǒng)之間的中間層。最后，你可以把活塞系統(tǒng)安裝到氣動(dòng)系統(tǒng)上，就可以進(jìn)行測(cè)試了。

現(xiàn)在你已經(jīng)成功地制造了活塞和氣動(dòng)系統(tǒng)!隨后，我們將添加OPTIGA?Trust M芯片來(lái)隨機(jī)化活塞行為。你會(huì)注意到活塞的木制外殼上有一些切口。這些切口是為3D磁傳感器的支架設(shè)計(jì)的

3D磁傳感器可以測(cè)量三個(gè)方向的磁場(chǎng)：X， Y和z。我們將在9個(gè)活塞之間放置4個(gè)傳感器，這樣就可以檢測(cè)到任何一個(gè)活塞受到撞擊時(shí)磁場(chǎng)的變化。

在圓柱體的底部，我們放置了磁鐵。這些磁鐵能讓我們探測(cè)到圓柱體被擊中的時(shí)間。

磁鐵被放置在盡可能靠近3D磁傳感器的地方，以確保磁場(chǎng)足夠強(qiáng)，能夠被準(zhǔn)確檢測(cè)到。對(duì)于傳感器，我們使用3D磁傳感器的切割板。在附件的Fritzing文件中提供了接線說(shuō)明。

四個(gè)傳感器安裝在支架上，如下圖所示。

現(xiàn)在，我們可以把傳感器支架放在氣動(dòng)系統(tǒng)里。

為了使組裝更實(shí)用，我們創(chuàng)建了一個(gè)帶連接器的小板。布線如圖所附的fritz文件所示;按照這些方法進(jìn)行正確的連接。

現(xiàn)在我們可以把底板與9個(gè)氣缸在組裝和關(guān)閉一切的頂部。有了這一步，游戲的機(jī)制部分就完成了，可以進(jìn)行測(cè)試了。

最后，我們可以測(cè)試9個(gè)活塞和磁傳感器(測(cè)試代碼在附件文件中提供)。之后，我們可以移動(dòng)到7段屏幕的顯示部分。

分?jǐn)?shù)顯示

我們使用兩個(gè)相互連接的7段數(shù)字來(lái)顯示游戲中的剩余時(shí)間和最終比分。我們將把顯示器安裝在“搞怪!”T游戲，這是設(shè)計(jì)來(lái)保持它。開(kāi)始組裝激光切割的木制部件如下所示。一旦框架準(zhǔn)備好，將7段顯示器安裝到木板上，并通過(guò)木板布線，在那里它們將連接到XMC微控制器。

讓錘子更聰明

錘子是擊打的關(guān)鍵部分!T游戲。為了檢測(cè)錘子何時(shí)被舉起，我們使用了兩個(gè)DPS368空氣壓力傳感器：一個(gè)傳感器放置在錘子內(nèi)部。另一個(gè)被放置在里面!T框作為參考。

通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)傳感器之間的壓力差，我們可以測(cè)量錘與游戲之間的高度差，精度為±2厘米，并檢測(cè)錘何時(shí)被舉起。壓力傳感器接線圖在工程文件中提供。

對(duì)于錘子組件，您可以使用提供的3d打印部件。stl文件。這里有一些建議：水平打印錘子以獲得更好的穩(wěn)定性。將填充量增加到50%以增加重量和提高耐久性，將壁厚增加到2.4mm以增加堅(jiān)固性。在電纜隧道區(qū)域(錘身)增加支架擋塊，避免支架難以拆除。

錘子由三部分組成：主錘體和兩個(gè)柔性TPU帽。這些蓋子可以在激烈的游戲過(guò)程中保護(hù)游戲免受損害。

在錘子的頂部，有放置DPS368壓力傳感器的空間。只需將傳感器推到位，如下圖所示：

另一個(gè)傳感器可以放置在任何地方。T游戲基地。

推動(dòng)游戲發(fā)展

XMC4700放松套件需要5 V電源，顯示器工作在12 V，壓縮機(jī)和閥門(mén)都需要9 V電源。為了實(shí)現(xiàn)必要的電壓轉(zhuǎn)換，需要一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器從9v降壓到5v，從9v升壓到12v

