專利名稱：能夠感應手掌動作的掌上智能游戲機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子游戲機。特別涉及一種能夠感應手掌動作的掌上智能游戲機。
背景技術：
在商業(yè)發(fā)達、生活忙碌的今天，人們總想在繁忙之外尋找一份輕閑的樂趣，以舒緩緊張的情緒，于是各種掌上電子游戲機針對現(xiàn)代人的需求相應問世，而且從發(fā)明之初便受到了廣大消費者的青睞。
現(xiàn)今市場上所販售的掌上電子游戲機，種類繁多，但大多是需要使用方向鍵的益智性或技巧性游戲，操作靠手指完成，與游戲機的自身姿態(tài)和運動無關。目前市場上還沒有能夠根據(jù)游戲機自身姿態(tài)和運動來操作的游戲機，本發(fā)明存在比較大的市場空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種只需改變游戲機的水平姿態(tài)或方向，不需要使用操作按鍵便可操控游戲中的受控物體運動的能感應手掌動作的掌上智能游戲機。
本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的該掌上智能游戲機是在微處理器的周圍相應引線腳上連接信號檢測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、液晶顯示模塊、電源管理?？臁⒋谕ㄐ拍K和操作鍵盤，加速度計和磁強計并聯(lián)在信號檢測模塊的輸入端，串口通信模塊再和PC機連接，發(fā)聲器裝在游戲機盒內(nèi)；所述作為傳感器的加速度計和磁強計所測到的信號經(jīng)過信號檢測模塊信號檢測電路對檢測信號分別進行放大、濾波處理，最后經(jīng)過A/D采樣輸入微處理器，微處理器利用所測的信號通過軟件計算出游戲機所處的姿態(tài)。并由此計算出受控物體在游戲區(qū)內(nèi)的移動方向和移動速度。其中物體的移動方向是物體在游戲區(qū)內(nèi)下滑加速度最大的方向，液晶模塊在于顯示游戲過程，EEPROM用于存儲游戲數(shù)據(jù)，串口通信模塊用來實現(xiàn)微處理器與PC機之間的信息傳輸。
其中游戲機的姿態(tài)解算為
先建立游戲機所在位置的地理坐標系北-東-地(即N-E-D)、固連于游戲機的游戲機坐標系X-Y-Z(X--處于游戲機對稱平面內(nèi)，由質(zhì)心指向游戲機運動前向；Y-垂直于游戲機對稱平面并指向右方；Z-在游戲機對稱平面內(nèi)且垂直于X軸指向下方)，微處理器利用所測的信號通過軟件計算出游戲機所處的姿態(tài)。并由此計算出受控物體在游戲區(qū)內(nèi)的移動方向和移動速度，速度為V＝V0T-aT2/2其中V0為物體前一時刻的速度，T為微小時間段，a為計算出的物體沿斜面的加速度。
游戲機在空間中的姿態(tài)可用游戲機坐標系相對于地理坐標系的運動來表示，運動角度稱為游戲機的姿態(tài)角。導航學中常用航向角ψ、俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角γ作為游戲機的姿態(tài)角，起始時兩坐標系重合(N與X軸、E與Y軸、D與Z軸相對應)，隨后游戲機繞D軸(Z)偏行ψ角，再繞水平Y(jié)’軸俯仰θ角，最后繞X”軸滾轉(zhuǎn)γ角。游戲機坐標系與地理坐標系中的矢量可通過以下方向余弦矩陣進行相互轉(zhuǎn)換Cnb=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)=[Tij]3×3]]>其上標b表示游戲機坐標系，下標n表示地理坐標系，Tij為矩陣中的第i行第j列元素。
