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.

Arduino Datei erstellen

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

Programmierung Vorkenntnisse

• 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)

Programmierung Anleitung

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

1) Bibliotheken einfügen

Zuerst muss, für das Projekt Pong Spiel die heruntergeladenen Bibliotheken eingefügt werden.

Benötigt wird:

1. Kommunikation zum I2C/TWI Gerät.
2. Kommunikation mit dem SPI Gerät.
3. Adafruit GFX Grafik.
4. 128x64 and 128x32 OLEDs Displays.

Lösung  

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

2) Initialisierung Arduino

Nachdem nun die Bibliotheken hinzugefügt wurden, folgt nun die Initialisierung der benötigten Pins und Variablen.
Wichtig ist, sich vorab Gedanken zu machen, wie man diese anordnet. (siehe Abbildung 3)

2.1) Taster:

Zuerst müssen allen vier Tastern einen Pin am Arduino zugewiesen werden, diese kann man beliebig an den digitalen Schnittstellen anschließen.
Danach werden die Pins mit pinMode(); initialisiert.

Lösung  

/* Taster PINS */
const char UP_BUTTON = 2;
const char DOWN_BUTTON = 3;
const char UP_BUTTON_TWO = 4;
const char DOWN_BUTTON_TWO = 5;

void setup() {

/* Taster Initialisieren */
 pinMode(UP_BUTTON, INPUT);
 pinMode(DOWN_BUTTON, INPUT);                
 digitalWrite(UP_BUTTON,1);
 digitalWrite(DOWN_BUTTON,1);
    
/* Taster zwei */
  pinMode(UP_BUTTON_TWO, INPUT);
  pinMode(DOWN_BUTTON_TWO, INPUT);                
  digitalWrite(UP_BUTTON_TWO,1);
  digitalWrite(DOWN_BUTTON_TWO,1);
}

2.2) OLED Display

Test Text

Lösung  

/* Konstanten */
const char SCREEN_WIDTH = 128;    // OLED Display Breite
const char SCREEN_HEIGHT = 64;   // OLED Display Höhe

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>

/* Taster PINS */
const char UP_BUTTON = 2;
const char DOWN_BUTTON = 3;
const char UP_BUTTON_TWO = 4;
const char DOWN_BUTTON_TWO = 5;

/* Variablen */
const unsigned char PADDLE_RATE = 33;         // const: Konstant, wert bleibt unverändert
const unsigned char BALL_RATE = 16;           // unsigned long: kann keine negativen Zahlen speichern
const unsigned char PADDLE_HEIGHT = 25;

const char SCREEN_WIDTH = 128;      // OLED Display Breite
const char SCREEN_HEIGHT = 64;     // OLED Display Höhe

unsigned int Player_one = 0, Player_two = 0;

/* Deklaration Display, verbindung zum I2C (SDA, SCL pins) */
const char OLED_RESET; // Reset pin
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

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

unsigned long Paddle_update;
const unsigned char CPU_X = 12;                    
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();      // Anzahl von Ms zurück, seit 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);
    
/* Taster zwei */
  pinMode(UP_BUTTON_TWO, INPUT);
  pinMode(DOWN_BUTTON_TWO, INPUT);                
  digitalWrite(UP_BUTTON_TWO,1);
  digitalWrite(DOWN_BUTTON_TWO,1);
  display.clearDisplay();               // Display alle Pixel ausschalten

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

    display.display();

    Ball_update = millis();
    delay(1000);
}
// Punkteanzeige
void drawScore() {                
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setCursor(44, 0);
  display.println(Player_one);

  display.setCursor(74, 0);
  display.println(Player_two); 
}
// Punkte zurücksetzten
void eraseScore() {                               
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(BLACK);
  display.setCursor(44, 0);
  display.println(Player_one);
  
  display.setCursor(74, 0);
  display.println(Player_two);
}

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;
    static bool Up_state_two = false;
    static bool Down_state_two = false;
    
    Up_state |= (digitalRead(UP_BUTTON) == LOW);                   // Taster auslesen
    Down_state |= (digitalRead(DOWN_BUTTON) == LOW);
    Up_state_two |= (digitalRead(UP_BUTTON_TWO) == LOW);                   // Taster auslesen
    Down_state_two |= (digitalRead(DOWN_BUTTON_TWO) == LOW);


   if (time > Ball_update) {
    unsigned char New_x = Ball_x + Ball_dir_x;               // neue Ballposition
    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_one = Player_one + 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
            Player_two = Player_two+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 bool auf true
    }
        
        display.drawFastVLine(CPU_X, Cpu_y, PADDLE_HEIGHT, BLACK);
         if(Up_state_two) {
            Cpu_y -= 1;
        }
           if(Down_state_two) {
            Cpu_y += 1;
        }
        Up_state_two = Down_state_two = false;
        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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