為此，我們使用兩個(gè)TLD5190 VOLT DEMO評(píng)估板。這些板允許您通過(guò)調(diào)整板上微調(diào)器來(lái)選擇所需的輸出電壓。有關(guān)設(shè)置和使用這些評(píng)估板的詳細(xì)說(shuō)明，TLD5190 VOLT DEMO評(píng)估板的用戶(hù)手冊(cè)提供了全面的解釋。

你可以通過(guò)向左轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)器來(lái)增加電壓，通過(guò)向右轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)降低電壓。

軟件

現(xiàn)在讓我們一步一步地分解我們的Arduino代碼!首先，我們將闡明如何單獨(dú)使用和測(cè)試每個(gè)組件，然后我們將解釋整個(gè)應(yīng)用程序代碼的Whack!T游戲。

第1部分：組件代碼

7段顯示代碼

游戲開(kāi)始前會(huì)出現(xiàn)5秒倒計(jì)時(shí)。游戲在這個(gè)倒計(jì)時(shí)后開(kāi)始，另一個(gè)15秒倒計(jì)時(shí)從那里開(kāi)始。在這段時(shí)間里，你必須盡可能多地打汽缸。在第二次倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，你的最終得分顯示-所有這些都是使用7段顯示。為了測(cè)試這兩個(gè)7段數(shù)字，我們使用了下面的示例代碼。我們所做的唯一修改是將引腳分配更改為50 (segmentLatch), 51 (segmentData)和52 (segmentClock)。

代碼Optiga?信任M盾2go

Optiga?Trust M芯片在這里用于生成(真實(shí)且加密安全的)1到9之間的隨機(jī)值，這是我們項(xiàng)目中的關(guān)鍵一步，因?yàn)樗鼨z測(cè)到哪個(gè)圓柱體會(huì)彈出，使游戲變得不可預(yù)測(cè)和具有挑戰(zhàn)性。但在此之前，我們需要了解芯片的工作原理。

我們首先修改Optiga?Trust M Arduino庫(kù)中的一個(gè)示例，使其適應(yīng)我們的需求。首先，讓我們看一下這段代碼的基礎(chǔ)：

頭文件和定義

要開(kāi)始，我們需要包含“OPTIGATrustM.h”庫(kù)，它使我們能夠訪問(wèn)TrustM功能。我們定義了隨機(jī)數(shù)生成的最大字節(jié)長(zhǎng)度-將其設(shè)置為8確保我們一次可以生成最多8個(gè)隨機(jī)字節(jié)。

一個(gè)額外的調(diào)整：默認(rèn)代碼包括彩色輸出(來(lái)自“fprint.h”)，但為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們選擇禁用它。

設(shè)置函數(shù)

一切就緒后，是時(shí)候初始化芯片了。setup功能確保Trust M板準(zhǔn)備好生成安全隨機(jī)數(shù)。

這里有一個(gè)有趣的特性是電流限制——這個(gè)設(shè)置會(huì)影響主板的運(yùn)行速度。如果我們?cè)黾与娏飨拗?，電路板就?huì)加速。對(duì)于這個(gè)設(shè)置，我選擇了8 mA的限制(setCurrentLimit(8))，以便在性能和穩(wěn)定性之間取得更好的平衡。

循環(huán)函數(shù)：生成隨機(jī)數(shù)

每次循環(huán)運(yùn)行時(shí)，Optiga?Trust M模塊通過(guò)函數(shù)getRandom(RND_MAXLENGTH, rnd)提供8字節(jié)的隨機(jī)數(shù)據(jù)。但是我們需要一個(gè)介于1和9之間的數(shù)字，因此我們將原始字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為int64_t數(shù)字(convertByteArrayToInt64())，并使用對(duì)9 + 1取模將其映射到我們想要的范圍。這確保了我們總是在目標(biāo)范圍內(nèi)得到結(jié)果。

結(jié)果看起來(lái)像這樣：

3D磁傳感器代碼

這部分在我們的Hackster文章中有很好的記錄：下一代TLE493D: 3D磁感測(cè)指南，但對(duì)于這個(gè)特定的項(xiàng)目，我們需要使其適應(yīng)XMC4700微控制器。

