专利名称：一种智能棋具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及信息处理技术领域，特别涉及信号检测、通信编码和单片机检测、控制、数据处理技术领域。
现有的棋类棋具，主要包括分割为若干格子的棋盘、用色别、形状或文字标记的若干棋子和竞赛时使用的计时器。在使用棋具时，由于没有由计算机(单片机)控制的、利用编码与信号检测技术实现的棋子名称识别、棋子位置识别、及对局记录存储功能，完全凭人眼的视觉判断棋子在棋盘中的位置变化及是否被“吃”出局，并用手持笔在纸上完成对局记录。所以，在正式竞赛时，裁判及有关工作人员必须目不转睛地做这件事，不少对弈者也在对弈的同时抽时间做对局记录，以便赛后分析总结。在电视实时挂盘解说或事后研究总结时，又必须由人按对局记录(通常是采用文字记录方式)移动相应棋子，复现对弈过程，即所谓“复盘”。2000年四月中央电视台在做“国际棋王棋后对抗赛”电视实时挂盘解说节目时，就出现过由于对局记录的记录稿纸不能及时从竞赛现场传递到电视节目主持人手中，而使挂盘解说不得已停顿等待的情况。虽然在挂盘解说中使用的棋子已经采用磁性材料使其固定在倾斜或竖立的铁质底版的棋盘上，但是棋子在棋盘上的位置并无自动化的记录手段。截至本申请递交日，从中国专利局网站检索发现，有一个关于中国象棋的专利(“计时计步象棋”，专利号97237754.9，发明人杜嘉林)，提出用电感线圈检测带磁性材料棋子的技术达成自动“计时计步”的功能，但该专利并不提供识别棋子名称的方法，也没有使用以单片计算机为核心的检测、存储和数据处理技术来实现对检测结果的分析、判断和记录，所以不能独立地自动产生并存储对局记录，也无法检测和记录国际象棋中“王车易位”、“吃过路兵”和兵“升变”等情况。目前，虽然计算机已经被用于棋艺研究，并与人“对弈”，但是尚没有计算机以嵌入方式“植入”正式竞赛用棋具并成为一体，直接在该装置内自动处理检测到的原始数据，并最终自动产生对局记录的。此处的“正式竞赛用棋具”，指棋具的棋子必须是真实的物体，比如可用手持的立体物，所以不包括由计算机在显示屏上提供的对弈环境——棋局显示在计算机屏幕上，棋子与棋盘仅仅是显示在计算机屏幕上的图案。
本实用新型的目的是提供一种智能棋具，它能有效地自动产生对局记录。
本实用新型的目的由以下技术方案实现。
根据不同的棋类专门设计的单片机检测、控制、数据处理和存储单元嵌入棋盘内部，在棋子内部或表面设置可区分的供自动检测识别棋子名的信号源或标记(Identification，以下简称棋子ID)，在棋盘的可落子位置(国际象棋为8行8列共64个、中国象棋为10行9列共90个、围棋为19行19列共361个)各设置检测传感器，其连线构成“棋盘矩形检测网格”。具体的组成及连接方式为一个使用公知公有的单片机构成的系统，稳压电源对CPU及系统其它组件供电，控制面板(含复位键RST、记时键、一盘棋结束键等)与CPU的中断引脚相联，CPU的两个引脚与MAX232模块相联构成标准的I/O接口，时钟模块、显示模块、存储模块通过总线与CPU连接；由CPU的若干引脚控制的多路模拟开关与“棋盘矩形检测网格”的竖边联接，由CPU的若干引脚控制的多路A/D转换器的模拟信号输入端与“棋盘矩形检测网格”的横边联接，每条横边通过各自的定值电阻接地。使用本智能棋具时，首先在棋盘上摆好棋子，接通电源，按RST复位键，单片机复位并执行自检程序，自检证明棋具电路正常后给出“就绪”显示，棋手开始弈棋并记时；此时上述单片机系统采用时分技术对“棋盘矩形检测网格”的每个位置点进行循环扫描检测，判断并记录棋子在棋盘中的位置变化及是否被“吃”出局，直至按压“一盘棋结束键”，单片机将该盘棋的完整对局记录送非易失性存储器编目保存。