能够感应手掌动作的掌上智能游戏机.pdf

本发明公开了属于电子游戏机范围的一种能够感应手掌动作的掌上智能游戏机。其结构是在微处理器的周围相应引线脚上连接信号检测模块、数据存储模块、液晶显示模块、电源管理模快、串口通信模块和操作键盘与发声器，加速度计和磁强计和信号检测模块连接，串口通信模块再和PC机连接，装在游戏机盒内构成。它利用各种传感器来感应游戏机本身的姿态和运动，模拟实际情况，在液晶屏幕上仿真物体的相对运动，设计相应的程序，完成各种游戏。除了可供娱乐外，还可以用于少儿的手部运动训练、康复治疗训练等。通过设置的串口通信电路，实现游戏机与个人PC机的信息传输，最终实现游戏机与计算机上同种游戏的存储信息共享。

1.  一种能感应手掌动作的掌上智能游戏机，其特征在于：该掌上智能游戏机是在微处理器的周围相应引线脚上连接信号检测模块、数据存储模块、液晶显示模块、电源管理模快、串口通信模块和操作键盘，加速度计和磁强计并联在信号检测模块的输入端，串口通信模块再和PC机连接，发声器装在游戏机盒内；所述作为传感器的加速度计和磁强计所测到的信号经过信号检测模块信号检测电路对检测信号分别进行放大、滤波处理，最后经过A/D转换后输入微处理器，微处理器利用所测的信号通过软件计算出游戏机所处的姿态；液晶模块在于显示游戏过程，EEPROM用于存储游戏数据，串口通信模块用来实现微处理器与PC机之间的信息传输。

2.  根据权利要求1所述的能够感应手掌动作的掌上智能游戏机，其特征在于：所述微处理器通过软件计算出游戏机所处的姿态，先建立游戏机所在位置的地理坐标系北-东-地(即N-E-D)、固连于游戏机的游戏机坐标系X-Y-Z(X--处于游戏机对称平面内所述被控物体的移动方向与速度，其速度为：
                          V＝V₀T-aT²/2
其中V₀为物体前一时刻的速度，T为微小时间段，a为计算出的物体沿斜面的加速度；
再由微处理器利用加速度计和磁强计所测到的信号通过软件计算出游戏机的摆放的位置与角度，从而确定游戏中被控物体的移动方向与速度；其中物体的移动方向是物体在游戏区内下滑加速度最大的方向。

能够感应手掌动作的掌上智能游戏机
技术领域
本发明属于电子游戏机。特别涉及一种能够感应手掌动作的掌上智能游戏机。
背景技术
在商业发达、生活忙碌的今天，人们总想在繁忙之外寻找一份轻闲的乐趣，以舒缓紧张的情绪，于是各种掌上电子游戏机针对现代人的需求相应问世，而且从发明之初便受到了广大消费者的青睐。
现今市场上所贩售的掌上电子游戏机，种类繁多，但大多是需要使用方向键的益智性或技巧性游戏，操作靠手指完成，与游戏机的自身姿态和运动无关。目前市场上还没有能够根据游戏机自身姿态和运动来操作的游戏机，本发明存在比较大的市场空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种只需改变游戏机的水平姿态或方向，不需要使用操作按键便可操控游戏中的受控物体运动的能感应手掌动作的掌上智能游戏机。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：该掌上智能游戏机是在微处理器的周围相应引线脚上连接信号检测模块、数据存储模块、液晶显示模块、电源管理模快、串口通信模块和操作键盘，加速度计和磁强计并联在信号检测模块的输入端，串口通信模块再和PC机连接，发声器装在游戏机盒内；所述作为传感器的加速度计和磁强计所测到的信号经过信号检测模块信号检测电路对检测信号分别进行放大、滤波处理，最后经过A/D采样输入微处理器，微处理器利用所测的信号通过软件计算出游戏机所处的姿态。并由此计算出受控物体在游戏区内的移动方向和移动速度。其中物体的移动方向是物体在游戏区内下滑加速度最大的方向，液晶模块在于显示游戏过程，EEPROM用于存储游戏数据，串口通信模块用来实现微处理器与PC机之间的信息传输。
其中游戏机的姿态解算为：
先建立游戏机所在位置的地理坐标系北-东-地(即N-E-D)、固连于游戏机的游戏机坐标系X-Y-Z(X--处于游戏机对称平面内，由质心指向游戏机运动前向；Y-垂直于游戏机对称平面并指向右方；Z-在游戏机对称平面内且垂直于X轴指向下方)，微处理器利用所测的信号通过软件计算出游戏机所处的姿态。并由此计算出受控物体在游戏区内的移动方向和移动速度，速度为：
                         V＝V₀T-aT²/2
其中V₀为物体前一时刻的速度，T为微小时间段，a为计算出的物体沿斜面的加速度。
游戏机在空间中的姿态可用游戏机坐标系相对于地理坐标系的运动来表示，运动角度称为游戏机的姿态角。导航学中常用航向角ψ、俯仰角θ和滚转角γ作为游戏机的姿态角，起始时两坐标系重合(N与X轴、E与Y轴、D与Z轴相对应)，随后游戏机绕D轴(Z)偏行ψ角，再绕水平Y’轴俯仰θ角，最后绕X”轴滚转γ角。游戏机坐标系与地理坐标系中的矢量可通过以下方向余弦矩阵进行相互转换：
C n b = cos ( N , X ) cos ( E , X ) cos ( D , X ) cos ( N , Y ) cos ( E , Y ) cos ( D , Y ) cos ( N , Z ) cos ( E , Z ) cos ( D , Z ) = [ T ij ] 3 × 3 ]]>
其上标b表示游戏机坐标系，下标n表示地理坐标系，T_ij为矩阵中的第i行第j列元素。
将三个磁强计分别沿游戏机坐标系的三轴放置，分别测量地球磁感应强度H在游戏机坐标系三轴上的投影分量，设：X轴磁强计的测量值为x_M，Y轴磁强计的测量值为y_M，Z轴磁强计的测量值为z_M；同样将加速度计的三轴分别沿游戏机坐标系的三轴放置，分别测量重力加速度f_g在X、Y和Z轴上的分量，设：X轴的分量为x_g、Y轴的分量为y_g，Z轴的分量为z_g。地磁场H和重力加速度f_g在地理坐标系和姿态坐标系中的表示通过方向余弦矩阵C_n^b进行转换，并考虑干扰[e_Mx e_My e_Mz]^T和[e_gx e_gy e_gz]^T的影响(包括随机和常值)，从而得到以下姿态角解算算式，其中H为地磁感应强度，β为地磁倾角。


