Snake Game on 8x8 LED Matrix

Autor: STAMATIE Mihai-Robert, 333CA

Proiectul reprezinta o implementare hardware a jocului clasic Snake pe o matrice de LED-uri 8×8, avand ca microcontroller o placa Arduino Leonardo (ATmega32U4 @ 16 MHz). Jucatorul controleaza sarpele cu ajutorul unui joystick analogic, iar butonul integrat al joystick-ului (SW — apasarea in jos a manetei) permite resetarea jocului in orice moment.

Firmware-ul este scris in C bare-metal (avr-libc + avr-gcc), fara framework-ul Arduino, cu acces direct la registrele microcontrollerului — abordare care permite control fin asupra timpilor si folosirea eficienta a resurselor disponibile pe ATmega32U4.

Logica jocului implementeaza:

• generarea aleatorie a pozitiei hranei pe matrice (LFSR pe 16 biti, seed-uit din zgomotul ADC);
• cresterea progresiva a sarpelui la fiecare hrana consumata;
• detectia coliziunilor cu propriul corp;
• wrap-around la marginile matricei (sarpele “iese” pe o margine si apare pe partea opusa);
• cresterea progresiva a vitezei pe masura ce scorul avanseaza;
• afisarea scorului direct pe matricea de LED-uri la finalul partidei (font 3×5 pixeli);
• salvarea high-score-ului in EEPROM, persistent intre resetari;
• animatii pentru boot, death si high-score nou.

Motivatia: mi-am dorit un proiect care sa combine partea de I/O analogic (joystick, citire ADC) cu o componenta de afisare controlata printr-un protocol serial (SPI software, prin MAX7219) si cu stocare persistenta (EEPROM), pentru a acoperi cat mai multe notiuni din curs intr-un singur proiect. In plus, Snake este un joc cu logica simpla dar captivanta, iar provocarea de a-l face sa ruleze pe doar 64 de pixeli este parte din distractie.

Sistemul este compus din trei parti functionale principale:

• Input: joystick-ul analogic furnizeaza doua semnale analogice (axele X si Y) citite de ADC-ul pe 10 biti al microcontrollerului, plus un semnal digital (SW) folosit pentru reset, conectat la PD1 cu pull-up intern.
• Procesare: placa Arduino Leonardo (ATmega32U4 @ 16 MHz) ruleaza logica jocului — citeste input-ul, actualizeaza pozitia sarpelui in memorie, genereaza aleator coordonatele hranei, detecteaza coliziuni, calculeaza scorul si gestioneaza stocarea high-score-ului in EEPROM.
• Output: matricea de LED-uri 8×8, controlata prin driver-ul MAX7219 via SPI software (bit-banging), afiseaza in timp real starea jocului: pozitia sarpelui, hrana (cu efect de blink), scorul final si animatiile de stare.

Alimentarea se face de la portul micro-USB al PC-ului (5V), care serveste simultan si ca interfata de programare prin USB-ul nativ al ATmega32U4.

snake_game_2026pm-project.png

Schema de mai sus prezinta cablajul complet realizat pe breadboard: joystick-ul analogic conectat la pinii A0 (VRX), A1 (VRY) si D2 (SW pentru restart), iar matricea LED 8×8 cu driver MAX7219 conectata la pinii D11 (DIN), D10 (CS), D13 (CLK). Alimentarea de 5V este distribuita prin rail-urile breadboard-ului direct de la pinii Arduino.

• Toolchain: avr-gcc + avr-libc + avr-objcopy
• Flashing: avrdude (protocol avr109 pentru Leonardo, baud 57600)
• Build system: Makefile clasic (vezi sectiunea Download)
• Limbaj: C pur (C99), fara framework Arduino — acces direct la registrele MCU

Codul este organizat modular in mai multe grupuri de functii, toate in main.c:

• Driver MAX7219 (SPI software): spi_init(), spi_tx(), mx_wr(), mx_init() — toggle direct pe PORTB / PORTC pentru DIN, CS, CLK.
• Framebuffer: fb_clr(), fb_dot(), fb_push() — un array uint8_t fb[8] tine starea matricei (un byte per linie, fiecare bit = un LED). Push pe matrice se face cu mx_wr(r+1, fb[r]).
• Driver ADC: adc_init(), adc_rd(ch) — citire pe canalele ADC6 / ADC7 (A1 / A0), prescaler 128.
• Driver buton: btn_init(), btn_rst() — pull-up intern pe PD1, debounce software 30 ms.
• EEPROM: ee_load(), ee_save() — high-score-ul e salvat la adresa 0x00, cu un byte “guard” (0xD4) la adresa 0x01 pentru a detecta EEPROM neinitializat la primul boot.
• Logica joc: read_joy() (citeste joystick + previne intoarcerea pe directia opusa), game_step() (actualizeaza pozitia cu wrap-around la margini, detecteaza coliziuni, mananca hrana), place_apple() (random pana se gaseste o celula libera), cur_steps() (calculeaza viteza curenta in functie de scor).
• Rendering: draw() (deseneaza sarpe + hrana blinking), show_score() (afiseaza scorul cu font 3×5), anim_boot() / anim_dead() (animatii).

