Arduino Projekt: Pong Spiel

Abb. 1: Pong Spiel

Autor: Justin Frommberger

Aufgabenstellung

• Das Ziel dieses Projektes ist eigenes Pong spiel umzusetzen.
• Ein Punkt (Ball) bewegt sich auf dem Bildschirm hin und her.
• Jeder der beiden Spieler steuert einen senkrechten Strich (Schläger), den er mit einem Drehknopf (Paddle) nach oben und unten verschieben kann.
• Lässt man den „Ball“ am „Schläger“ vorbei und berührt die Wand, erhält der Gegner einen Punkt.

Benötigte Software

• Aktuellste Arduino IDE mit der Version für ihren PC. (Download link)
• Bibliotheken für das OLED Display: Adafruit_SSD1306 und Adafruit-GFX-Library downloaden.
  • Klicke oben rechts in GitHub auf Code und dann downloade die Zip-Datei.
  • Um die Zip-Datei in ihre Arduino Bibliothek einzubinden, folgen diese Schritte: (Link)

Benötigte Materiallien

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild	Pos.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3		②	viele	Jumper Kabel, männlich/männlich
③	1	Steckbrett		④	4	Taster
⑤	1	0.96 I2C OLED Display

Vorab wichtig zu wissen!

Abb. 2: OLED Display

Arduino Uno R3:

• Der Arduino besitzt unterschiedliche Schnittstellen, weil der Arduino ein digitaler Mikrocontroller ist, kann er nur  5 Volt ausgeben oder annehmen.
• Bei einer konstanten  5 V Spannung, ist die LED immer gleich hell, so ist das Ziel die Spannung zur LED zu reduzieren.
• Dafür wird eine Pulsweitenmodulation (PWM) Schnittstelle benötigt, denn bei den anderen Schnittstellen ist dies nicht möglich.
• Bei einem geringen PWM-Wert ist das  5 V Signal kaum noch vorhanden und bei einem hohen PWM-Wert liegt das  5 V Signal nahezu durchgehend am Pin an.
• Durch die PWM Schnittstelle kann nun die LED unterschiedlich hell leuchten, da die Spannung anpassbar ist.
• Die [PWM] Schnittstellen sind ganz einfach zu erkennen an diesem Zeichen (~)

Steckbrett:
Erklärung zum Arbeiten mit einem Steckbrett (klicken!)

OLED Display:
Das Display verfügt über vier Pins:

• VCC: Pin für die Spannungsversorgung, anzuschließen an den 5V Pin des Mikrocontrollers
• GND: Ground-Pin, anzuschließen an den GND Pin des Mikrocontrollers
• SDA und SCL: mit den dafür vorgesehenen Kontakten am Mikrocontroller
  • Beim UNO R3 gibt es dafür oberhalb des Pin 13 einen SDA und SCL Pin, alternativ können auch die analogen Pins A4 (SDA) und A5 (SCL) verwendet werden.

Aufbau Schaltung

Abb.3 Schaltung Pong Spiel

• * In Abb. 3 wird die Schaltung für das Projekt " Arduino Pong Spiel" dargestellt.

Programmierung

Schritt 1

• Erstellen der ersten Arduino Datei (Link zum Tutorial).

Schritt 2

• Kenntnisse in den Programmierrichtlinien für die Erstellung von Software. (Link)
  
• Grundkenntnisse von Projekt 1-5 verstanden haben. (Link)
• Grundkenntnisse für das Projekt "Arduino Pong Spiel" verstehen. (Link)

Schritt 3

• Nachdem die Schritte 1 und 2 abgeschlossen sind, kann mit der Programmierung des Projektes gestartet werden.

1) Initialisierung
Nachdem das Projekt aufgebaut ist, kann mit der Programmierung begonnen werden.
Zuerst müssen die verwendeten Schnittstellen am Arduino Initialisiert werden.
Tipp: Initialisiert werden müssen, LEDs, Buzzer, Ultraschallsensor und die internen Timer und Variablen.

Lösung  

2) pinMode()

Lösung  

3) Ultraschallsensor

Lösung  

4) Serieller Monitor

5) If-Verzweigung für LEDs und Buzzer

Lösung  

Schritt 4

• Nach dem Beenden von Schritt 3, kann nun das Ergebnis mit der Musterlösung verglichen werden.

Musterlösung

Quelle: Link

Lösung Code  

// Benötigte Bibliotheken
#include <SPI.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

/* Konstanten */
const char UP_BUTTON = 2;
const char DOWN_BUTTON = 3;

const char SCREEN_WIDTH = 128;      // OLED display Breite, in Pixel
const char SCREEN_HEIGHT = 64;     // OLED display Höhe, in Pixel

const unsigned char PADDLE_RATE = 33;         // const: Konstant, wert bleibt unverändert
const unsigned char BALL_RATE = 16;           // unsigned long: kann keine negativen Zahlen speichern, der Bereich liegt zwischen 0 und 4,294,967,295 (2^32 - 1)
const unsigned char PADDLE_HEIGHT = 25;

// Deklaration für das verwendete Display, verbindung zum I2C (SDA, SCL pins)
const unsigned char OLED_RESET = 4; // Reset pin # (or -1 if sharing Arduino reset pin)
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

/* Variablen deklarieren */
unsigned int Player_score = 0, Ai_score = 0;




