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 alle Schritte 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.

Quelltext 1: Pong.ino

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(); und digitalWrite(); initialisiert.

Quelltext 2: Pong.ino

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, HIGH);
digitalWrite(DOWN_BUTTON, HIGH);
    
/* Taster zwei */
pinMode(UP_BUTTON_TWO, INPUT);
pinMode(DOWN_BUTTON_TWO, INPUT);                
digitalWrite(UP_BUTTON_TWO, HIGH);
digitalWrite(DOWN_BUTTON_TWO, HIGH);

void loop() {
//Später
}

2.2) OLED Display

Um das OLED Display zu initialisieren, wird die Bibliothek Adafruit_SSD1306 benötigt.
Hierfür nutzt man die Adafruit_SSD1306 display() Funktion.

Quelltext 3: Pong.ino

Lösung  

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

2.3) Variablen

Auch können vorab Variablen bestimmt werden, die für die Programmierung benötigt werden.
Wie die Größe des Displays und die Eigenschaften vom Schläger und Ball.
Zusätzlich ist geplant, eine Punkteanzeige zu entwerfen, wofür zwei Variablen benötigt werden.

Quelltext 4: Pong.ino

Lösung  

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;

2.4) Position vom Ball, Paddle und Spieler auf dem Display

Im nächsten Schritt sollen die Postionen auf dem Display festgelegt werden.
Benötigte Postionen sind: Ball, Spieler 1 (Cpu) und Spieler 2 (Player).
Auch werden zwei update Variablen benötigt, um später den Ball und Schläger bewegen zu können.
Dieser Werte können nach Geschmack angepasst werden.

Quelltext 5: Pong.ino

Lösung  

unsigned char Ball_x = 64, Ball_y = 32;                   
unsigned char Ball_dir_x = 1, Ball_dir_y = 1;

const unsigned char CPU_X = 12;                    
unsigned char Cpu_y = 16;

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

unsigned long Ball_update;
unsigned long Paddle_update;

3) Display hochfahren

Um später zu sehen, wo man welche Objekte platziert hat, muss das Display hochgefahren werden.
Zusätzlich wird beim Start vom Display ein Timer gesetzt, dieser wird für die Bewegung vom Ball benötigt.
Benötigt wird: display.display(); und mills(); zum Zeitauslesen.

Quelltext 6: Pong.ino

Lösung Code  

void setup() {
  Serial.begin(9600);

/* Hochfahren vom Display */
  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);   // Starte das Display         
  display.display();                    // Zeigt das Startbild vom Arduino an
  unsigned long start = millis();      // Anzahl von Ms zurück, seit Arduino-Board das aktuelle Programm gestartet hat
  delay(1000);
  display.clearDisplay();             // Löscht das Bild

/* Ball Timer zuweisen*/
  Ball_update = millis();
  delay(1000);
}

3.1) Display Spielname anzeigen

Als Zusatzaufgabe habe ich überlegt, bevor das Spiel startet den Namen Pong Spiel auf dem Display anzeigen zu lassen.
Tipp: Hierfür werden die display.set(); und display.println(); Funktionen benötigt.

Quelltext 7: Pong.ino

Lösung  

/* Pong Spiel Namen anzeigen */
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setCursor(5, 25);
  display.println("Pong Spiel");
  display.display();
  delay(1000);
  display.clearDisplay();

4) Display Punkteanzeige

Um die Punktanzeige ins Spiel mit einzubringen, werden zwei Methoden benötigt.
Die erste Methode soll die Zahlen auf dem Display anzeigen.
Die zweite Methode soll die erstellen Zahlen wieder löschen, um das nächste Ergebnis korrekt anzuzeigen.
Tipp: Hierfür werden die display.set(); und display.println(); Funktionen benötigt.

Quelltext 8: Pong.ino

Lösung  

/* Punkteanzeigen */
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);
}

5) Bewegter Ball

Damit der Ball sich auf dem Display bewegt, benötigt man eine Rechenfunktion.
Tipp: Rechne den X und Y Wert + 1 und erstelle eine neue Variable.

Quelltext 9: Pong.ino

Lösung  

void loop() {
  unsigned long time = millis();               // Zeit-Variable

 /* Neue Ballposition */
 if (time > Ball_update) {
   unsigned char New_x = Ball_x + Ball_dir_x;               // (x+1)
   unsigned char New_y = Ball_y + Ball_dir_y;               // (y+1)
 }

5.1) Wände erkennen

Damit der Ball wie gewünscht von den Wänden abprallt, müssen die Wände mit einer If Abfrage erkannt werden.
Wenn der Ball auf eine Wand trifft, muss die Richtung vom Ball geändert werden.
Zusätzlich soll der Spieler ein Punkt bekommen, wenn die Linke oder Rechte Wand berührt wurde.
Tipp: Wenn die X oder Y Position von der Wand erreicht wurde, negiere den Addierer.

Quelltext 10: Pong.ino

Lösung  

 if (time > Ball_update) {
    /* Neue Ballposition */
    unsigned char New_x = Ball_x + Ball_dir_x;               // (x+1)
    unsigned char New_y = Ball_y + Ball_dir_y;               // (y+1)

    /* 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 += 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 += 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;

    }
}

5.2) Paddel erkennen

Auch muss der Ball, wenn er den Schläger berührt, seine Richtung ändern.
Tipp: Postion von den Paddeln muss kleiner sein als die Postion vom Ball.

Quelltext 11: Pong.ino

Lösung  

// Checkt ob der Spieler 1 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 2 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;
    }
}

5.3) Neue Ballposition anzeigen

Nun kann sich der Ball bewegen, muss aber noch auf dem Display als Pixel angezeigt werden und die alten Pixel wieder gelöscht werden.
Auch müssen die neuen Variablen übertragen werden auf die alten, um weitere Abläufe zu ermöglichen.
Tipp: Nutze display.drawPixel(Name, Name,BLACK/WHITE);.

Quelltext 12: Pong.ino

Lösung  

  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;
  display.display();               // Später: update = true;   (true = display.display();

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;

const unsigned char CPU_X = 12;                    
unsigned char Cpu_y = 16;

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

unsigned long Ball_update;
unsigned long Paddle_update;
         
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, HIGH);
 digitalWrite(DOWN_BUTTON, HIGH);
    
/* Taster zwei */
  pinMode(UP_BUTTON_TWO, INPUT);
  pinMode(DOWN_BUTTON_TWO, INPUT);                
  digitalWrite(UP_BUTTON_TWO, HIGH);
  digitalWrite(DOWN_BUTTON_TWO, HIGH);
  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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