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[入门教程] Arduino入门教程20--反应速度测试「DFR0100」

本帖最后由 zoey不种土豆于 2024-11-21 20:30 编辑

在这个项目中我们将用Arduino制作一个反应速度测试游戏。通过点亮LED灯并快速按下对应按钮来得分，游戏持续一分钟。准备挑战你的反应极限了吗？让我们开始吧！

元件清单

硬件连接
在这个项目中，我们使用到的LED灯和按键模块，都是在之前的项目中出现过的。不同的一点是之前项目【交通信号灯】中给按键外加了一个下拉电阻，在这个项目中，我们使用Arduino芯片内部的上拉电阻，详见本项目的硬件回顾。请按照下图将硬件连接正确。

图 1 反应速度测试连线图

示例代码
样例代码：

//项目 - 反应速度测试
// 定义LED灯和按钮的引脚
const int LEDS[] = {3, 5, 7};
const int BUTTONS[] = {2, 4, 6};

int score = 0; // 玩家的得分
bool gameStarted = false; // 游戏是否开始的标志
unsigned long gameStartTime; // 记录游戏开始的时间戳
const unsigned long gameDuration = 60000; 
// 游戏持续时间，单位为毫秒（1分钟）

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 初始串口通信
  // 设置LED灯和按钮的引脚模式
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    pinMode(LEDS[i], OUTPUT);
    pinMode(BUTTONS[i], INPUT_PULLUP);
  }
}

void loop() {
  // 检查是否同时按下了所有三个按钮来开始游戏
  if (!gameStarted && digitalRead(BUTTONS[0]) == LOW && digitalRead(BUTTONS[1]) == LOW && digitalRead(BUTTONS[2]) == LOW) {
    Serial.println("游戏开始");
    gameStarted = true;
    score = 0; // 重置得分
    gameStartTime = millis(); // 记录游戏开始的时间
    delay(1000); // 等待一秒后开始游戏
  }

  // 如果游戏已经开始，检查游戏是否超时
  if (gameStarted && millis() - gameStartTime < gameDuration) {
    int led = random(0, 3); // 随机选择一个LED
    digitalWrite(LEDS[led], HIGH); // 点亮这个LED
    long startTime = millis(); // 记录点亮LED的时间
    bool buttonPressed = false; // 初始化按钮状态（未被按下）
    
    // 给玩家一定时间来按按钮
    while (millis() - startTime < 1000) {
      if (digitalRead(BUTTONS[led]) == LOW) { 
// 检查是否按下了对应的按钮
        buttonPressed = true;
        break; // 如果按下了按钮，跳出循环
      }
    }

    digitalWrite(LEDS[led], LOW); // 熄灭LED

    if (buttonPressed) {
      score++; // 如果按下了按钮，增加得分
      Serial.println("得分 +1");
    }
    delay(200); // 等待一段时间再继续下一轮
  } else if (gameStarted) {
    // 如果游戏时间超过一分钟或玩家没有在时间内按下按钮，游戏结束
    gameStarted = false;
    Serial.print("游戏结束! 你的得分: ");
    Serial.println(score); // 通过串口输出得分
    delay(3000); // 等待3秒后可以重新开始游戏
  }
}
复制代码

上传代码后，打开串口监视器，同时按下三个按键开始游戏，串口监视器上出现游戏开始字样。一旦游戏开始，系统将随机点亮一个LED灯，并给玩家一秒钟的时间来按下对应的按钮，便可获得1分。当游戏时间到达1分钟时，串口监视器出现游戏结束并告知你的游戏得分。
代码回顾
变量声明部分不做过多解释了，这个部分用于定义LED和按钮的引脚数组，以及用于跟踪得分、游戏状态和游戏时间的变量。

const int LEDS[] = {3, 5, 7};
const int BUTTONS[] = {2, 4, 6};

int score = 0; 
bool gameStarted = false; 
unsigned long gameStartTime; 
const unsigned long gameDuration = 60000;
复制代码

gameDuration是一个非负长整型的常数，用于定义游戏的持续时间。在这里，它被设置为60000毫秒，即1分钟，以确保游戏持续一分钟。

在setup()函数中，初始化串口通信，并使用一个for循环设置LED和按钮的引脚模式。

在loop()函数中，流程如下：

// 游戏开始前的检查  
  if (!gameStarted && digitalRead(BUTTONS[0]) == LOW && digitalRead(BUTTONS[1]) == LOW && digitalRead(BUTTONS[2]) == LOW
) {  
// 游戏初始化
gameStarted = true;
  }  
  
// 游戏被激活后  
  if (gameStarted && millis() - gameStartTime < gameDuration) {  
    // 游戏进行中
  } else if (gameStarted) {  
    // 游戏结束
  }
// 返回游戏开始前的检查
复制代码

