CN1143703C - 电子智能棋具 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子智能棋具领域，包括棋盘、棋子，棋盘由nxm个置棋(子)点构成矩阵形式，该置棋点为交点或格，每一置棋点与不同棋子构成具有不同电容值的电容结，还包括有对每一置棋点进行快速扫描测试的扫描电路、对该扫描电路输出信号进行检测判别的检测判别电路和存储有软件的信号处理单元。本发明可不改变传统的下棋方法，在对局时自动识别棋子的位置和棋子的属性，从而实现自动记谱、记时、报时、提示等功能。

Description

电子智能棋具

本发明属电子智能棋具领域，特别涉及一种以检测棋盘上置棋点(或格)与棋子之间电容量的大小来判定棋子存在、类型(属性)和移动的棋类装置。

长期以来，棋类比赛的记谱、记时、报时等依靠人工完成，不但费工费时，而且不能及时发送、传输，在限时限步的比赛中不能及时向常易陷入深思中的棋手提示、在读秒的比赛中不能精确读秒而往往造成遗憾。

已公开的一种电子围棋(发明专利CN87 1 01692 A)，虽能解决上述问题，但使用者要改变传统的下棋方法，用组合按键来下黑、白棋子，这种方法很难被棋界接受。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，能在不改变各种棋类的棋盘、棋子的外部特征、行棋方法的情况下，自动识别落子(如围棋和五子棋)、提子(如围棋和其他棋类的吃子)、走子(如象棋和军棋)、易位、升变(如国际象棋)等的位置、子型、时间等的各种信息。对获得的各种信息即时存储、显示、处理、网络传输，从而实现自动记谱、记时、报时、提示等功能，还可以进行复盘、编辑、打印。

本发明提出的一种电子智能棋具，包括棋盘、棋子，其特征在于，所说的棋盘由n×m个置棋(子)点构成矩阵形式，该置棋点为交点或格，每一置棋点与所说的不同棋子构成具有不同电容值的电容结，还包括有对每一置棋点进行快速扫描测试的扫描电路、对该扫描电路输出信号进行检测判别的检测判别电路和存储有软件的信号处理单元。

所说的每一个置棋点可设置有两个或多个导电膜片构成双极子床或多极子床，所说的棋子底面可设置有一个或多个导电膜片或导电体，该子床与该棋子构成单电容结或多电容结。

所说的信号处理单元可由PC机及并行口接口电路组成，棋盘可以作为PC机的一个终端使用；也可由单片机和相应的控制电路组成。

本发明还可包括由软件或硬件控制其工作的发声和发光电路。

本发明的基本原理为：

由棋盘和棋子组成的棋类系统在开始行棋时，或从空盘开始(如围棋和五子棋)，或从某一起始阵式开始(如国际象棋和中国象棋)，或从某一预置阵式开始(如围棋的让子局、军棋和各种棋类的开局、中局、残局及定式等)，本系统的初始化可以认定开局的状态，此后开始行棋。

本发明基于对棋盘上的每一个置棋点进行快速扫描测试，而每个置棋点是一个双极子床或多极子床，每个子床同棋子构成具有不同电容值的电容结，根据测出的每个置棋点的电容则可判定该位置上棋子的有、无和属性。

行棋过程中的落子和提子(围棋)、走子和吃子(象棋)贯穿整个过程，直到对局结束，棋子的这些变化使盘上相应点(格)上的电容结发生电容量变化，本系统对棋盘上的每一个置棋点的电容量变化信号进行采集、处理，据此完成记谱、停止已行棋方的时钟、启动另方时钟并做出提示、报时等各种功能。

本发明能在不改变各种棋类的棋盘、棋子的外部特徵、行棋方法的情况下，自动识别落子(如围棋和五子棋)、提子(如围棋和其他棋类的吃子)、走子(如象棋和军棋)易位、升变(如国际象棋)等的位置、子型、时间等的各种信息。对获得的各种信息即时存储、显示、处理、网络传输，从而实现自动记谱、记时、报时、提示等功能，还可以进行复盘、编辑、打印。进一步，还可在机械手的帮助下，无需他人介入、可在不改变传统行棋方式的情况下，直接实现人机对局和网络对局。