// Position vom Ball, Paddle und Spieler auf dem Display
unsigned char Ball_x = 64, Ball_y = 32;                  // UINT8_t == unsigned char
unsigned char Ball_dir_x = 1, Ball_dir_y = 1;
unsigned long Ball_update;

unsigned long Paddle_update;
const unsigned char CPU_X = 12;                        // Das const-Keywort steht für Konstanten
unsigned char Cpu_y = 16;

const unsigned char PLAYER_X = 115;
unsigned char Player_y = 16;


void setup() {
  Serial.begin(9600);
  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);   // Starte das Display


  display.display();                          // Display aktualisierung
  unsigned long start = millis();             // Gibt die Anzahl von Millisekunden zurück, seit das Arduino-Board das aktuelle Programm gestartet hat

  // Taster Initialisieren
  pinMode(UP_BUTTON, INPUT);
  pinMode(DOWN_BUTTON, INPUT);
  digitalWrite(UP_BUTTON, 1);
  digitalWrite(DOWN_BUTTON, 1);
  display.clearDisplay();                     // Display alle pixel ausschalten

  while (millis() - start < 2000);           // Solange millis kleiner als 2000ms ist

  display.display();

  Ball_update = millis();
  delay(1000);
  Paddle_update = Ball_update;
}

// Punkteanzeige
void drawScore() {
  // draw AI and player scores
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setCursor(45, 0);
  display.println(Player_score);

  display.setCursor(75, 0);
  display.println(Ai_score);
}

// Punkte zurücksetzten
void eraseScore() {
  // erase AI and player scores
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(BLACK);
  display.setCursor(45, 0);
  display.println(Player_score);
  display.setCursor(75, 0);
  display.println(Ai_score);
}

void loop() {
  drawScore(); 

  bool update = false;                          // Ein bool enthält einen von zwei Werten, true oder false
  unsigned long time = millis();

  static bool Up_state = false;
  static bool Down_state = false;

  Up_state |= (digitalRead(UP_BUTTON) == LOW);                   // Taster auslesen
  Down_state |= (digitalRead(DOWN_BUTTON) == LOW);

  if (time > Ball_update) {
    unsigned char New_x = Ball_x + Ball_dir_x;                 // neue Ball Position
    unsigned char New_y = Ball_y + Ball_dir_y;

    // Checkt ob die verticalen Wände berüht werden
    if (New_x == 0) {                         // Wand links
      Ball_dir_x = -Ball_dir_x;             // Wechselt die Richtung
      New_x += Ball_dir_x + Ball_dir_x;
      eraseScore();                         // Punkt für Spieler
      Player_score = Player_score + 1;
      drawScore();


    }
    if (New_x == 127) {                     // Wand rechts
      Ball_dir_x = -Ball_dir_x;            // Wechselt die Richtung
      New_x += Ball_dir_x + Ball_dir_x;
      eraseScore();                        // Punkt für den Computer
      Ai_score = Ai_score + 1;
      drawScore();
    }

    // Checkt ob die horizontalen Wände berüht werden
    if (New_y == 0 || New_y == 63)  {
      Ball_dir_y = -Ball_dir_y;           // Wechselt die Richtung
      New_y += Ball_dir_y + Ball_dir_y;

    }

    // Checkt ob der Computer Paddel getroffen wurde
    if (New_x == CPU_X && New_y >= Cpu_y && New_y <= Cpu_y + PADDLE_HEIGHT) {
      Ball_dir_x = -Ball_dir_x;
      New_x += Ball_dir_x + Ball_dir_x;
    }

    // Checkt ob der Spieler Paddel getroffen wurde
    if (New_x == PLAYER_X && New_y >= Player_y && New_y <= Player_y + PADDLE_HEIGHT) {
      Ball_dir_x = -Ball_dir_x;
      New_x += Ball_dir_x + Ball_dir_x;
    }

    display.drawPixel(Ball_x, Ball_y, BLACK);
    display.drawPixel(New_x, New_y, WHITE);
    Ball_x = New_x;
    Ball_y = New_y;

    Ball_update += BALL_RATE;

    update = true;               // updated darum bool auf true
  }

  if (time > Paddle_update) {
    Paddle_update += PADDLE_RATE;

    // Computer Paddel

    display.drawFastVLine(CPU_X, Cpu_y, PADDLE_HEIGHT, BLACK);
    const unsigned char Half_paddle = PADDLE_HEIGHT >> 1;
    if (Cpu_y + Half_paddle > Ball_y) {
      Cpu_y -= 1;
    }
    if (Cpu_y + Half_paddle < Ball_y) {
      Cpu_y += 1;
    }
    if (Cpu_y < 1) Cpu_y = 1;
    if (Cpu_y + PADDLE_HEIGHT > 63) Cpu_y = 63 - PADDLE_HEIGHT;

    display.drawFastVLine(CPU_X, Cpu_y, PADDLE_HEIGHT, WHITE);


    // Spieler Paddel
    display.drawFastVLine(PLAYER_X, Player_y, PADDLE_HEIGHT, BLACK);
    if (Up_state) {
      Player_y -= 1;
    }
    if (Down_state) {
      Player_y += 1;
    }
    Up_state = Down_state = false;
    if (Player_y < 1) Player_y = 1;
    if (Player_y + PADDLE_HEIGHT > 63) Player_y = 63 - PADDLE_HEIGHT;
    display.drawFastVLine(PLAYER_X, Player_y, PADDLE_HEIGHT, WHITE);

    update = true;
  }

  if (update)
    display.display();
}

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