將三個磁強計分別沿游戲機坐標系的三軸放置，分別測量地球磁感應強度H在游戲機坐標系三軸上的投影分量，設X軸磁強計的測量值為xM，Y軸磁強計的測量值為yM，Z軸磁強計的測量值為zM；同樣將加速度計的三軸分別沿游戲機坐標系的三軸放置，分別測量重力加速度fg在X、Y和Z軸上的分量，設X軸的分量為xg、Y軸的分量為yg，Z軸的分量為zg。地磁場H和重力加速度fg在地理坐標系和姿態(tài)坐標系中的表示通過方向余弦矩陣Cnb進行轉(zhuǎn)換，并考慮干擾[eMxeMyeMz]T和[egxegyegz]T的影響(包括隨機和常值)，從而得到以下姿態(tài)角解算算式，其中H為地磁感應強度，β為地磁傾角。
干擾信號的常值和相關部分可以通過信號處理和建模加以消除。
發(fā)明利用串行通信芯片MAX232及其周圍電路實現(xiàn)TTL與RS232之間的電平轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)游戲機與個人PC機之間的串行通信的功能。
本發(fā)明的有益效果是利用各種傳感器來感應游戲機本身的姿態(tài)和運動，根據(jù)傳感器提供的信息來模擬實際情況，在液晶屏幕上仿真物體的相對運動，設計相應的程序，完成迷宮等游戲。本發(fā)明除了可供娛樂外，還可以用于少兒的手部運動訓練、康復治療訓練等。通過在掌上游戲機上設計串口通信電路，實現(xiàn)游戲機與個人PC機的信息傳輸，最終實現(xiàn)游戲機與計算機上同種游戲的存儲信息共享。


圖1游戲機坐標系與地理坐標系相對關系示意圖。
圖2為游戲機的結(jié)構框圖。
圖3為游戲機的電路原理圖。
圖4為游戲主程序流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明是提供一種只需改變游戲機的水平姿態(tài)或方向，不需要使用操作按鍵便可操控游戲中的受控物體運動的能感應手掌動作的掌上智能游戲機。該掌上智能游戲機是在微處理器的周圍相應引線腳上連接信號檢測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、液晶顯示模塊、電源管理?？臁⒋谕ㄐ拍K和操作鍵盤，加速度計和磁強計并聯(lián)在信號檢測模塊的輸入端，串口通信模塊再和PC機連接(如圖1所示)；發(fā)聲器裝在游戲機盒內(nèi)。所述作為傳感器的加速度計和磁強計所測到的信號經(jīng)過信號檢測模塊進行A/D轉(zhuǎn)換后輸入到微處理器，微處理器利用所測的信號通過軟件計算出游戲機所處的姿態(tài)。并由此計算出受控物體在游戲區(qū)內(nèi)的移動方向和移動速度。本發(fā)明采用模塊化的設計思想，當游戲開始進行時，加速度計與磁強計輸出所測電壓信號。信號檢測電路對檢測信號分別進行放大、濾波處理，最后經(jīng)過A/D采樣輸入單片機，單片機接收到采樣電壓后，經(jīng)過計算得出所需數(shù)據(jù)。液晶模塊的功能在于顯示游戲過程，EEPROM用于存儲游戲數(shù)據(jù)，串口通信模塊用來實現(xiàn)單片機與PC機之間的信息傳輸。
本發(fā)明采用了三按鍵設計，一個按鍵為游戲機的主控制鍵，長按鍵可實現(xiàn)儀器的開、關機。另外兩鍵作為調(diào)節(jié)鍵。通過這兩個調(diào)節(jié)鍵，操作者可以選定游戲種類、完成游戲的功能設定、以及配合主控鍵完成其他需要按鍵的游戲等。
(一)硬件設計本發(fā)明包括加速度計、磁強計、微處理器、信號處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和液晶顯示模塊、串口通信模塊、電源管理模快以及發(fā)聲設備(如圖2所示)。其游戲機的電路原理圖如圖3所示，由六個分區(qū)構成，結(jié)合圖3詳細介紹本發(fā)明的各個模塊1.微處理器模塊微處理器主要負責信號的采集、運算、處理等一系列的過程，它是整個機器控制的核心部分。