【分享】2023级 胡万 苏嗣淼 RGB LED灯光控制和点阵showing设计

susimiao

整个项目分为三大案例。
案例一：全彩 RGB LED 灯光颜色控制
案例二：点阵 Showing 设计
案例三：贪吃蛇游戏（创新部分）
【作品简介】

（一）利用 RGB LED 和迪文 EKT043E 开发板设计一个全彩 RGB LED 灯光颜色控制系统，满足以下要求：


1.屏幕具有开机画面，能够显示学校 LOGO 和标志性建筑、迪文公司 LOG、题目和队员信息等内容；
2.设计 RGB 控制界面：R、G、B 分量分别具有拖动调节和滑动刻度显示功能，并能够显示具体数值（0~255）；
3.通过拖动调节实现 RGB LED 发出不同颜色灯光；
4.增加键盘输入功能，R、G、B 分量数值可通过键盘输入；
5.增加三个按键用于控制特定颜色发光：一个按钮控制显示红光，一个按钮控制显示蓝光，一个按钮控制显示绿光；
6.增加特定颜色发光功能；
此外，团队还添加了一个颜色流水功能。
（二）利用 MAX7219 点阵模块（四合一 8*32）和迪文串口屏开发板EKT043B，制作一个点阵 Showing 装置，满足以下要求：
1.利用 MAX7219 点阵模块实现数字 0-9 及大写英文字母 A-Z 的流水轮询显示；
2.利用 MAX7219 点阵模块实现精美图案的流水轮询显示，图案包括但不限于动态烟花、汽车模型、爱心和笑脸、HNNU 呼吸灯以及各种文字，可以根据实际情况自由发挥。
3.增设时钟：增加时间显示和时间调节界面，用四合一 MAX7219 点阵模块显示时间的时、分、秒，中间用冒号隔开；
4.设置多字母或数字录入功能，支持将录入的字母数字组合用 MAX7219点阵模块流水轮询展示；
此外，团队还添加了时钟倒计时、秒表计时复位等功能。
（三）（创新部分）利用MAX7219 点阵模块（四合一 8*32）和迪文串口屏开发板EKT043B，制作一个贪吃蛇游戏。

【工作原理】
（一）全彩RGB LED灯光颜色控制
1. RGBLED发光原理：RGBLED内部集成红、绿、蓝三颗独立LED灯珠，通过分别控制三路灯珠的导通电流大小，改变三种原色发光亮度，按照三原色混光原理混合得到不同色彩。
2. PWM脉冲宽度调制调光：单片机产生PWM方波，通过调节高/低电平占空比，控制红(R)、绿(G)、蓝(B)三色灯的平均导通时间。占空比越大，对应颜色亮度越高；R/G/B三个分量（0‑255）不同数值组合，实现成千上万种颜色输出。
3. 迪文串口屏交互原理：迪文EKT043B串口屏通过串口和单片机通信，屏幕上滑动条、数字输入框将R、G、B分量数值下发给单片机；单片机读取屏幕变量，根据数值输出对应PWM波形驱动RGB‑LED；同时把当前色彩状态回传给屏幕显示。
4. 定时器中断实现PWM：单片机定时器做定时中断，设置计数周期0‑255；计数值和R/G/B设置值对比，输出引脚电平翻转，模拟PWM输出，完成三色亮度调节。
（二）点阵Showing设计
1. MAX7219芯片原理：MAX7219是点阵驱动芯片，可驱动8×8点阵；多片级联可以扩展成更大点阵（本例8*32）。芯片使用DIN、CLK、CS三线串行通信。
2. 串行通信：单片机通过DIN引脚发送16bit数据包，CLK提供时钟，CS片选信号控制锁存；多片级联时，第一片芯片输出接到下一片DIN，数据依次移位，CS拉高后，所有芯片同时锁存数据，点阵同步刷新显示。
3. 字模显示原理：数字、字母、图案预先提取字模点阵码，存储在单片机数组。单片机把字模数据逐字节发送给MAX7219，控制点阵每一个LED点亮熄灭。
4. 迪文屏交互：迪文DGUS屏幕作为人机界面，输入文字、选择动画模式，通过串口把数据发送单片机；单片机接收输入内容，调用对应字模，循环刷新MAX7219点阵，实现滚动、静态、动画效果。
（三）贪吃蛇游戏
1. MAX7219点阵驱动原理
MAX7219是点阵显示驱动芯片，采用DIN、CLK、CS三线串行通信；多片级联可扩展点阵屏幕，单片机发送16bit数据包完成点阵的行、列寄存器配置，CS片选信号锁存显示数据，控制点阵每一个LED的亮灭，构成游戏显示画布。游戏画面（蛇身体、食物、边界）全部转换为点阵字模数据，发送至MAX7219驱动点阵硬件进行显示。
2. 迪文DGUS串口屏人机交互原理
迪文EKT043E串口屏作为游戏操作终端，通过触控按键输出方向指令（上、下、左、右、开始、暂停、重启），经由串口将方向控制命令下发给单片机；单片机把游戏状态（分数、游戏结束提示）回传给串口屏做文本显示。串口屏不负责画面渲染，只承担按键输入与分数信息显示，游戏画面输出由MAX7219点阵完成。
3. 贪吃蛇游戏逻辑原理
①蛇身使用数组存储每一节身体的点阵坐标；蛇按照设定方向持续移动，新的蛇头坐标生成，去除蛇尾坐标实现前进。
②食物随机生成在点阵空白位置；当蛇头坐标与食物坐标重合，代表吃到食物，蛇身数组增加一节，分数加1，再重新随机生成新食物。
③碰撞判定：蛇头触碰点阵边界、蛇头碰到自身身体，判定游戏结束。
④按键方向控制：接收串口屏方向指令，做方向合法性校验（禁止直接向反方向掉头，如向上时不能直接向下），更新移动方向。
4. 定时刷新机制
单片机定时器产生固定时间中断，周期性执行蛇移动逻辑，刷新MAX7219点阵画面；定时时间决定游戏速度，分数提升后可缩短定时周期，实现游戏难度提升。
【设计思路】
（一）全彩RGB LED灯光颜色控制
1.硬件搭建：迪文串口屏与STM32单片机串口相连；单片机IO引脚外接RGBLED，串联限流电阻保护灯珠。