干扰信号的常值和相关部分可以通过信号处理和建模加以消除。
发明利用串行通信芯片MAX232及其周围电路实现TTL与RS232之间的电平转换，从而实现游戏机与个人PC机之间的串行通信的功能。
本发明的有益效果是利用各种传感器来感应游戏机本身的姿态和运动，根据传感器提供的信息来模拟实际情况，在液晶屏幕上仿真物体的相对运动，设计相应的程序，完成迷宫等游戏。本发明除了可供娱乐外，还可以用于少儿的手部运动训练、康复治疗训练等。通过在掌上游戏机上设计串口通信电路，实现游戏机与个人PC机的信息传输，最终实现游戏机与计算机上同种游戏的存储信息共享。
附图说明
图1游戏机坐标系与地理坐标系相对关系示意图。
图2为游戏机的结构框图。
图3为游戏机的电路原理图。
图4为游戏主程序流程图。
具体实施方式
本发明是提供一种只需改变游戏机的水平姿态或方向，不需要使用操作按键便可操控游戏中的受控物体运动的能感应手掌动作的掌上智能游戏机。该掌上智能游戏机是在微处理器的周围相应引线脚上连接信号检测模块、数据存储模块、液晶显示模块、电源管理模快、串口通信模块和操作键盘，加速度计和磁强计并联在信号检测模块地输入端，串口通信模块再和PC机连接(如图1所示)；发声器装在游戏机盒内。所述作为传感器的加速度计和磁强计所测到的信号经过信号检测模块进行A/D转换后输入到微处理器，微处理器利用所测的信号通过软件计算出游戏机所处的姿态。并由此计算出受控物体在游戏区内的移动方向和移动速度。本发明采用模块化的设计思想，当游戏开始进行时，加速度计与磁强计输出所测电压信号。信号检测电路对检测信号分别进行放大、滤波处理，最后经过A/D采样输入单片机，单片机接收到采样电压后，经过计算得出所需数据。液晶模块的功能在于显示游戏过程，EEPROM用于存储游戏数据，串口通信模块用来实现单片机与PC机之间的信息传输。
本发明采用了三按键设计，一个按键为游戏机的主控制键，长按键可实现仪器的开、关机。另外两键作为调节键。通过这两个调节键，操作者可以选定游戏种类、完成游戏的功能设定、以及配合主控键完成其他需要按键的游戏等。
(一)硬件设计
本发明包括加速度计、磁强计、微处理器、信号处理模块、数据存储模块和液晶显示模块、串口通信模块、电源管理模快以及发声设备(如图2所示)。其游戏机的电路原理图如图3所示，由六个分区构成，结合图3详细介绍本发明的各个模块：
1.微处理器模块
微处理器主要负责信号的采集、运算、处理等一系列的过程，它是整个机器控制的核心部分。本发明的单片机选用ANALOG DEVICES公司的ADμC812芯片，它具有8路高精度的12位A/D转换器、三个定时器、片内带有8KB的闪速/电擦除(Flash/EE)程序存储器、640B的闪速/电擦除数据存储器以及256B的SRAM，它还具有最多能接64MB的外部数据存储器、内部节能模式、具有和8051兼容的内核，它的指令系统也与51系列兼容。晶振选用12MHz，连接到微处理器的脚32、33端，微处理器的I/O端口P2.5、P2.6、P2.7分别连接到液晶显示模块的片选端CS、写信号端WR，数据信号端DATA相连，微处理器的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别与EEPROM的CS、SCLK、DI、DO相连(具体电路见图3的1区范围)。
2.信号检测模块