在深入游戲機(jī)制之前，我們需要測(cè)試所有四個(gè)傳感器，以驗(yàn)證它們是否正確連接和運(yùn)行。下面的代碼是專(zhuān)門(mén)為快速診斷設(shè)計(jì)的，允許我們檢查每個(gè)傳感器是否可操作。使用四個(gè)#define語(yǔ)句，我們可以激活或停用單個(gè)傳感器以進(jìn)行測(cè)試。我們還定義了numavg，它決定了在計(jì)算平均值之前測(cè)量每個(gè)傳感器的次數(shù)。

平均傳感器值

一旦初始化，循環(huán)函數(shù)不斷地從傳感器讀取數(shù)據(jù)。函數(shù)average_sensor_value()測(cè)量多個(gè)讀數(shù)的值并取平均值，以獲得更穩(wěn)定的輸出。

傳感器的內(nèi)置函數(shù)getTemperature()和getMagneticField()用于提取數(shù)據(jù)，而計(jì)時(shí)函數(shù)測(cè)量收集50個(gè)值所需的時(shí)間。

ps傳感器代碼

在我們的比賽中，時(shí)機(jī)就是一切。在玩家準(zhǔn)備好之前，游戲不應(yīng)該開(kāi)始——這就是DPS傳感器的作用所在。這些傳感器用于檢測(cè)錘子何時(shí)被舉起，發(fā)出倒計(jì)時(shí)開(kāi)始的信號(hào)。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們使用了兩個(gè)DPS傳感器：一個(gè)傳感器放置在錘子內(nèi)部來(lái)跟蹤它的運(yùn)動(dòng)。

第二個(gè)傳感器仍然固定在打!T設(shè)置，作為參考點(diǎn)。

關(guān)于如何使用傳感器的詳細(xì)解釋也可以在這篇Hackster文章中找到，但這里是我們?nèi)绾卧谖覀兊捻?xiàng)目中實(shí)現(xiàn)它。

頭文件和對(duì)象

Dps3xx.h包含在#include中，創(chuàng)建兩個(gè)Dps傳感器對(duì)象：

設(shè)置/循環(huán)

在我們追蹤錘子的運(yùn)動(dòng)之前，我們需要初始化傳感器并建立基線讀數(shù)。

設(shè)置功能確保兩個(gè)傳感器都正確初始化。

由于兩個(gè)傳感器在不同的位置，它們的壓力讀數(shù)自然會(huì)不同。這種差異可能相當(dāng)于高達(dá)8米的高度差異，因此我們首先計(jì)算一個(gè)初始參考差作為基線。

高度差是在ight()函數(shù)中計(jì)算的，稍后我們將使用該函數(shù)來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。如果高度差大于10厘米，游戲?qū)㈤_(kāi)始。

通過(guò)使用這兩個(gè)DPS傳感器，我們創(chuàng)造了一個(gè)直觀的游戲啟動(dòng)機(jī)制。玩家不需要按下按鈕或打開(kāi)開(kāi)關(guān)——當(dāng)他們把錘子舉得足夠高時(shí)，游戲就會(huì)自動(dòng)開(kāi)始。

Part 2: Code for Whack!T游戲

顯示屏設(shè)置為顯示游戲時(shí)間和分?jǐn)?shù)，而DPS和3D磁傳感器分別用于檢測(cè)舉起錘子和成功擊中。為了建立一個(gè)可靠的參考，在比賽開(kāi)始前記錄初始傳感器值。

DPS傳感器-檢測(cè)當(dāng)錘子被舉起，信號(hào)的游戲開(kāi)始。

3D磁傳感器-跟蹤撞擊時(shí)，活塞被擊中。

多半橋和執(zhí)行器-控制彈出的活塞，讓玩家擊中。

壓縮機(jī)—提供空氣壓力以移動(dòng)活塞。

顯示-顯示比賽時(shí)間和比分更新。

設(shè)置

在操作開(kāi)始之前，需要初始化系統(tǒng)的所有組件。setup()函數(shù)負(fù)責(zé)這一點(diǎn)，準(zhǔn)備顯示器、傳感器和執(zhí)行器。