本發(fā)明的單片機選用ANALOG DEVICES公司的ADμC812芯片，它具有8路高精度的12位A/D轉(zhuǎn)換器、三個定時器、片內(nèi)帶有8KB的閃速/電擦除(Flash/EE)程序存儲器、640B的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器以及256B的SRAM，它還具有最多能接64MB的外部數(shù)據(jù)存儲器、內(nèi)部節(jié)能模式、具有和8051兼容的內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)也與51系列兼容。晶振選用12MHz，連接到微處理器的腳32、33端，微處理器的I/O端口P2.5、P2.6、P2.7分別連接到液晶顯示模塊的片選端CS、寫信號端WR，數(shù)據(jù)信號端DATA相連，微處理器的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分別與EEPROM的CS、SCLK、DI、DO相連(具體電路見圖3的1區(qū)范圍)。
2.信號檢測模塊信號檢測模塊的主要功能是檢測傳感器所測得的電壓信號。加速度計采用兩個兩軸加速度芯片IC301(具體電路見圖3的3區(qū)范圍)，三軸磁強計由HMC1001與HMC1002組成(具體電路見圖3的2區(qū)范圍)。由傳感器測得的六路電壓信號經(jīng)由MAX4194構成的放大、濾波電路放大、濾波后，被送到微處理器的ACH0~ACH5進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)將模擬信號變成數(shù)字信號，供單片機的處理、控制和液晶顯示用。
3.電源管理模塊電源管理模塊電路由開機自鎖電路和穩(wěn)壓電路兩部分構成。
游戲機上使用的是輕觸式開關，開機自鎖電路的作用是使電路在開機按鍵結(jié)束后可以維持供電。并可由軟件切斷電源供電，以達到節(jié)電的目的。關機時，在圖3中，三極管Q2的基極為高電平，Q2截止。當按下游戲機主控開關后，Q2的基極變?yōu)榈碗娢?，Q2導通，則穩(wěn)壓芯片正常工作，VCC為3.3V。單片機的P3.7連接非門74HC04的輸入端，輸出通過電阻R21連接Q2的基極。此時P3.7為高電位，則通過非門使得Q2的基極一直為低電平，這就保證了在主控開關斷開后，Q2依然導通。實現(xiàn)了游戲機的開機自鎖。當需要切斷游戲機電源時，只需置P3.7低電位即可。
穩(wěn)壓電路主要由穩(wěn)壓芯MAX866及其外圍電路構成，主要目的是為游戲機提供穩(wěn)定的電壓，并保證供電電池電壓下降到一定范圍內(nèi)時，儀器能正常工作。這樣可以提高電池的使用壽命(具體電路見圖3的4區(qū)范圍)。
4.串行通信模塊通信接口模塊主要由MAX232芯片組成，MAX232的11腳與單片機的P3.1相連，12腳與P3.0相連；另外，MAX232芯片的13、14腳通過插座J4連接到PC機，從而為實現(xiàn)微處理器到PC的數(shù)據(jù)傳輸提供了方便(具體電路見圖3的第5區(qū))。
5.數(shù)據(jù)存儲模塊儀器選用Microchip公司的93LC86作為儀器的存儲芯片。93LC86是2048×8或1024×16位串行CMOS EEPROM，具有數(shù)據(jù)在線改寫和掉電保存功能，重復擦寫次數(shù)可達百萬次，數(shù)據(jù)保存期在二百年以上；當采用+5V單電源工作時，輸入輸出電平與TTL兼容；片內(nèi)有定時發(fā)生器，擦除和寫入操作均由此定時電路自動控制；具有整體編程使能和禁止功能，增強了數(shù)據(jù)的保護能力(具體電路見圖3的第6區(qū))。
(二)通過軟件實現(xiàn)游戲機的姿態(tài)微處理器通過軟件計算出游戲機所處的姿態(tài)，先建立游戲機所在位置的地理坐標系北-東-地(即N-E-D)、固連于游戲機的游戲機坐標系X-Y-Z(X--處于游戲機對稱平面內(nèi)(如圖1所示)，再利用作為傳感器的加速度計和磁強計所測到的信號，計算出受控物體在游戲區(qū)內(nèi)的移動方向和移動速度，其速度為V＝V0T-aT2/2其中V0為物體前一時刻的速度，T為微小時間段，a為計算出的物體沿斜面的加速度。