2.界面设计(DGUS)：在迪文DGUS软件制作UI界面，添加R、G、B三个滑动条、数字显示控件，绑定变量地址，用来设置、读取0‑255的三原色分量。
3.单片机程序框架系统初始化：IO口、串口、定时器初始化；循环读取迪文屏变量，获取R、G、B的设置数值；定时器中断服务函数做PWM计数，根据R/G/B数值输出对应占空比电平，驱动RGBLED；将当前R、G、B数值回传到屏幕，实现界面实时显示。
4。增加按键输入，按键修改R/G/B数值；设置功能按键，一键切换红色、绿色、蓝色、橙色、紫色等固定颜色模式。
（二）点阵Showing设计

1.硬件电路：迪文EKT043B串口屏单片机引脚连接MAX7219点阵模块的DIN、CLK、CS；模块5V供电，不需要额外驱动电阻。
2.DGUS界面设计：搭建显示界面，设置模式选择控件、文本录入框；绑定变量地址，实现模式选择（静态、滚动、雪花、爱心等）、文字输入，向单片机下发指令。
3.软件设计：
MAX7219底层驱动：编写写字节、写寄存器函数，完成芯片初始化，设置亮度、扫描界限、工作模式；
字模数组：预先制作数字0‑9、大写A‑Z、雪花、爱心、HNNU等图案的字模；
主循环：读取迪文屏变量，判断显示模式；读取屏幕输入的字符串，取出对应字模，调用MAX7219驱动，实现点阵静态显示或者流水滚动显示。
4.增加时钟计时功能，软件计时，在点阵模块显示时分秒；
5.增加文字录入功能，屏幕输入任意字符组合，点阵实现滚动输出；

（三）贪吃蛇游戏
1.硬件接线
单片机与迪文串口屏连接UART串口，实现指令下发和分数回传。
单片机IO口连接MAX7219点阵模块的DIN、CLK、CS引脚，多片MAX7219级联构成游戏显示点阵画布（例如8×32点阵），模块接5V电源。
2.DGUS串口屏界面设计
使用DGUS软件制作游戏控制界面：布置方向触控按键（上、下、左、右）、开始、暂停、重启按键；添加文本显示控件，用于显示当前得分、游戏结束提示；绑定对应变量地址，按键按下向单片机发送对应键值变量。
3.底层驱动编写
编写MAX7219驱动函数：单字节写入、寄存器写函数、芯片初始化函数，设置点阵亮度、扫描界限；封装画面刷新函数，将点阵缓冲区数据整体输出到MAX7219硬件。
2.游戏数据定义
定义蛇身坐标数组，记录蛇每一节身体的X、Y位置；定义方向变量、食物坐标、得分变量、游戏状态标志（运行/暂停/结束）。
开辟点阵显示缓冲区数组，游戏逻辑修改缓冲区，再统一调用MAX7219刷新函数输出画面。
3.主程序框架
①系统初始化：IO、串口、定时器、MAX7219初始化；游戏初始化，设置蛇初始长度、初始位置，随机生成第一个食物，分数清零。
②主循环：读取迪文串口屏的按键变量，解析方向、开始/暂停/重启指令；
③定时器中断服务函数：定时触发蛇移动逻辑，完成碰撞判断、吃食物逻辑，更新点阵缓冲区，调用MAX7219刷新画面；将分数回传给迪文串口屏显示。
④游戏结束逻辑：停止蛇移动，点阵显示游戏结束图案，串口屏显示得分与游戏结束提示，等待重启按键。
【演示视频】
串口屏RGB LED灯光颜色控制以及点阵设计-哔哩哔哩 https://b23.tv/ULRSPms
【附件上传】