自制 16×8 LED 矩阵俄罗斯方块游戏机：Arduino Nano + 74HC595 驱动
项目概述
本项目使用 Arduino Nano、两片 74HC595 串并转换芯片驱动自制 16 列 × 8 行 (128 个) 黄色 LED 矩阵，实现完整俄罗斯方块游戏。4 个按键控制左移、右移、下落、旋转，内置蜂鸣器按键音效，定时器中断刷新屏幕，行消除计分，Game Over 显示分数滚动动画。硬件采用纯手工焊接矩阵，展示移位寄存器行列扫描驱动原理，适合电子爱好者进阶练习。
所需组件与物料
- Arduino Nano R3 × 1
- 74HC595 移位寄存器 × 2 (串联扩展 16 列)
- 5mm 黄色 LED × 128 (建议同批次亮度一致)
- 12mm 轻触按键 × 4 (左、右、下、旋转)
- 滑动开关 × 1 (电源开关)
- 万用板/PCB、电阻、排针、杜邦线、焊接工具
硬件架构与驱动原理
列驱动：双 74HC595 级联
- Data (DS) → Arduino D4
- Clock (SH_CP) → Arduino D2
- Latch (ST_CP) → Arduino D3
- 第一片 Q0~Q7 驱动第 0~7 列，第二片 Q0~Q7 驱动第 8~15 列。
- 每列阳极接 LED 阳极，通过 74HC595 输出高电平点亮 (源电流)。
行驱动：Arduino 直接扫描
- 8 行阴极分别接 Arduino D5~D12 (共 8 个 GPIO)。
- 逐行扫描：拉低当前行 (低电平导通)，其余行高阻/高电平；向 74HC595 移入该列数据；锁存输出；延时 1ms；拉高当前行关闭。循环 8 行完成一帧。
- 刷新率 ~125Hz (8 行 × 1ms)，无闪烁。
按键接口
4 个按键分别接 A4~A7 模拟口作数字输入，内部上拉，按下接地读取低电平。代码中通过模拟读取 >500 判定按下 (兼容干扰)。
核心游戏逻辑
方块定义
10 种方块 (含 7 标准 + 3 变体) 以 5×7 布尔数组 `lib[10][5][7]` 存储，每种方块 4 个旋转态预计算。
关键函数
newBlock()：随机生成新方块 (类型 0~6)，初始位置列 3/4，旋转态 0。moveLeft/Right/Down()：边界检测 + 碰撞检测 (`space_left/right/below`)，通过数组平移实现。rotate()：复杂旋转逻辑，针对每种方块硬编码旋转态变换，含墙壁踢墙 (Wall Kick) 处理。check_gameover()：逐行检测满行消除，下落上方行，计分；顶行有方块触发 Game Over。gameover()：百叶窗关闭动画 → 显示分数 (两位数字复用 `lib` 字模) → 百叶窗打开动画 → 分数滚动循环。
定时器中断刷屏
Timer1 配置 2kHz 中断 (OCR1A=259, 1024 分频)，ISR 中调用 `LEDRefresh()` 执行逐行扫描。主循环仅处理按键、下落计时、游戏逻辑，显示与逻辑解耦。
代码亮点与技巧
- 软件修正引脚排序错误：作者焊接行引脚顺序为 12345670 (对应 D5~D12)，`LEDRefresh()` 中通过数组映射修正，避免重新焊接。
- 随机种子熵源：组合 4 路模拟口浮空读值乘积 + `random()` 多次迭代，增强随机性。
- 按键防抖与延时分级：旋转/左右 150ms/80ms，下落 30ms，手感优化。
- 无阻塞延时：主循环用 `millis()` 控制自动下落间隔 (`delay_` 随分数递减加速)。
制作难点与避坑指南
- 128 颗 LED 焊接：建议先做 8×8 小矩阵测试，再拼接。排针间距 2.54mm，LED 引脚需修整成型，耗时 4~6 小时。
- 74HC595 级联时序：先移入低 8 列数据 (后级)，再移入高 8 列数据 (前级)，最后锁存。
- 行扫描电流：单行 16 颗 LED 同时亮，每颗 5mA 共 80mA，超出 GPIO 40mA 上限，**必须**加 NPN 三极管 (如 2N2222) 或 ULN2803 达灵顿阵列驱动行阴极，原作者直接驱动有烧毁风险。
- 供电容量：全亮约 640mA，USB 500mA 不足，需外接 5V 2A 电源。
扩展建议
- 改用 WS2812B 单线驱动，省去移位寄存器与行扫描，支持彩色特效。
- 增加 MAX7219 驱动 8×8 模块级联，简化硬件。
- 加入下一块预览、暂存、幽灵块、T-Spin 判定等现代规则。
- 移植至 ESP32 增加 WiFi 对战、网络排行榜。
项目文件
- Arduino 代码：`Tetris_16x8.ino` (文末完整代码)
- 原理图：`schematic.png` (含 74HC595 级联、行驱动、按键接线)
制造工艺
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