針對以上功能設計的儀器軟件系統(tǒng)程序均采用結(jié)構化方式進行設計。
其中主程序的工作情況介紹如下如圖4所示流程框圖，主程序開始主要是完成一些初始化設定，如寄存器的初始化、中斷向量地址的設定、清屏子程序的調(diào)用等。初始化結(jié)束后進入游戲主界面，等待其他中斷子程序。隨后操作者可以通過操作按鍵選擇游戲種類以及設置游戲參數(shù)。在開始游戲之前，可以選擇開始新游戲還是玩以前存儲過的游戲。當游戲結(jié)束后，儀器可根據(jù)要求存儲游戲信息，以備以后使用。游戲結(jié)束后儀器返回游戲主界面。所有游戲過程停止操作的時間不能超過2分鐘，否則游戲自動關機。
本實施例中的電路在本發(fā)明的設計思想范疇內(nèi)，可對該具體實施例作部分更改。
權利要求
1.一種能感應手掌動作的掌上智能游戲機，其特征在于該掌上智能游戲機是在微處理器的周圍相應引線腳上連接信號檢測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、液晶顯示模塊、電源管理模快、串口通信模塊和操作鍵盤，加速度計和磁強計并聯(lián)在信號檢測模塊的輸入端，串口通信模塊再和PC機連接，發(fā)聲器裝在游戲機盒內(nèi)；所述作為傳感器的加速度計和磁強計所測到的信號經(jīng)過信號檢測模塊信號檢測電路對檢測信號分別進行放大、濾波處理，最后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入微處理器，微處理器利用所測的信號通過軟件計算出游戲機所處的姿態(tài)；液晶模塊在于顯示游戲過程，EEPROM用于存儲游戲數(shù)據(jù)，串口通信模塊用來實現(xiàn)微處理器與PC機之間的信息傳輸。
2.根據(jù)權利要求1所述的能夠感應手掌動作的掌上智能游戲機，其特征在于所述微處理器通過軟件計算出游戲機所處的姿態(tài)，先建立游戲機所在位置的地理坐標系北-東-地(即N-E-D)、固連于游戲機的游戲機坐標系X-Y-Z(X--處于游戲機對稱平面內(nèi)所述被控物體的移動方向與速度，其速度為V＝V0T-aT2/2其中V0為物體前一時刻的速度，T為微小時間段，a為計算出的物體沿斜面的加速度；再由微處理器利用加速度計和磁強計所測到的信號通過軟件計算出游戲機的擺放的位置與角度，從而確定游戲中被控物體的移動方向與速度；其中物體的移動方向是物體在游戲區(qū)內(nèi)下滑加速度最大的方向。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于電子游戲機范圍的一種能夠感應手掌動作的掌上智能游戲機。其結(jié)構是在微處理器的周圍相應引線腳上連接信號檢測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、液晶顯示模塊、電源管理?？臁⒋谕ㄐ拍K和操作鍵盤與發(fā)聲器，加速度計和磁強計和信號檢測模塊連接，串口通信模塊再和PC機連接，裝在游戲機盒內(nèi)構成。它利用各種傳感器來感應游戲機本身的姿態(tài)和運動，模擬實際情況，在液晶屏幕上仿真物體的相對運動，設計相應的程序，完成各種游戲。除了可供娛樂外，還可以用于少兒的手部運動訓練、康復治療訓練等。通過設置的串口通信電路，實現(xiàn)游戲機與個人PC機的信息傳輸，最終實現(xiàn)游戲機與計算機上同種游戲的存儲信息共享。
文檔編號G06F19/00GK1588275SQ20041007112
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月29日 優(yōu)先權日2004年7月29日
發(fā)明者王曉浩, 唐飛, 于楊春 申請人:清華大學