顯示屏設(shè)置為顯示比賽時(shí)間和分?jǐn)?shù)，而DPS和3D傳感器配置為檢測(cè)錘的運(yùn)動(dòng)和成功命中。為了建立一個(gè)可靠的參考，在游戲開(kāi)始之前記錄初始傳感器值(measure_initial_values())。控制負(fù)責(zé)移動(dòng)活塞的執(zhí)行器的多半橋(MHB)通電，壓縮機(jī)開(kāi)始積聚空氣壓力(kompressor.start())，確保活塞能夠正常移動(dòng)。

短暫的延遲可以讓所有組件在游戲進(jìn)入主循環(huán)之前穩(wěn)定下來(lái)。幾個(gè)關(guān)鍵文件管理游戲的不同方面：display.hpp處理顯示功能，airpressure_sensor.hpp處理來(lái)自空氣壓力傳感器的數(shù)據(jù)，3d_sensor.hpp檢測(cè)圓柱體何時(shí)被擊中，push.hpp控制執(zhí)行器，game_matrix.hpp管理活塞運(yùn)動(dòng)的核心游戲邏輯。

GameLoop

一旦設(shè)置好一切，游戲便進(jìn)入主循環(huán)，在此它將持續(xù)監(jiān)視玩家的行動(dòng)，更新顯示內(nèi)容并管理游戲邏輯。

游戲如何在循環(huán)中運(yùn)行：

1?游戲計(jì)時(shí)器管理

函數(shù)getRemainingSeconds()檢查還剩下多少時(shí)間。

如果游戲處于活動(dòng)狀態(tài)(start_counting == true)并且還有剩余時(shí)間，它會(huì)在屏幕上顯示倒計(jì)時(shí)。

如果計(jì)時(shí)器達(dá)到零，游戲?qū)⒋鎯?chǔ)最終分?jǐn)?shù)，重置命中計(jì)數(shù)器，并為新一輪做好準(zhǔn)備。

2?.命中檢測(cè)與計(jì)分

命中檢測(cè)是基于磁場(chǎng)的變化。當(dāng)氣缸的頂部位置與其當(dāng)前位置之間的差值超過(guò)0.1 mT時(shí)，將記錄命中(compare_difference(piston_now, 0.1))。

分?jǐn)?shù)是用game_hit_counter實(shí)現(xiàn)的。

3?.氣缸體爆破機(jī)構(gòu)

游戲使用calculate_average(piston_now)連續(xù)檢查活塞運(yùn)動(dòng)。

一旦檢測(cè)到撞擊，系統(tǒng)隨機(jī)選擇一個(gè)活塞(1到10)，并使用push(random(1,10))激活它。

這讓游戲變得不可預(yù)測(cè)，確保玩家不知道下一個(gè)圓柱體會(huì)彈出哪個(gè)圓柱體，從而保持他們的沉浸感。

4? .游戲結(jié)束并重新開(kāi)始

如果計(jì)時(shí)器跑完，將顯示最終分?jǐn)?shù)，游戲?qū)⒌却N子再次被舉起，然后重新開(kāi)始。

這種平滑的過(guò)渡確保了無(wú)縫的游戲體驗(yàn)，而無(wú)需額外的按鈕或手動(dòng)重置。

倒數(shù)計(jì)時(shí)器

正常!游戲采用倒計(jì)時(shí)計(jì)時(shí)器，確保每回合持續(xù)固定時(shí)間(15秒)。getRemainingSeconds()函數(shù)通過(guò)測(cè)量游戲開(kāi)始后經(jīng)過(guò)的毫秒數(shù)來(lái)計(jì)算剩余時(shí)間。如果經(jīng)過(guò)的時(shí)間超過(guò)倒計(jì)時(shí)持續(xù)時(shí)間，則返回0。

開(kāi)始新游戲

在start_game()函數(shù)中，我們檢查游戲是否處于非活動(dòng)狀態(tài)(start_counting ==false)，然后啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)達(dá)到0時(shí)，游戲開(kāi)始，記錄開(kāi)始時(shí)間(startMillis)，設(shè)置游戲持續(xù)時(shí)間，并啟用倒計(jì)時(shí)。