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 zwei Tastern nach oben und unten steuern kann.
• Lässt man den „Ball“ am „Schläger“ vorbei und berührt die Wand, erhält der Gegner einen Punkt.
  
  

[Abb. 2: UML]

Benötigte Materiallien

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3
②	1	USB A zu USB B
③	14+	Jumperkabel, männlich/männlich
④	1	Steckbrett
⑤	4	Taster
⑥	1	0.96 I2C OLED Display

Vorab wichtig zu wissen!

Abb. 3: OLED Display

OLED Display:

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.

Tabelle 2: OLED Display Pins

VCC	Pin für die Spannungsversorgung, anzuschließen an den 5V Pin des Mikrocontrollers
GND	Ground-Pin, anzuschließen an den GND Pin des Mikrocontrollers
SDA	Überträgt Daten oder Adressen.
SCL	Überträgt den Takt

Aufbau Schaltung

Abb.4 Schaltung Pong Spiel

In Abb. 4 wird die Schaltung für das Projekt "Arduino Pong Spiel" dargestellt.
Bevor mit der Programmierung begonnen werden kann, muss die Schaltung des Projekts aufgebaut werden.

Programmierung

Es ist wichtig, die [Programmierrichtlinien] beim Programmieren einzuhalten.

1) Bibliotheken einfügen

Downloade die Bibliotheken für das OLED Display [SSD10306] und [GFX].

Benötigt wird:

1. Kommunikation zum I2C/TWI Gerät. Wire.h
2. Kommunikation mit dem SPI Gerät. SPI.h
3. Adafruit GFX Grafik. Adafruit_GFX.h
4. 128x64 and 128x32 OLEDs Displays. Adafruit_SSD1306.h

[Quelltext 1: Pong.ino]

Lösung  

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

2) Initialisierung Arduino

2.1 Taster initialisieren
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(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET); 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.

• Die Größe des Displays und die Ball Rate.
  
• Zwei Variablen für eine Punkteanzeige.

[Quelltext 4: Pong.ino]

Lösung  

const unsigned char BALL_RATE = 16;           
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 festlegen

• Benötigte Postionen sind: Ball, Spieler 1 (Player) und Spieler 2 (CPU).
  
• Benötigt wird eine update Variablen, um den Ball zu bewegen.
  
• 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;

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(43, 0);
  display.println(Player_one);

  display.setCursor(73, 0);
  display.println(Player_two); 
}
/* Punkte zurücksetzten */
void eraseScore() {                               
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(BLACK);
  display.setCursor(43, 0);
  display.println(Player_one);
  
  display.setCursor(73, 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-Bedingung() 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 == 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;
 }

/* Checkt, ob der Spieler 2 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;
}

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();

6) Boolean Taster

Ich habe mich dafür entschieden, mit einem bool zu programmieren, um die Taster abzufragen und falsche Eingaben zu überprüfen.

Tipp:

1. Neue Variablen für die Taster mit bool initialisieren.
2. Die alten und neuen Variablen auf LOW setzen, um die Taster schalten zu können.
3. Wenn die bool Variable = true ist, soll das Display aktualisiert werden mit display.display();.

[Quelltext 13: Pong.ino]

Lösung  

void loop() {
bool update = false;                          // Ein bool enthält einen von zwei Werten, true oder false

  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);
  Down_state_two |= (digitalRead(DOWN_BUTTON_TWO) == LOW);


if (update)                      // Wenn Variable = true wird display.display(); ausgeführt
    display.display();
}

7) Paddel Spieler

Der letzte Schritt ist, die Schläger mit den Tastern steuerbar zu machen.
Diese dürfen aber nicht aus dem Display gelangen.

Tipp:

1. Der Ablauf ist ähnlich wie beim Ball, nur werden die if-Bedingung von den Tastern betätigt.
2. Zusätzlich müssen noch die Schläger auf dem Display angezeigt werden, mit der Funktion display.drawFastVLine(PLAYER_X, Player_y, PADDLE_HEIGHT, BLACK);.

[Quelltext 14: Pong.ino]

Lösung  

void loop() {
/* Spieler 1 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;                                    // Um nicht aus dem Bildschirm zu gelangen
  if (Player_y + PADDLE_HEIGHT > 63) Player_y = 63 - PADDLE_HEIGHT;
  display.drawFastVLine(PLAYER_X, Player_y, PADDLE_HEIGHT, WHITE);

  update = true;

/* Spieler 2 Paddel */
  display.drawFastVLine(CPU_X, Cpu_y, PADDLE_HEIGHT, BLACK);
  if (Up_state_two) {
    Cpu_y -= 1;                       // Paddle 1 nach unten
  }
  if (Down_state_two) {
    Cpu_y += 1;                      // Paddle 1 nach oben
  }
  Up_state_two = Down_state_two = false;
  
  if (Cpu_y < 1) Cpu_y = 1;                                         // Um nicht aus dem Bildschirm zu gelangen
  if (Cpu_y + PADDLE_HEIGHT > 63) Cpu_y = 63 - PADDLE_HEIGHT;
  display.drawFastVLine(CPU_X, Cpu_y, PADDLE_HEIGHT, WHITE);
}

Musterlösung

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 BALL_RATE = 16;           
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 = 0; // 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;

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

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

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

  /* Taster Initialisieren */
  pinMode(UP_BUTTON, INPUT);       // Taster als INPUT festlegen
  pinMode(DOWN_BUTTON, INPUT);
  digitalWrite(UP_BUTTON, HIGH);       // Taster anschalten
  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);
}

/* Punkteanzeige */
void drawScore() {
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setCursor(43, 0);
  display.println(Player_one);

  display.setCursor(73, 0);
  display.println(Player_two);
}
/* Punkte zurücksetzten */
void eraseScore() {
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(BLACK);
  display.setCursor(43, 0);
  display.println(Player_one);

  display.setCursor(73, 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();               // Zeit-Variable

  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);
  Down_state_two |= (digitalRead(DOWN_BUTTON_TWO) == LOW);

/* Neue Ballposition */
  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;

    }
    // Checkt, ob der Spieler 1 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;

    }
    // Checkt, ob der Spieler 2 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;
    }

    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;               // true ~ display.display();
  }

/* Spieler 1 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;                                    // Um nicht aus dem Bildschirm zu gelangen
  if (Player_y + PADDLE_HEIGHT > 63) Player_y = 63 - PADDLE_HEIGHT;
  display.drawFastVLine(PLAYER_X, Player_y, PADDLE_HEIGHT, WHITE);

  update = true;

/* Spieler 2 Paddel */
  display.drawFastVLine(CPU_X, Cpu_y, PADDLE_HEIGHT, BLACK);
  if (Up_state_two) {
    Cpu_y -= 1;                       // Paddle 1 nach unten
  }
  if (Down_state_two) {
    Cpu_y += 1;                      // Paddle 1 nach oben
  }
  Up_state_two = Down_state_two = false;
  
  if (Cpu_y < 1) Cpu_y = 1;                                         // Um nicht aus dem Bildschirm zugelangen
  if (Cpu_y + PADDLE_HEIGHT > 63) Cpu_y = 63 - PADDLE_HEIGHT;
  display.drawFastVLine(CPU_X, Cpu_y, PADDLE_HEIGHT, WHITE);


  if (update)
    display.display();
}

Quelle: Link

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