• Reprezentarea sarpelui: array de coordonate Pt snake[MAXLEN], unde MAXLEN = 64. Capul e snake[0]. La fiecare pas, toate elementele sunt shift-uite cu o pozitie si capul nou e scris la index 0.
• Detectia coliziunilor: se parcurge snake[] si se verifica daca noul cap se suprapune cu vreun segment existent.
• Random (LFSR): generator pseudo-aleator pe 16 biti cu polinom 0xB400, seed-uit la boot din zgomotul ADC al ambelor axe — nu necesita hardware suplimentar.
• Anti-reverse: input-ul de la joystick e filtrat pentru a nu permite intoarcerea direct pe directia opusa (ar duce la coliziune instant).
• Viteza adaptiva: cur_steps() returneaza numarul de tick-uri (de 20 ms fiecare) intre deplasari — scade liniar cu scorul, de la 14 (start) la 4 (rapid).
• Font scor: DIG[10][5] — fiecare cifra ocupa 3×5 pixeli, codificata ca 5 byti (low 3 biti activi per linie).

Proiectul a fost finalizat cu succes — jocul Snake este complet functional pe placa Arduino Leonardo, ruleaza fluid pe matricea LED 8×8 si raspunde rapid la input-ul de la joystick. Implementarea in C bare-metal s-a dovedit a fi o alegere potrivita pentru acest tip de proiect, oferind control direct asupra timpilor de executie si o intelegere mai profunda a modului de functionare a microcontrollerului ATmega32U4 la nivel de registre.

• Driver-ul SPI software pentru MAX7219 s-a dovedit suficient de rapid si stabil pentru rate-ul de refresh dorit, fara a fi necesar SPI hardware (care oricum nu este disponibil pe pinii D11/D12/D13 pe Leonardo).
• Generatorul LFSR pe 16 biti, seed-uit din zgomotul ADC al ambelor axe la pornire, ofera o distributie rezonabila a pozitiilor hranei fara a necesita hardware suplimentar (timer extern, RTC).
• Salvarea high-score-ului in EEPROM cu un byte de guard (0xD4) previne afisarea de valori reziduale la primul boot dupa flashing.
• Wrap-around-ul la marginile matricei face jocul mai accesibil decat varianta clasica cu coliziuni la pereti, fiind o decizie de design care creste durata medie a partidelor.
• Folosirea butonului SW integrat in joystick (in loc de un buton extern separat) reduce numarul de componente si simplifica cablajul.

• Maparea pinilor pe ATmega32U4 difera semnificativ de ATmega328P (Arduino UNO) — in special faptul ca SPI hardware nu este pe pinii digitali standard, ci doar pe header-ul ICSP. Solutia adoptata (SPI software) este insa mai flexibila si independenta de placa folosita.
• Calibrarea zonelor moarte ale joystick-ului (JOY_LO = 300, JOY_HI = 700) a necesitat experimentare — prea mica genereaza schimbari de directie false, prea mare face controlul lent si imprecis.
• Vitezele de joc (STEPS_SLOW = 14, STEPS_FAST = 4) au necesitat ajustare pentru un gameplay placut: prea rapid in faza incipienta, jocul devine frustrant; prea lent, devine plictisitor.

• Adaugarea unui buzzer pasiv pentru efecte sonore (PWM via timer hardware) la consumarea hranei si la game over.
• Implementarea unui meniu de selectie a dificultatii initiale (slow / normal / hard).
• Optimizarea consumului prin utilizarea modurilor sleep ale MCU intre tick-uri.
• Portare pe alta placa AVR (Mega, Uno, Nano) cu modificari minime la nivel de pini.

Arhiva contine varianta finala a proiectului, gata de compilat si rulat pe Arduino Leonardo. Include sursele complete (main.c), Makefile pentru build si flash, plus un fisier README cu instructiuni de utilizare.

• snake_game.zip — varianta finala a proiectului

Pentru a rula proiectul:

1. Conectati placa Arduino Leonardo prin micro-USB
2. Dezarhivati snake_game.zip
3. In folder-ul dezarhivat, rulati make pentru a compila
4. Rulati make flash (sau scriptul flash.ps1 pe Windows) pentru a incarca firmware-ul

• Datasheet ATmega32U4
• Datasheet MAX7219
• Documentatie Arduino Leonardo

• AVR Libc Reference Manual
• avrdude (flashing tool)

Export to PDF