基于51单片机设计的打地鼠游戏机
演示视频：
基于51单片机设计的打地鼠游戏机
功能描述：使用 51单片机为核心制作一个打地鼠游戏机。按下启动开关，8盏LED流水点亮并闪烁2次，随即开始播放游戏音乐，直到开始选择模式。选择的模式在数码管上显示，该游戏机共有两个模式，分别是闯关模式和无尽模式。闯关模式共3关，每通过一关，蜂鸣器就播放一小段音乐以示鼓励，完成闯关后继续播放游戏音乐;无尽模式，顾名思义没有尽头，但显示的最高分为999分。单片机随机生成一个0~6的随机整数到 LED，以表示地鼠冒头。在1秒内按下对应的按钮，即可得1分，蜂鸣器响一声提示;若超时或按错则扣2分，蜂鸣器响两声提示。初始分数为 10分，若分数低于0分则游戏结束。当前分数显示在数码管的后2位，第一位显示的是当前模式。
摘 要
本设计使用AT89S51单片机为核心，设计并实现了一款经典的打地鼠游戏机。系统主要由LED显示模块、蜂鸣器音效模块、按键输入模块、数码管显示模块等硬件组成，并通过单片机的程序控制，实现了游戏的启动、模式选择、随机地鼠生成、按键响应和分数显示等功能。通过此次设计，学生不仅掌握了单片机的基础知识，还深入理解了电子电路的设计与调试。系统通过仿真与实物测试，验证了设计的有效性与稳定性。
关键词: AT89S51，打地鼠游戏机，单片机，LED显示，数码管
目录
程序源码&原理图&proteus仿真图&PCB&设计文档&演示视频&元件清单等
第一章 绪论
1.1 课题背景
随着单片机技术的迅速发展，基于单片机的电子产品在日常生活中得到了广泛应用，特别是在智能家居、自动化控制以及娱乐设备中，单片机技术的应用越来越普及。本项目基于AT89S51单片机，设计并实现了一款打地鼠游戏机，旨在通过简易的硬件与软件设计，完成一款具备娱乐功能的电子产品。
打地鼠游戏机是一款经典的娱乐设备，玩家通过快速按下按键，模拟捕捉从随机位置冒出的地鼠。此类游戏不仅能够考验玩家的反应速度和手眼协调能力，还能够作为单片机开发的实践项目，帮助初学者掌握单片机的基本原理和应用技能。
1.2 研究现状
在现今的市场上，基于单片机的娱乐设备越来越多，其中打地鼠类游戏因其简单有趣的特点，在各类娱乐设备中占有一席之地。尽管市场上已有一些成熟的打地鼠产品，但它们大多采用复杂的集成电路或专用控制芯片，而本项目则通过较为简易的AT89S51单片机来实现该游戏的基本功能，以便于学习与实践。
1.3 设计目标
本次课程设计的主要目标是利用AT89S51单片机作为核心控制器，设计一个具备闯关模式和无尽模式的打地鼠游戏机。游戏机需具备以下功能：
- 启动与模式选择：按下启动开关，LED灯流水点亮并闪烁2次，播放游戏音乐并开始模式选择。
- 闯关模式：共有3关，每通过一关，蜂鸣器播放提示音。完成闯关后继续播放游戏音乐。
- 无尽模式：无限次游戏，最高分为999分。
- 随机生成地鼠：单片机随机生成0~6的整数，表示LED灯对应的地鼠冒头。玩家需在1秒内按下对应按钮。
- 分数计算：按对加分，按错或超时扣分，初始分数为10分，分数低于0分时游戏结束。
- 分数显示与模式指示：当前分数和游戏模式显示在数码管上。
1.4 论文结构
论文将按照以下结构进行详细讨论：
- 第一章 绪论：介绍课题背景、研究现状以及设计目标。
- 第二章 系统总体设计：概述系统的整体设计思路和功能模块划分。
- 第三章 硬件设计：详细介绍系统的硬件组成部分，包括各个模块的电路设计。
- 第四章 软件设计：描述系统的软件实现，包括主程序、子程序以及各功能模块的逻辑设计。
- 第五章 仿真与调试：进行系统的仿真测试与调试，验证设计的有效性。
- 第六章 总结与展望：总结设计的成果，并对未来的改进方向进行展望。
第二章 系统总体设计
2.1 设计思路
打地鼠游戏机系统的设计主要分为硬件和软件两大部分。硬件部分包括单片机主控电路、LED显示模块、蜂鸣器音效模块、按键输入模块及电源管理模块。软件部分则负责系统的整体逻辑控制，包括游戏的启动、模式选择、随机数生成、按键响应及分数管理。
本系统的设计以模块化为原则，硬件与软件各模块之间通过接口进行连接，方便日后扩展和维护。系统的核心控制器采用AT89S51单片机，通过编程实现对硬件的控制。
2.2 功能模块划分
整个系统按照功能划分为以下几个模块：
主控模块：由AT89S51单片机构成，负责控制整个游戏的流程，包括模式选择、分数计算、时间控制等功能。
显示模块：包括LED显示和数码管显示。LED用于显示地鼠的位置，数码管用于显示当前得分和游戏模式。
按键输入模块：提供玩家的输入接口，玩家通过按键捕捉地鼠，按键输入通过单片机的I/O端口进行检测。
蜂鸣器音效模块：用于在玩家按键成功或失败时提供音效提示，增强游戏的趣味性。
电源管理模块：为系统提供稳定的工作电压，确保各模块的正常运行。
第三章 硬件设计
原理图如下
PCB如下
3.1 系统硬件结构
