Урок 30. Проект: игра «Повтори за мной»

Полвека назад по миру разошлась игрушка «Саймон»: четыре цветные кнопки, которые загораются в случайном порядке, а игрок повторяет последовательность, пока хватает памяти. Сегодня соберём свою версию — «Повтори за мной». Плата впервые побудет не исполнителем, а ведущим: сама придумает задание, сама покажет его и сама рассудит, справились вы или нет.

В брошюре набора эта игра тоже есть — глава 17, там она собрана на трёх светодиодах. Нам светодиоды ставить некуда, да и незачем: на макетке уже стоит экран, он и «подсветит» кнопки, и заодно покажет уровень и рекорд. Из нового железа — только зуммер из урока 19.

Что построим

Правила простые:

• у каждой кнопки — своя нота и своё место на экране: левая, середина, правая;
• плата проигрывает мелодию, а экран подсказывает глазами: на каком месте цифра — ту кнопку и жать;
• повторили без ошибок — мелодия становится на один шаг длиннее и чуть быстрее;
• ошиблись — грустный звук, счёт и рекорд на экране, новая мелодия и снова первый уровень;
• дожали до шестнадцатого уровня — победные фанфары.

Как плата запоминает мелодию

Это главный секрет программы. Кажется, что игра «добавляет ноту» на каждом уровне, но на самом деле вся мелодия из шестнадцати шагов придумана заранее и записана в массив — как секретный код в сейфе из урока 29. Уровень — это просто число: сколько первых клеток массива играем и спрашиваем.

Кто на каком выводе

Сейф из урока 29 не разбираем — из него уйдёт только сервопривод: выньте три его провода, засов игре не нужен. Кнопки остаются на выводах 7, 8 и 10, экран — на своих шести. Зуммер садится на вывод 6 — если вы делали задание со звёздочкой в уроке 29, у вас всё уже стоит.

Собираем схему

1. Отключите сервопривод: выньте его оранжевый, красный и коричневый провода. Больше ничего из урока 29 не трогайте.
2. Вставьте зуммер между кнопкой 1 и проводами экрана: ножка со знаком «+» на крышке — в столбик 13 ряда a, вторая — в столбик 10. Корпус повиснет над шинами — их отверстия под ним просто не используем.
3. Сигнальный провод: из столбика 13 (любое свободное отверстие рядов b–e) на вывод 6 платы.
4. Минус: из столбика 10 на верхнюю шину «−» — по дорожке налево, в самое первое отверстие шины у левого края макетки.

Шаг 1. Каждой кнопке — голос и место

Начинаем, как всегда, с проверки железа. Соберём мини-пианино из трёх клавиш: нажатие играет ноту и показывает цифру на «своём» краю экрана:

// Урок 30. Шаг 1: у каждой кнопки — свой голос и своё место на экране.

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

const int BUTTONS[3] = {7, 8, 10};
const int NOTES[3] = {523, 659, 784};   // до, ми и соль второй октавы
const int BUZZER_PIN = 6;
// Где на экране живёт каждая кнопка: левая, середина, правая.
const int SPOTS[3] = {2, 7, 12};

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    pinMode(BUTTONS[i], INPUT_PULLUP);
  }
  lcd.print("Tri knopki -");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("tri noty");
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    if (digitalRead(BUTTONS[i]) == LOW) {
      playKey(i + 1);
    }
  }
}

// Сыграть кнопку: цифра на своём месте экрана плюс её нота.
void playKey(int number) {
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(SPOTS[number - 1], 0);
  lcd.print(number);
  tone(BUZZER_PIN, NOTES[number - 1], 300);
  delay(360);   // нота 300 мс и короткая тишина после неё
  lcd.clear();
}

• частоты 523, 659 и 784 — это до, ми и соль из таблицы нот урока 19: три ноты, которые звучат дружно в любом порядке;
• массив с позициями решает, где рисовать цифру: кнопка 1 — слева, 2 — в середине, 3 — справа. Экран повторяет географию кнопок на макетке;
• нота длится 300 миллисекунд, и после неё выдержана короткая тишина — правило из урока 19, чтобы звуки не слипались.

Прошейте и понажимайте: каждая кнопка должна отвечать своей нотой, а цифра — появляться на своей стороне. Если что-то молчит — раздел «Не работает?» ниже.

Шаг 2. Плата придумывает мелодию

Теперь пусть ведущий сочинит задание. Заводим массив на шестнадцать шагов и заполняем его случайными номерами кнопок:

// Урок 30. Шаг 2: плата придумывает мелодию и показывает её.