信号检测模块的主要功能是检测传感器所测得的电压信号。加速度计采用两个两轴加速度芯片IC301(具体电路见图3的3区范围)，三轴磁强计由HMC1001与HMC1002组成(具体电路见图3的2区范围)。由传感器测得的六路电压信号经由MAX4194构成的放大、滤波电路放大、滤波后，被送到微处理器的ACH0~ACH5进行模数转换(A/D转换)将模拟信号变成数字信号，供单片机的处理、控制和液晶显示用。
3.电源管理模块
电源管理模块电路由开机自锁电路和稳压电路两部分构成。
游戏机上使用的是轻触式开关，开机自锁电路的作用是使电路在开机按键结束后可以维持供电。并可由软件切断电源供电，以达到节电的目的。关机时，在图3中，三极管Q₂的基极为高电平，Q₂截止。当按下游戏机主控开关后，Q₂的基极变为低电位，Q₂导通，则稳压芯片正常工作，VCC为3.3V。单片机的P3.7连接非门74HC04的输入端，输出通过电阻R21连接Q₂的基极。此时P3.7为高电位，则通过非门使得Q₂的基极一直为低电平，这就保证了在主控开关断开后，Q₂依然导通。实现了游戏机的开机自锁。当需要切断游戏机电源时，只需置P3.7低电位即可。
稳压电路主要由稳压芯MAX866及其外围电路构成，主要目的是为游戏机提供稳定的电压，并保证供电电池电压下降到一定范围内时，仪器能正常工作。这样可以提高电池的使用寿命(具体电路见图3的4区范围)。
4.串行通信模块
通信接口模块主要由MAX232芯片组成，MAX232的11脚与单片机的P3.1相连，12脚与P3.0相连；另外，MAX232芯片的13、14脚通过插座J4连接到PC机，从而为实现微处理器到PC的数据传输提供了方便(具体电路见图3的第5区)。
5.数据存储模块
仪器选用Microchip公司的93LC86作为仪器的存储芯片。93LC86是2048×8或1024×16位串行CMOS EEPROM，具有数据在线改写和掉电保存功能，重复擦写次数可达百万次，数据保存期在二百年以上；当采用+5V单电源工作时，输入输出电平与TTL兼容；片内有定时发生器，擦除和写入操作均由此定时电路自动控制；具有整体编程使能和禁止功能，增强了数据的保护能力(具体电路见图3的第6区)。
(二)通过软件实现游戏机的姿态
微处理器通过软件计算出游戏机所处的姿态，先建立游戏机所在位置的地理坐标系北-东-地(即N-E-D)、固连于游戏机的游戏机坐标系X-Y-Z(X--处于游戏机对称平面内(如图1所示)，再利用作为传感器的加速度计和磁强计所测到的信号，计算出受控物体在游戏区内的移动方向和移动速度，其速度为：
                         V＝V₀T-aT²/2
其中V₀为物体前一时刻的速度，T为微小时间段，a为计算出的物体沿斜面的加速度。
针对以上功能设计的仪器软件系统程序均采用结构化方式进行设计。
其中主程序的工作情况介绍如下：
如图4所示流程框图，主程序开始主要是完成一些初始化设定，如寄存器的初始化、中断向量地址的设定、清屏子程序的调用等。初始化结束后进入游戏主界面，等待其他中断子程序。随后操作者可以通过操作按键选择游戏种类以及设置游戏参数。在开始游戏之前，可以选择开始新游戏还是玩以前存储过的游戏。当游戏结束后，仪器可根据要求存储游戏信息，以备以后使用。游戏结束后仪器返回游戏主界面。所有游戏过程停止操作的时间不能超过2分钟，否则游戏自动关机。
本实施例中的电路在本发明的设计思想范畴内，可对该具体实施例作部分更改。