如果用流程图，表示如下：

第一个部分是游戏开始前的检查。

用来判断游戏是否被激活，激活指的是从游戏的非激活状态（即未开始也未在进行中）转换到准备开始的状态。

if (!gameStarted && digitalRead(BUTTONS[0]) == LOW && digitalRead(BUTTONS[1]) == LOW && digitalRead(BUTTONS[2]) == LOW) 
复制代码

所以在第一个判断中，既要判断三个按键是否被同时按下，又要判断当时游戏是否处于未激活状态。

游戏被激活后进行游戏的初始化:

Serial.println("游戏开始");
    gameStarted = true;
    score = 0; // 重置得分
    gameStartTime = millis(); // 记录游戏开始的时间
    delay(1000); // 等待一秒后开始游戏
复制代码

通过串口输出“游戏开始”，将gameStarted设置为true以标记游戏已经开始，重置得分score为0，记录游戏开始的时间gameStartTime为当前毫秒数（使用millis()函数获取），然后暂停1秒以给用户一个视觉或心理上的准备时间。

第二部分是游戏激活后的逻辑结构。

if(gameStarted && millis() - gameStartTime < gameDuration) {  
    // 游戏进行中
  } else if (gameStarted) {  
    // 游戏结束  
  }
复制代码

当游戏已经开始且游戏时间未超过设定的持续时间gameDuration时，执行游戏进行中的逻辑。如果游戏已经开始但游戏时间超过了设定的持续时间gameDuration，执行游戏结束的逻辑。接下来是对于游戏进行中的逻辑和游戏结束的逻辑的详解。

游戏进行中：

一旦游戏开始，系统将随机点亮一个LED灯，并给玩家一秒钟的时间来按下对应的按钮。

int led = random(0, 3); // 随机选择一个LED
digitalWrite(LEDS[led], HIGH); // 点亮这个LED
long startTime = millis();
bool buttonPressed = false;  // 初始化按钮状态（未被按下）
复制代码

同时记录下点亮LED的时间startTime，并且把buttonpressed的状态设为fasle（初始化），之后进入一个while循环，等待玩家在1秒内按下对应的按钮。

while (millis() - startTime < 1000) {
      if (digitalRead(BUTTONS[led]) == LOW) { 
// 检查是否按下了对应的按钮
        buttonPressed = true;
        break; // 如果按下了按钮，跳出循环
      }
复制代码

如果玩家在1秒内按下了对应的按钮（通过检查BUTTONS[led]是否被按下），则标记buttonPressed为true并跳出循环。

while循环结束后，无论是否按下了按钮，都会熄灭LED。

if (buttonPressed) {
      score++; // 如果按下了按钮，增加得分
      Serial.println("得分 +1");
    }
    delay(200); 
复制代码

如果buttonPressed为true，则增加得分并输出得分增加的消息。

最后，使用delay(200)等待200毫秒后继续下一轮游戏。

游戏结束：

else if (gameStarted) {
    // 如果游戏时间超过一分钟，游戏结束
    gameStarted = false;
    Serial.print("游戏结束! 你的得分: ");
    Serial.println(score); // 通过串口输出得分
    delay(3000); // 等待3秒后可以重新开始游戏
  }
复制代码

否则如果游戏已经开始但游戏时间超过了设定的持续时间gameDuration，则执行游戏结束的逻辑。

将gameStarted设置为false以标记游戏结束，通过串口输出游戏结束的消息和玩家的最终得分，然后暂停3秒，给用户一个重新开始游戏前的缓冲时间。

硬件回顾

上拉电阻

通常，如果没有输入，将输入引脚引导至已知状态非常有用。这可以通过在输入端添加一个上拉电阻（至+5V）或一个下拉电阻（接地电阻）来实现。这个项目中使用的按键，由于没有内置上拉电阻，则需要在代码中设置引脚为INPUT_PULLUP或使用外部电阻。

Arduino的ATmega 芯片内置了 20K 上拉电阻器，可通过软件访问。这些内置上拉电阻可通过将 pinMode() 设置为 INPUT_PULLUP 来访问。这有效地反转了 INPUT 模式的行为，其中 HIGH 表示传感器关闭，LOW 表示传感器打开。

课后练习
尝试用现有的硬件，做一个颜色记忆游戏，实现一个简化版的记忆翻牌游戏，使用两个LED（代表两张牌）和一个按钮。游戏开始时，两个LED随机亮起（模拟翻牌），然后熄灭。玩家需要记住这两个LED的亮起状态，并通过按钮输入来“翻牌”（实际上是重新点亮LED），尝试匹配之前的亮起状态。根据结果配合串口输出“恭喜，你赢了！”；否则，输出“很遗憾，你输了！”。还有更多的玩法等待着你发现。

示例代码