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

const int BUTTONS[3] = {7, 8, 10};
const int NOTES[3] = {523, 659, 784};
const int BUZZER_PIN = 6;
const int SPOTS[3] = {2, 7, 12};

const int SEQ_MAX = 16;   // длиннее мелодия не вырастет
int seq[SEQ_MAX];         // сама мелодия: номера кнопок по порядку

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);
  // Уберите эту строку — и после каждого включения мелодия
  // будет одна и та же. Случайность надо «завести» шумом.
  randomSeed(analogRead(A0));
  for (int i = 0; i < SEQ_MAX; i++) {
    seq[i] = random(1, 4);   // случайное 1, 2 или 3
  }
}

void loop() {
  lcd.clear();
  lcd.print("Smotri:");
  delay(800);
  for (int i = 0; i < 5; i++) {   // пока показываем первые пять шагов
    playKey(seq[i]);
  }
  delay(2000);                    // передышка — и снова с начала
}

void playKey(int number) {
  lcd.setCursor(SPOTS[number - 1], 1);
  lcd.print(number);
  tone(BUZZER_PIN, NOTES[number - 1], 300);
  delay(360);
  lcd.setCursor(SPOTS[number - 1], 1);
  lcd.print(" ");   // стереть цифру, чтобы шаги не сливались
}

• random(1, 4) выдаёт 1, 2 или 3 — правая граница, как всегда у random, не входит;
• цифры показа рисуются во второй строке и стираются после каждой ноты — иначе два одинаковых шага подряд слились бы в один;
• пока программа просто крутит первые пять шагов по кругу — послушайте, как звучит её «почерк».

Ради опыта закомментируйте строку с randomSeed двумя косыми чертами, прошейте и перезапустите плату несколько раз кнопкой RESET: мелодия будет одна и та же. Верните строку — теперь каждый запуск звучит по-новому.

Шаг 3. Повтори и проверь — сразу

Подключаем игрока. Плата показывает четыре шага, потом ждёт четыре нажатия. И вот отличие от сейфа из урока 29: там мы копили весь код и сравнивали в конце, а здесь каждое нажатие проверяется немедленно — зачем слушать дальше, если игрок уже ошибся?

// Урок 30. Шаг 3: четыре шага — и проверка каждого нажатия сразу.

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

const int BUTTONS[3] = {7, 8, 10};
const int NOTES[3] = {523, 659, 784};
const int BUZZER_PIN = 6;
const int SPOTS[3] = {2, 7, 12};

const int SEQ_MAX = 16;
int seq[SEQ_MAX];

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    pinMode(BUTTONS[i], INPUT_PULLUP);
  }
  randomSeed(analogRead(A0));
  for (int i = 0; i < SEQ_MAX; i++) {
    seq[i] = random(1, 4);
  }
}

void loop() {
  // Показ задания.
  lcd.clear();
  lcd.print("Smotri:");
  delay(800);
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    playKey(seq[i]);
  }

  // Ответ игрока.
  lcd.clear();
  lcd.print("Tvoy hod!");
  bool allRight = true;
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    int pressed = waitKey();
    playKey(pressed);          // игра отзывается нотой на нажатие
    if (pressed != seq[i]) {   // сверяем сразу, не дожидаясь конца
      allRight = false;
      break;                   // дальше слушать незачем
    }
  }

  lcd.clear();
  if (allRight) {
    lcd.print("Verno!");
    tone(BUZZER_PIN, 659, 120);
    delay(150);
    tone(BUZZER_PIN, 784, 250);
  } else {
    lcd.print("Oshibka!");
    tone(BUZZER_PIN, 300, 250);
    delay(280);
    tone(BUZZER_PIN, 200, 500);
  }
  delay(2000);
}

// Стоять на месте, пока игрок не нажмёт кнопку. Вся работа — ждать,
// поэтому блокирующее ожидание здесь уместно, как в уроке 21.
int waitKey() {
  while (true) {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
      if (digitalRead(BUTTONS[i]) == LOW) {
        delay(30);                                    // дребезг нажатия
        while (digitalRead(BUTTONS[i]) == LOW) {}     // ждём отпускания
        delay(30);                                    // дребезг отпускания
        return i + 1;
      }
    }
  }
}

void playKey(int number) {
  lcd.setCursor(SPOTS[number - 1], 1);
  lcd.print(number);
  tone(BUZZER_PIN, NOTES[number - 1], 300);
  delay(360);
  lcd.setCursor(SPOTS[number - 1], 1);
  lcd.print(" ");
}

• новая функция ждёт нажатия и возвращает номер кнопки; внутри — вечный цикл, и это законно: пока игрок думает, у платы правда нет других дел (урок 21);
• после нажатия программа дожидается, пока кнопку отпустят, — иначе одно долгое нажатие засчиталось бы за несколько;
• на каждое нажатие игра отзывается нотой и цифрой — как настоящий «Саймон»;
• break обрывает проверку на первой же ошибке — приём из урока 29, только там он жил внутри функции-судьи.