之后，可以进行下一盘棋弈棋，或进行已有对局记录的输出操作，或切断电源“关机”结束棋具的该次使用。棋子ID信息的设计，包括以下各种类型电(电阻、电容、电感)、磁(永磁体、电磁体)、超声波、射频微波、红外线、压力及条码图案。对弈过程中检测到的棋子位置变化数据由单片机分析处理，自动产生对局记录并存储在非易失性存储器内。该记录可根据需要通过标准的“I/O”接口立即或事后输出到打印机、其它计算机或显示设备。采用能区分国际象棋32枚黑、白12类棋子，中国象棋28枚红、黑14类棋子，围棋2类不同色棋子的ID设计，以简化本装置生成对局记录的数据处理复杂度，提高装置工作的稳定性。但是，对于国际象棋和中国象棋，并不强求一定要通过ID设计区分所有棋子，因为国际象棋32个或中国象棋28个棋子的区分，可以根据其初始位置，并对它们的移动进行跟踪记录和分析来实现，本设计采用的单片机胜任这一工作。设计有内置或外置的竞赛棋具所需的记时器，按压该记时器的按钮产生的开关量(对于内置的记时器，按键在控制面板上)输出至单片机；竞赛时利用棋手按压记时器的“一着棋”完成信号来确认当前的对局情况，并为每一棋步记时。
本实用新型与现有技术相比的效果和优点在于在使用现有传统棋具对局时，需要依靠人的视觉观察，使用手、笔和纸书写对局记录，使用者易疲劳、工作效率低，而且不便实时传递对局记录；本实用新型提供的智能棋具，在保存使用传统棋具对弈韵味的前提下，使弈棋娱乐变得更轻松，使参加对弈竞赛的棋手注意力更专注，使对弈竞赛的电视实时挂盘解说讲评更及时，进而可以方便地利用通用计算机进行复盘分析，以便促进棋艺的提高。本实用新型还可更直接地用于所述棋类的教学与训练将本实用新型提供的智能棋具的输出与通用计算机连接，再加上适当的软件，就可构成一套所述棋类的教学与训练辅助系统。使用本实用新型及扩展出的训练系统，对于初学者可以快速入门；对于专业棋手和教练员，可以节约时间，提高研究工作效率，更快地提高棋艺；对于又要完成学业、又要参加棋类训练的青少年学生，本实用新型可以为他们节省宝贵的时间。
本实用新型的
如下图1为本实用新型的功能模块及棋盘/棋子扫描检测电路示意图。
图2为本实用新型使用电阻标识的棋子时棋盘表面电触点几何形状设计图。
图3为本实用新型使用电阻标识的棋子时棋子底面电触点几何形状设计图。
图4为本实用新型实施例的单片机检测、控制、数据处理和存储单元电路版版图(原图为彩色分层图)。
以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
参照图1、图2、图3，一个交直流两用电源模块1经过内部的7805稳压后对AT89C52单片机2及其它模块供电；控制面板7与单片机2的引脚p3.2、p3.3相联；MAX232模块与单片机2的引脚p3.0、p3.1相联构成标准的串行I/O接口8；时钟模块4、显示模块5、非易失性存储模块6均通过总线3与单片机2的P0、P2口连接；由单片机2的若干引脚控制的多路模拟开关9与“棋盘矩形检测网格”10的竖边联接，多路模拟开关9的公共通道引脚p8接+5V电源；由单片机2的若干引脚控制的多路A/D转换器11的模拟信号输入端与“棋盘矩形检测网格”10的横边联接，每条横边通过电阻值相同的定值电阻12、13、14、15、16、17、18、19接地(0V)。