一、项目介绍

本项目基于RP2040游戏机平台，设计并实现了一款重力感应迷宫滚珠游戏系统。该系统通过IMU姿态传感器实时采集设备的倾斜角度，并将俯仰和横滚数据转换为小球在迷宫中的移动方向，实现基于物理姿态控制的游戏交互方式。用户通过倾斜设备控制小球在迷宫中移动，避开障碍并最终到达目标位置完成关卡。

本项目结合嵌入式系统开发与游戏设计思想，融合传感器数据处理、图形界面显示和实时控制等技术，构建了一个具有趣味性与挑战性的嵌入式应用系统。同时，系统设计了完整的游戏流程，包括启动界面、加载动画、游戏过程以及胜利提示界面，使整体体验更加完整。

图1 系统游戏运行界面

如图1所示，系统在LCD屏幕上实时显示迷宫地图与小球位置。玩家通过倾斜设备控制小球移动，避开墙壁并向目标位置前进，实现重力感应控制效果。

二、使用到的硬件介绍

本项目主要使用以下硬件组成系统：

1. RP2040开发板（带LCD显示屏） 

作为系统核心控制单元，负责程序运行、数据处理以及图形界面显示。

2. IMU姿态传感器 

用于实时获取设备的倾斜角度（俯仰角与横滚角），实现重力感应控制。

3. LCD显示屏 

用于显示迷宫地图、小球位置、计时信息以及游戏界面。

4. 蜂鸣器（Buzzer） 

用于在小球碰撞墙壁或完成关卡时提供声音反馈。

5. 按键模块 

用于实现游戏的开始、暂停、重新开始以及关卡切换等操作。

图2 系统硬件实物图

如图2所示，本系统基于RP2040游戏开发板，集成LCD显示屏、按键、摇杆以及IMU传感器模块，实现游戏控制与显示功能。

三、方案框图和项目设计思路介绍

本系统整体结构可分为输入模块、处理模块和输出模块三个部分：

输入模块：IMU传感器与按键输入 

处理模块：RP2040主控芯片 

输出模块：LCD显示与蜂鸣器提示 

图3 系统结构框图

如图3所示，本系统由IMU姿态传感器模块与按键模块作为输入，经RP2040主控模块进行数据处理后，通过LCD显示模块与蜂鸣器模块输出，实现完整的嵌入式游戏系统功能。

系统工作流程如下： 

首先进行系统初始化，包括屏幕初始化、传感器初始化以及变量设置；随后进入启动界面（Start），通过按键进入加载界面（Loading）；加载完成后进入游戏主循环。在主循环中，系统持续读取IMU传感器数据，并根据倾斜角度计算小球的移动方向与速度，同时进行碰撞检测与边界判断；最终将结果实时显示在LCD屏幕上。

设计重点在于将IMU数据映射为二维平面运动控制，同时保证小球移动的稳定性与灵敏度。此外，通过多关卡设计提升游戏的可玩性，并通过界面设计增强用户体验。

四、软件流程图和关键代码介绍

图4 软件流程图

如图4所示，系统通过循环读取IMU数据并更新游戏状态，实现实时控制与界面刷新，当检测到通关条件后进入胜利界面。

本项目软件部分采用MicroPython进行开发，主要包括以下模块：

1. 主程序循环 

通过循环结构不断执行数据采集、状态更新与界面刷新，实现实时控制。

2. IMU数据处理 

通过读取IMU传感器数据，获取设备倾斜角度，并进行简单滤波处理，减少抖动影响。

3. 小球运动控制 

根据倾斜角度计算速度分量，实现小球在水平与垂直方向的移动。

4. 碰撞检测 

通过判断小球位置与迷宫墙壁的关系，实现碰撞反馈，防止穿墙。

5. 界面显示 

包括文字显示函数、居中显示函数以及图形绘制函数，实现游戏界面的动态更新。

关键代码逻辑如下（示意）：

imu.read()
ax = imu.ax
ay = imu.ay

# 根据倾斜控制小球移动
if ax > 0.2:
    ball_x += 1
elif ax < -0.2:
    ball_x -= 1

if ay > 0.2:
    ball_y += 1
elif ay < -0.2:
    ball_y -= 1

# 碰撞检测
if maze[ball_y][ball_x] == 1:
    ball_x = prev_x
    ball_y = prev_y

# 更新显示
draw_ball(ball_x, ball_y)
lcd.show()

五、功能展示图及说明

本系统实现了完整的游戏功能，包括：

1. 启动界面（Start） 

系统启动后显示开始界面，提示用户进入游戏。

图5 游戏开始界面

如图3所示，系统启动后显示开始界面，提示用户按键进入游戏。该界面设计简洁明了，提升用户操作体验。

2. 加载动画（Loading） 

通过进度条形式展示加载过程，提高交互体验。

图6 系统加载界面

如图4所示，系统在进入游戏前显示加载界面，通过进度条展示初始化过程，使用户体验更加流畅。

3. 游戏运行与结果界面

显示迷宫地图、小球位置以及游戏运行状态。

图7 游戏胜利界面

如图5所示，当玩家成功完成迷宫挑战后，系统显示胜利界面，并记录当前得分。该功能增强了游戏的反馈效果与成就感。

4. 多关卡设计 

系统包含至少三关迷宫，难度逐渐增加。

5. 计时与计分功能 

根据完成时间与碰撞次数进行评分，并实时显示。

6. 声音提示 

在碰撞或通关时通过蜂鸣器发出提示音。

7. 胜利界面（Winner） 

完成所有关卡后显示胜利提示，并增强视觉效果。

图8 游戏结束界面

如图8所示，当游戏结束时，系统显示结束界面提示当前状态，使玩家能够清晰了解游戏结果。

六、项目中遇到的难题和解决方法

1. IMU数据不稳定 

由于传感器存在噪声，导致小球抖动。通过简单滤波算法进行平滑处理，提高稳定性。

2. 小球移动控制不灵敏 

通过调整比例系数，使移动更加平滑且符合操作习惯。

3. 碰撞检测困难 

通过增加边界判断与位置限制，避免小球穿越墙壁。

4. 屏幕刷新闪烁 

优化绘制逻辑，减少重复刷新，提高显示效果。

5. 文本显示不居中 

编写居中显示函数，实现界面优化。

七、对本次活动的心得体会

通过本次项目的设计与实现，我加深了对RP2040嵌入式开发平台的理解，并掌握了IMU姿态传感器的数据采集与应用方法。在项目开发过程中，我不仅提升了编程能力，还增强了对系统整体设计与调试的认识。

此外，本项目让我认识到嵌入式系统开发不仅仅是功能实现，更包括用户体验设计、界面优化以及系统稳定性等多个方面。通过不断调试与优化，我逐步完善了系统功能，并成功实现了预期目标。未来可以在本项目基础上进一步拓展，例如增加更多关卡设计、优化物理运动模型以及提升图形界面效果，使系统更加完善与丰富。