Шаг 4. Настоящая игра: уровни, темп, рекорд

Осталось превратить упражнение в игру. Уровень — это сколько шагов мелодии играем; после каждого успеха он растёт на один. А чтобы было веселее, с ростом уровня ноты становятся короче — игра ускоряется:

// Урок 30. Шаг 4: настоящая игра — мелодия растёт, темп ускоряется.

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

const int BUTTONS[3] = {7, 8, 10};
const int NOTES[3] = {523, 659, 784};
const int BUZZER_PIN = 6;
const int SPOTS[3] = {2, 7, 12};

const int SEQ_MAX = 16;   // столько уровней до полной победы
int seq[SEQ_MAX];
int level = 1;            // сколько шагов играем сейчас
int record = 0;           // лучший уровень с момента включения

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    pinMode(BUTTONS[i], INPUT_PULLUP);
  }
  randomSeed(analogRead(A0));
  newMelody();
}

void loop() {
  // Показ: первые level шагов мелодии.
  lcd.clear();
  lcd.print("Uroven ");
  lcd.print(level);
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Smotri...");
  delay(900);
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("         ");
  for (int i = 0; i < level; i++) {
    playKey(seq[i]);
  }

  // Ответ: столько же нажатий, проверка на лету.
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("Tvoy hod!    ");
  for (int i = 0; i < level; i++) {
    int pressed = waitKey();
    playKey(pressed);
    if (pressed != seq[i]) {
      gameOver();
      return;   // начать loop заново — уже с первого уровня
    }
  }

  // Уровень пройден.
  if (level == SEQ_MAX) {
    lcd.clear();
    lcd.print("POBEDA!");
    for (int f = 400; f <= 1200; f = f + 200) {   // фанфары вверх
      tone(BUZZER_PIN, f, 120);
      delay(140);
    }
    delay(2000);
    if (level > record) {
      record = level;
    }
    level = 1;
    newMelody();
  } else {
    level = level + 1;
    delay(600);
  }
}

void gameOver() {
  tone(BUZZER_PIN, 300, 250);
  delay(280);
  tone(BUZZER_PIN, 200, 500);
  if (level > record) {
    record = level;   // запомнили, докуда добрались
  }
  lcd.clear();
  lcd.print("Oshibka na ");
  lcd.print(level);
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Rekord: ");
  lcd.print(record);
  delay(3000);
  level = 1;
  newMelody();   // новая мелодия: прежнюю подсмотреть не выйдет
}

void newMelody() {
  for (int i = 0; i < SEQ_MAX; i++) {
    seq[i] = random(1, 4);
  }
}

// Чем выше уровень, тем короче ноты — игра ускоряется.
int noteTime() {
  int len = 320 - level * 12;
  if (len < 140) {
    len = 140;
  }
  return len;
}

int waitKey() {
  while (true) {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
      if (digitalRead(BUTTONS[i]) == LOW) {
        delay(30);
        while (digitalRead(BUTTONS[i]) == LOW) {}
        delay(30);
        return i + 1;
      }
    }
  }
}

void playKey(int number) {
  lcd.setCursor(SPOTS[number - 1], 1);
  lcd.print(number);
  tone(BUZZER_PIN, NOTES[number - 1], noteTime());
  delay(noteTime() + noteTime() / 5);
  lcd.setCursor(SPOTS[number - 1], 1);
  lcd.print(" ");
}

Что здесь важного:

• показ и опрос используют одну и ту же переменную-уровень — сколько показали, столько и спросили;
• длину ноты считает отдельная функция: триста двадцать миллисекунд минус двенадцать за каждый уровень, но не короче ста сорока — на высоких уровнях игра заметно злеет;
• после проигрыша мелодия придумывается заново — иначе можно было бы выучить старую по кусочку за попытку;
• рекорд живёт до выключения питания, как в игре на реакцию из урока 21.

Прошейте и сыграйте всей семьёй. Уровень седьмой-восьмой — уже серьёзный результат: у обычного человека в «оперативной памяти» помещается около семи вещей.

Не работает? Разбираемся

• Нет звука. Проверьте зуммер: «+» должен смотреть к столбику 13, сигнал — уходить со столбика 13 на вывод 6, минус — со столбика 10 в шину «−». Перепутанные столбики — самая частая причина тишины.
• Мелодия после каждого включения одна и та же. Потерялась строка с randomSeed — верните её в начало программы.
• Одно нажатие засчитывается за два. Дребезг сильнее обычного: увеличьте обе паузы в функции ожидания с 30 до 50–80 миллисекунд.
• Экран пустой или квадраты. Контраст: медленно покрутите потенциометр, как в уроке 26.
• Цифры появляются не там, где нажимаете. Кнопки перепутаны местами: левая должна сидеть на выводе 7, средняя на 8, правая на 10.
• Игра «нажимает» кнопки сама. Какая-то кнопка повёрнута на 90 градусов и замкнута всегда — пересадите её ножками вверх-вниз, как в уроке 10.
• Звук есть, но хриплый и тихий. Зуммер сел ножками не до конца — прижмите его, чтобы ножки ушли в отверстия полностью.