单片机采用时分技术对“棋盘矩形检测网格”10的每个位置点进行循环扫描检测的原理如下(以国际象棋8行8列棋盘矩形检测网格、棋子采用电阻标识ID为例)单片机2(AT89C52)的引脚p1.0-p1.2为8路模拟开关9(ADG408)提供3选8的线选信号，例如当p1.0-p1.2=000时第一路模拟通道被选中，此时第一路模拟通道与公共通道(ADG408的p8脚)之间形成通路，其他模拟通道与公共通道之间形成断路，棋盘矩形检测网格最左侧的竖边被+5v电源供电。各个棋子内串接有二极管25的标识电阻26通过棋子底部的导电触点23与24分别与棋盘表面的“表笔”触点21与22导通，跨接在棋子所在的棋盘格的竖边与横边之间。此时，对选中竖边相关的8个棋盘格是否有棋子、或棋子ID之值进行检测，办法是由多路A/D转换器11(TLC2543)依次扫描8条横边以获取各横边上的电压值，并将扫描结果送单片机2，由单片机2完成后续的计算、比较任务，从而确定选中竖边上各棋盘格内是否有棋子、或棋子的ID。A/D转换器11中每一个A/D通道连接着一条横边上的8个棋盘格，由于每次只有一条竖边上有+5v有效电压，加之串接的二极管隔离了其它未选中的竖边，因此一个A/D通道一次正好能测量一个棋盘格位置跨接在竖边与横边之间的棋子ID之值(对于选中棋盘矩形检测网格最左侧的竖边的情况，实际上是测量位于该棋盘格的棋子的标识电阻26与定值电阻12的串接点的分压电压，再由单片机计算出标识电阻26之值ID)。单片机2与A/D转换器11之间有5条控制线，p1.3=I/O时钟信号，p1.4=A/D转换结束，p1.5=片选信号，p1.6=A/D转换数据送CPU，p1.7=CPU发出的控制命令信号线。TLC2543一共有11路A/D转换，并且每一路都有8位和12位两种转换精度可供选择，CPU通过P1.6向TLC2543发送配置命令使TLC2543明确当前应该采用什么样的精度对那一路A/D进行转换。TLC2543在转换完毕后置p1.4为高电平以通知CPU通过p1.7接受转换数据。单片机2与A/D转换器11之间的数据传送在I/O时钟信号的同步下通过串行方式完成。
本实用新型使用电阻标识的棋子时，设计参照图2、图3。图2为棋盘表面电触点几何形状设计，其中矩形20为一个落子位置单元，21与22为两个电触点，分别与“棋盘矩形检测网格”的竖边与横边相联。图3为棋子底部电触点几何形状设计，其中电触点23与24分别连接至与ID标识电阻26串接的二极管25的正极，和ID标识电阻26的另一端。
根据棋子ID信息的不同设计电(电阻、电容、电感)、磁(永磁体、电磁体)、超声波、射频微波、红外线、压力及条码图案，本实用新型实际上包括若干种传感器配置方式及棋子在棋盘中位置提取技术的实施案例。下面按照选用的不同棋子ID信息，以国际象棋为例描述这些实施案例(约定棋盘为水平放置，中国象棋、围棋的情况类似)1．本实用新型使用电阻标识的棋子及相应检测装置在棋子内部安置串接有二极管的可区分的标识电阻，该串联元件组的两端分别连接至棋子底部边缘的环形导电橡胶或金属和中心的园形导电橡胶或金属(参考图3)，在棋盘表面8×8个可落子处各设置一对检测“表笔”触点——环形导电橡胶或金属和中心的园形导电橡胶或金属(参考图2)，分别与“棋盘矩形检测网格”的竖边与横边相联。这64个棋盘格位置的(横边)电压值由嵌入棋具的单片机检测电路循环分时扫描检测。黑、白各一至两个特殊的棋子称为“听用”，其内部安装了与同色“车”、“马”、“象”、“后”相同的标识电阻，并用一个多掷开关实现切换，以便当出现兵“升变”情况时使用。为保证棋子底部电触点和棋盘表面电触点的良好连通，必要时使用加重棋子、或使用带永磁体的棋子配合棋盘下方铁质衬垫的辅助设计。