本系统的硬件部分由以下几个主要模块组成：
- AT89S51单片机：作为系统的核心控制单元，负责控制整个游戏的流程。
- LED显示模块：由8个LED灯组成，显示地鼠的位置。
- 数码管显示模块：用于显示游戏分数和当前模式。
- 按键模块：包括7个按键，对应地鼠的7个位置，用于玩家输入。
- 蜂鸣器模块：用于播放音效，提示玩家当前操作的成功或失败。
- 电源模块：提供稳定的电源电压，保障系统正常运行。
3.2 关键元件选型
根据元件清单，本系统的关键元件选型如下：
- AT89S51单片机：选择AT89S51单片机作为主控芯片，因其成本低廉，性能稳定，适合于本项目的需求。
- LED灯：选用常规的5mm红色LED灯，用于地鼠位置的显示。
- 数码管：采用共阳极数码管，用于显示当前的游戏分数和模式。
- 按键：使用标准轻触开关，方便用户操作。
- 蜂鸣器：选择小型有源蜂鸣器，方便安装且音效清晰。
- 电源模块：选用7805稳压电源模块，提供5V稳定电压供给系统。
3.3 硬件电路设计
硬件电路设计包括主控电路、显示电路、按键电路和音效电路。各部分电路通过接口连接在一起，形成完整的系统硬件结构。
3.3.1 主控电路设计
主控电路以AT89S51单片机为核心，包括晶振电路、复位电路、I/O接口等。
+--------------------+
| AT89S51 |
| +---------------+ |
| | P1.0-P1.7 | |
| +---------------+ |
| | XTAL1, XTAL2 | |
| +---------------+ |
| | RST | |
+--------------------+
3.3.2 LED显示电路设计
LED显示电路由8个LED灯组成，每个LED灯通过一个限流电阻连接到单片机的I/O端口。
+--------+
| LED1 |
| |
+--------+
| R = 330Ω |
| |
+--------+
| P1.0 |
+--------+ -> AT89S51
| |
第四章 软件设计
4.1 软件功能描述
本系统的软件设计包括游戏启动、模式选择、随机地鼠生成、按键响应和分数计算等功能。软件部分的核心在于如何通过程序控制各个硬件模块
4.2 主程序流程设计
主程序的设计思路是通过一个主循环来不断监控按键输入、随机生成地鼠位置、控制LED显示、检测玩家的按键响应，并根据玩家的操作进行分数计算和游戏状态的切换。
主程序的基本流程如下：
- 初始化系统：包括单片机初始化、LED和数码管显示初始化、蜂鸣器初始化等。通过初始化使各个模块准备就绪。
- 游戏启动：按下启动按键后，LED流水点亮2次，并播放启动音乐，同时进入模式选择界面。
- 模式选择：通过按键选择闯关模式或无尽模式，数码管显示当前模式。
- 游戏循环：
- 随机生成地鼠位置并点亮相应的LED。
- 检测玩家的按键输入，判断是否按对地鼠位置。
- 计算得分或扣分，更新数码管显示。
- 在闯关模式下，根据分数判断是否通过当前关卡；在无尽模式下持续游戏。
- 游戏结束：当分数低于0时，游戏结束，蜂鸣器播放结束音效，数码管显示“End”。
4.2.1 主程序代码框架
#include <reg51.h>
void main() {
SystemInit(); // 系统初始化
while (1) {
GameStart(); // 游戏启动及模式选择
while (GameRunning()) { // 游戏主循环
GenerateRandomMole(); // 生成随机地鼠位置
CheckInput(); // 检测玩家按键
UpdateScore(); // 更新分数
}
GameOver(); // 游戏结束处理
}
}
4.3 各子程序模块设计
4.3.1 系统初始化
系统初始化函数负责配置单片机的工作状态，初始化LED、数码管、按键、蜂鸣器等模块，为游戏运行做好准备。
void SystemInit() {
P1 = 0x00; // LED初始化
P2 = 0xFF; // 按键初始化
InitBuzzer(); // 蜂鸣器初始化
InitTimer(); // 定时器初始化
}
4.3.2 随机数生成与地鼠位置控制
单片机通过定时器和随机数生成算法，生成一个0到6之间的随机数，表示地鼠的位置。根据随机数点亮对应的LED，提示玩家该地鼠的位置。
void GenerateRandomMole() {
unsigned char rand_num = GetRandomNumber() % 7;
LightUpLED(rand_num); // 点亮对应的LED
}
4.3.3 按键输入检测
在游戏过程中，玩家通过按键输入来捕捉地鼠。按键检测模块会定时扫描各个按键的状态，并与当前地鼠的位置进行对比，判断玩家是否按对。
void CheckInput() {