Задания для самостоятельной работы

• Задание 1. Поменяйте голоса: возьмите частоты нот из другой октавы — таблица была в уроке 19. Игра сразу зазвучит иначе.
• Задание 2. Настройте сложность под игрока: для младших сделайте победу на восьмом уровне, для чемпионов — на двадцатом. Меняется одна константа.
• Задание со звёздочкой ⭐. Сейчас плата ждёт нажатия вечно — можно уйти пить чай и вернуться. Сделайте по-турнирному: на каждое нажатие даётся пять секунд, не успели — проигрыш с надписью «Ne uspel!». Пригодятся часы millis из урока 11.

// Урок 30. Разбор задания: думать можно не дольше пяти секунд.

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

const int BUTTONS[3] = {7, 8, 10};
const int NOTES[3] = {523, 659, 784};
const int BUZZER_PIN = 6;
const int SPOTS[3] = {2, 7, 12};

const int SEQ_MAX = 16;
const unsigned long ANSWER_LIMIT = 5000;   // пять секунд на одно нажатие
int seq[SEQ_MAX];
int level = 1;
int record = 0;

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    pinMode(BUTTONS[i], INPUT_PULLUP);
  }
  randomSeed(analogRead(A0));
  newMelody();
}

void loop() {
  lcd.clear();
  lcd.print("Uroven ");
  lcd.print(level);
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Smotri...");
  delay(900);
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("         ");
  for (int i = 0; i < level; i++) {
    playKey(seq[i]);
  }

  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("Tvoy hod!    ");
  for (int i = 0; i < level; i++) {
    int pressed = waitKey();
    if (pressed == 0) {          // ноль — значит, время вышло
      lcd.clear();
      lcd.print("Ne uspel!");
      delay(1200);
      gameOver();
      return;
    }
    playKey(pressed);
    if (pressed != seq[i]) {
      gameOver();
      return;
    }
  }

  if (level == SEQ_MAX) {
    lcd.clear();
    lcd.print("POBEDA!");
    for (int f = 400; f <= 1200; f = f + 200) {
      tone(BUZZER_PIN, f, 120);
      delay(140);
    }
    delay(2000);
    if (level > record) {
      record = level;
    }
    level = 1;
    newMelody();
  } else {
    level = level + 1;
    delay(600);
  }
}

// Ждём нажатия, но не вечно: часы millis отсчитывают лимит.
int waitKey() {
  unsigned long start = millis();
  while (millis() - start < ANSWER_LIMIT) {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
      if (digitalRead(BUTTONS[i]) == LOW) {
        delay(30);
        while (digitalRead(BUTTONS[i]) == LOW) {}
        delay(30);
        return i + 1;
      }
    }
  }
  return 0;   // особое значение: «никто не нажал»
}

void gameOver() {
  tone(BUZZER_PIN, 300, 250);
  delay(280);
  tone(BUZZER_PIN, 200, 500);
  if (level > record) {
    record = level;
  }
  lcd.clear();
  lcd.print("Oshibka na ");
  lcd.print(level);
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Rekord: ");
  lcd.print(record);
  delay(3000);
  level = 1;
  newMelody();
}

void newMelody() {
  for (int i = 0; i < SEQ_MAX; i++) {
    seq[i] = random(1, 4);
  }
}

int noteTime() {
  int len = 320 - level * 12;
  if (len < 140) {
    len = 140;
  }
  return len;
}

void playKey(int number) {
  lcd.setCursor(SPOTS[number - 1], 1);
  lcd.print(number);
  tone(BUZZER_PIN, NOTES[number - 1], noteTime());
  delay(noteTime() + noteTime() / 5);
  lcd.setCursor(SPOTS[number - 1], 1);
  lcd.print(" ");
}

Что мы узнали

• плата может быть ведущим: сама придумывает задание и сама судит ответ;
• случайные числа не случайны — генератор надо заводить шумом свободного входа;
• растущая сложность — это не новые данные, а число «сколько шагов открыто»;
• проверять ответ можно на лету, не дожидаясь конца, — в отличие от сейфа;
• ожидание с лимитом времени строится на millis и «особом» возвращаемом значении;
• один и тот же набор деталей — сейф вчера, игра сегодня: разницу делает программа.

Остался последний урок курса. В нём не будет готовой схемы и готовой программы — вы сами придумаете устройство и пройдёте весь путь: от идеи на бумажке до работающего прибора. Все инструменты для этого у вас уже есть.

Частые вопросы

← Все уроки курса