2．本实用新型使用电容标识的棋子及相应检测装置在棋子底部设置面积不同的导电膜片，与棋盘表面及浅层设置的64个平行金属膜(板)电容器配合，在提子或落子时改变该电容容量。这64个电容的值由嵌入棋具的单片机检测电路循环分时扫描检测。黑、白各一至两个特殊的棋子称为“听用”，其底部可换装与同色“车”、“马”、“象”、“后”相同面积的导电膜片，以便出现兵升变情况时使用。
3．本实用新型使用内置红外发射器的棋子及相应检测装置在棋子内部安置采用编码器的红外发射器，信号定向发射，指向棋子底部。公知公有的普通市售编、译码器的编解码数目一般都不少于255，足够用来区分所需要区分的棋子(最多32类)。棋盘的每个可落子位置的表面采用可被红外信号穿透的覆盖材料，其下方贴近处设置红外信号接受器。每个接受器的输出，由嵌入棋具的单片机检测电路循环分时扫描检测。
4．本实用新型使用内置超声波发射器的棋子及相应检测装置此种实现方式与3条类似，只是用超声波发射、接收器替代了红外发射、接收器。
5．本实用新型使用内置电磁器件的棋子及相应检测装置在棋子内部安置永磁材料，在棋盘的可落子处下方安置感应线圈，其输出由嵌入棋具的单片机检测电路循环分时扫描检测。
6．本实用新型使用内置无线射频元件的棋子及相应检测装置在棋子内部设置无线射频标识器件——标识脉冲转发器，如飞利浦公司的无接触式IC——hitag(hitagl pill规格φ12×6mm，hitag2 stick规格12×6×3mm)；在棋盘内设置与之配套的无接触式IC读出设备——也称基站IC，它的天线是布置在可落子位置的64付天线之一，由单片机控制的多路转换电子开关切换以实现分时扫描接收。提起或落下的棋子内的标识脉冲转发器因切割相应位置的天线磁场，其标识被基站读取，并送到单片机系统存储和分析。本实施案例可以和案例1或5结合，从而将无接触式IC读出设备的天线简化为一套。
7．本实用新型使用带压力传感器的棋盘及相应检测装置在棋盘的每一可落子处的中央设置一压力传感器。使用敏度为4克重的压力传感器，可将32个、黑白各6个棋名的棋子的重量安排在50至100克重之间，从而达到以重量区分棋子的目的。64个压力传感器的输出，由嵌入棋具的单片机循环分时扫描检测。为节省起见，上述压力传感器可用压力开关代替，其开关力门限值小于棋子重量的二分之一。此时，棋子名的区分将根据其初始位置，并对它们的移动进行跟踪来实现。
8．本实用新型使用底部带条码的棋子及相应检测装置选用一种一维条码或二维条码(即矩阵码，推荐采用)。在棋子白色底面制作该种条码的不同码字(一般用红色)，对64个棋子加以标记区分。棋盘表面的用材、图案配色(如棋子底面采用矩阵码时，“黑格”用平行黑线装饰，黑线总的占空比小于50％)保证可以从棋盘下方使用光学方式读取棋子底部的条码在棋盘下方适当位置设置64个条码阅读器，或一台CCD摄象机；后者的输出经计算机图像处理，完成与64个条码阅读器同样的功能。
本实用新型推荐采用上述实施案例中某两种设计的混合实施方案。
权利要求1．一种智能棋具，包括棋盘、棋子和单片机检测、控制、数据处理和存储单元，其特征在于所述棋盘内嵌入单片机检测、控制、数据处理和存储单元——稳压电源[1]对单片机[2]及其它组件供电，控制面板[7]与单片机[2]的中断引脚相联，单片机[2]的两个引脚与MAX232模块相联构成标准的I/O接口[8]，时钟模块[4]、显示模块[5]、非易失性存储模块[6]通过总线[3]与单片机[2]连接；由单片机[2]的若干引脚控制的多路模拟开关[9]与“棋盘矩形检测网格”[10]的竖边联接，多路模拟开关[9]的公共通道引脚p8接+5V