if (P2 == 0xFE) { // 假设按键0被按下
if (current_mole == 0) {
score++; // 按对加分
Beep(1); // 蜂鸣器提示
} else {
score -= 2; // 按错扣分
Beep(2); // 蜂鸣器提示两声
}
}
// 其他按键检测逻辑
}
4.3.4 分数计算与显示
分数由初始的10分开始，按对加1分，按错或超时扣2分。当分数低于0时，游戏结束。分数通过数码管实时显示。
void UpdateScore() {
DisplayScoreOn7Seg(score); // 数码管显示当前分数
}
4.4 游戏模式设计
本游戏设计有两种模式：闯关模式和无尽模式。玩家在启动游戏时可以通过按键选择模式，系统根据选择的模式切换相应的游戏逻辑。
4.4.1 闯关模式
闯关模式包含3个关卡，每关都有不同的时间限制或难度。玩家通过每一关时，蜂鸣器播放提示音，并进入下一关。通过所有关卡后，游戏结束并显示“胜利”。
void PlayStageMode() {
for (int stage = 1; stage <= 3; stage++) {
while (current_stage_score < target_score[stage]) {
GenerateRandomMole();
CheckInput();
UpdateScore();
}
Beep(1); // 通过关卡提示音
}
}
4.4.2 无尽模式
无尽模式没有关卡限制，玩家可以持续游戏，直到分数低于0。最高分为999分，当分数达到上限时，游戏会自动提示并停止计分。
void PlayEndlessMode() {
while (score >= 0 && score <= 999) {
GenerateRandomMole();
CheckInput();
UpdateScore();
}
}
4.5 按键消抖处理
为了避免按键抖动造成的误操作，程序加入了按键消抖处理，确保每次按键输入的稳定性。
void KeyDebounce() {
static unsigned char key_state = 0xFF;
static unsigned char key_last_state = 0xFF;
key_state = P2; // 读取按键状态
if (key_state != key_last_state) {
delay_ms(10); // 延时消抖
key_last_state = key_state;
}
}
第五章 仿真与调试
5.1 仿真环境搭建
本系统的仿真在Proteus仿真软件中完成。Proteus是一款强大的电路设计与仿真工具，通过Proteus可以对设计的电路进行虚拟测试，验证电路功能的正确性。
- 创建电路仿真模型：使用Proteus软件将设计好的电路图搭建在仿真平台上，包含AT89S51单片机、LED、数码管、蜂鸣器、按键等模块。
- 载入程序代码：将Keil编译后的程序代码(.hex文件)加载到Proteus中运行，通过仿真器观察系统的运行情况。
- 测试输入输出：通过Proteus的虚拟按键模拟玩家输入，观察LED和数码管的显示效果，并测试蜂鸣器音效。
5.2 功能模块仿真测试
在仿真测试过程中，首先对各个功能模块进行单独测试，确保每个模块都能够按照设计正常工作。
5.2.1 LED显示仿真测试
测试LED显示模块，生成随机数点亮对应的LED灯，并通过Proteus观察LED灯的亮灭情况。
5.2.2 数码管显示仿真测试
测试数码管的分数显示功能，观察玩家按下按键后分数的实时变化，确保数码管能够正确显示分数。
5.2.3 按键输入仿真测试
通过Proteus的虚拟按键模拟玩家输入，观察按键输入是否能够触发游戏操作，测试按键响应速度和准确性。
第六章 总结与展望
6.1 总结
本设计基于AT89S51单片机，成功实现了一款打地鼠游戏机。通过系统的硬件电路设计和软件逻辑控制，完成了游戏的启动、模式选择、随机生成地鼠、按键响应和分数显示等功能。系统在Proteus仿真平台上经过了严格的测试，结果表明设计具有较高的稳定性和可靠性。
6.2 展望
虽然本系统已具备了基本的游戏功能，但在后续的改进中，仍然有进一步的优化空间。可以考虑增加以下功能：
- 增加更多游戏模式：如计时模式或多人对战模式，丰富游戏玩法。
- 改进音效处理：使用更加复杂的音效提示，提高玩家的游戏体验。
- 优化硬件设计：使用更高效的LED驱动电路，提升显示效果，降低功耗。
未来可以将该设计应用于更多娱乐设备中，结合其他传感器和通信模块，扩展其功能范围。
程序源码&原理图&proteus仿真图&PCB&设计文档&演示视频&元件清单等
资料下载链接：
https://download.csdn.net/download/m0_61712829/89662269