电源，由单片机[2]的若干引脚控制的多路A/D转换器[11]的模拟信号输入端与“棋盘矩形检测网格”[10]的横边联接，每条横边通过电阻值相同的定值电阻[12]等接地；棋子内部或表面设置供自动检测识别棋子名的信号源或标记ID，包括以下类型——电阻、电容、电感、永磁体、电磁体、超声波、射频微波、红外线、压力及条码图案；棋子内部设置电阻棋子名ID，其电阻[26]与二极管[25]串接后，串接组件的两端分别连接至棋子底部边缘的环形导电橡胶或金属[23]和中心的园形导电橡胶或金属[24]；在棋盘表面每个可落子处[20]内设置环形导电橡胶或金属[21]和中心的园形导电橡胶或金属[22]，它们分别与“棋盘矩形检测网格”[10]的竖边和横边联接。
2．根据权利要求1所述的智能棋具，其特征在于在棋子底部设置按棋子名区分的导电膜片，在棋盘表面及浅层设置平行金属膜电容器。
3．根据权利要求1所述的智能棋具，其特征在于在棋子内部设置采用编码器的红外发射器，信号定向发射，指向棋子底部，棋盘的每个可落子位置的表面采用可被红外信号穿透的覆盖材料，其下方贴近处设置红外信号接受器。
4．根据权利要求1所述的智能棋具，其特征在于在棋子内部设置永磁材料，在棋盘的可落子处下方设置感应线圈。
5．根据权利要求1所述的智能棋具，其特征在于在棋子内部设置无线射频标识脉冲转发器，在棋盘内设置与之配套的无接触式IC读出设备。
6．根据权利要求1所述的智能棋具，其特征在于在棋盘的每一可落子处的中央设置一压力传感器，棋子按棋子名制作为不同重量，其两两重量之差超过压力传感器敏度；或在棋盘的每一可落子处的中央设置一压力开关，其开关力门限值小于棋子重量的二分之一。
7．根据权利要求1所述的智能棋具，其特征在于在棋子白色底面制作红色条码作为棋子名标识，棋盘表面用透光材料、“黑格”用平行黑线装饰，黑线总的占空比小于50％，在棋盘下方设置若干条码阅读器，或一台CCD摄象机。
8．根据权利要求1所述的智能棋具，其特征在于所述棋盘位置检测点布置为8行8列共64个；所述棋子由黑、白色的王、后、象、车、马、兵共12类32枚棋子和若干枚“听用”棋子组成，棋子内部或表面设置供自动检测识别棋子名的信号源或标记；黑、白“听用”棋子各一至二枚，该棋子上的手动转换开关可将该棋子的棋子名信号源或标记ID设置为与同色后、象、车、马之一的棋子名信号源或标记ID相同。
9．根据权利要求1所述的智能棋具，其特征在于所述棋盘位置检测点布置为10行9列共90个；所述棋子由红色帅、仕、相、车、马、炮、兵，黑色将、士、象、车、马、炮、卒共14类28枚棋子组成，棋子内部或表面设置供自动检测识别棋子名的信号源或标记。
10．根据权利要求1所述的智能棋具，其特征在于所述棋盘位置检测点布置为19行19列共361个；所述棋子由黑、白色2类各若干枚无区别的棋子组成，棋子内部或表面设置供自动检测识别棋子名的信号源或标记。
专利摘要本实用新型公开一种智能棋具,该棋具能自动产生对局记录,解决使用现有棋具需人工书写对局记录,或棋具本身不能存储检测数据等问题。其技术关键是设计了嵌入式单片机检测识别、数据存储与处理单元,和设有供自动检测的棋子名信号源或标识的棋子,通过电、磁、超声、微波、红外线、重力、条码的检测识别,在弈棋时自动产生并存储对局记录。主要用于国际象棋、象棋、围棋,使对弈者精力专注,提高挂盘转播讲评及时性和复盘研究效率。
文档编号A63F3/00GK2423935SQ00223229
公开日2001年3月21日 申请日期2000年6月9日 优先权日2000年6月9日
发明者何薇, 何大可, 李云峰 申请人:何薇