附图简要说明：

图1为本发明的双极子床构成单电容结的示意图；其中，(a)为置棋点，棋子的导电膜片的结构；(b)为(a)中形成的两个串连电容；(c)为(b)中的等效电容。

图2为本发明的双极子床结构示意图。

图3为本发明的两种极片形式的3极子床结构实施例示意图，其中，(a)为环状极片，(b)为平面分布式极片。

图4为本发明的的两种极片形式的4极子床结构实施例示意图，其中，(a)为环状极片，(b)为平面分布式极片。

图5为本发明的平面分布式极片形式的5极子床结构实施例示意图。

图6为将n×m个双极子床的同名点复接在一起的棋盘矩阵示意图。

图7为单电容棋子底面导电膜的三种布置实施例示意图，其中，(a)棋子底部为环状的导电膜片，(b)棋子底部为连通的网状的导电膜片，(c)棋子底部具有完整的导电膜片。

图8为双电容棋子底面导电膜的两种布置实施例示意图，其中，(a)为环状极片，(b)为平面分布式极片。

图9为三电容棋子底面导电膜的两种布置实施例示意图，其中，(a)为环状极片，(b)为平面分布式极片。

图10为本发明的一种扫描电路实施例示意图。

图11为本发明检测电路的一种实施例示意图。

图12为本发明的比较器或运算放大器构成的判别电路实施例示意图。。

图13为嵌位放大电路构成的判别电路实施例示意图。

图14为本发明总体组成结构示意图。

图15为本发明的围棋棋具实施例的逻辑电路图。

图16为本发明围棋棋具实施例的软件流程图。

图17为本发明围棋棋具实施例系统组成示意图。

图18为用于本发明的斗兽棋实施例的发声和发光电路的逻辑电路图。

本发明的组成及实施例结合各附图详细说明如下：

本发明由棋盘、棋子、扫描电路、检测、判别电路、模数转换电路A/D，和存储有软件的信号处理单元组成，如图14所示。图中，由两个多路模拟开关(地址线为X0、X1...Xn，Y0、Y1...Ym)构成的扫描电路与棋盘QP的每一置棋点(图中未示出)相连接，两个多路模拟开关的两个公共端连于检测电路ZJ的输入端、其输出信号，送到模数转换电路A/D或判别电路(图中为模数转换电路)，产生对应的数字信号送信号处理单元(图中未示出)。各部分的具体结构分别说明如下：

(一)棋盘

本发明的棋盘由n×m个置棋(子)点(盘面形式为交点或格)构成矩阵形式，每一个置棋点是一个子床，子床是棋盘的元素，子床与棋子构成电容结。棋盘的每一置棋点与棋子构成电容结的原理如图1所示，图1.a中11、12为棋盘上置棋点的极片，13为棋子底面上的导电膜片。图1.b表明在11、12之间有两个串连电容。图1.c表明在11、12之间有一个与两个串连电容等效的电容，这就是该置棋点的一个电容结的电容。

本发明置棋点的子床结构有多种实施方案，以适应不同棋类的不同棋子(多属性)的需要。

图2为双极子床结构实施例，图中，21和22都是导电膜，23是21和22之间的一个小的间隙，通常11和12面积相等，设12的半径为R，则11的半径为0.707R。图中x和y分别是21和22的引出线。

图3为两种极片形式的3极子床结构实施例，图3.a为环状极片，图3.b为平面分布式极片。x，y1和y2分别是从极片32，31，33(图3.a)或极片35，34，36(图3.c)引出的接线端。设31的面积为A，则32的面积为2A，33的面积为A；由此，若33的半径为R，则32和31的半径分别为0.866R和0.5R。类似地，在图3..b中，34和36的面积相等，而35的面积是34和36面积的和。图3.a可用於放置方向不确定的场合，图3.b可用於放置方向确定的场合。

图4为两种极片形式的4极子床结构实施例。其中图4.a为环状极片式，x1、x2、y1和y2分别是各个极片的引出线。图4.b为分布极片式x、y1、y2和y3分别是各个极片的引出线。前者可用于棋子放置方向不确定的场合，后者则用于棋子放置方向确定的场合。

图5为一种5极子床结构实施例。图中，x、y1、y2、y3和y4分别是各个极片的引出线。

本发明将同一行或同一列的各个子床的同名点复接在一起，即可构成一个棋盘矩阵。图6是将n×m个双极子床的同名点按上述要求复接在一起的棋盘矩阵。任何xi和yj之间连接的是座标为(i，j)的电容结的电容。由多极子床构成棋盘矩阵的方法与此类似。

(二)棋子

棋子的底面是导电膜，同子床和相间的介质薄膜构成电容结。图7.a--图7.c是单电容棋子底面导电膜的三种布置实施例示意图，表明了单电容棋子构成2个属性的方法，其中图7.c表明棋子底部具有完整的导电膜片，可以同子床构成最大的电容，图7.a和图7.b分别将导电膜做成连通的环状71或网状72，而有效面积是图7c导电膜73的一半。它可与双极子床构成两个电容等级。在一般情况下，若棋子用以构成某一电容结的导电膜的最大面积＝A，实际有效面积＝pA，随着p的不同，该膜片与子床构成的电容也不同。当p取0，0.5和1.0时，则电容等级为3；当p取0和1.0时，则电容等级为2；一般的，若p＝i/n，i＝0，1…n，则电容等级为n+1。当然，棋子底部也可做成与子床构成不同电容的导电体，效果和导电膜相同。

图8为双电容棋子底面导电膜的两种布置实施例示意图，其中，图8.a为环状极片与图3.a所示环状三极子床构成双电容结。81和82是面积相等的两个导电膜，其半径分别为R和0.707R。81和82两个导电膜之间有一个小间隙。图8.b为平面分布式极片，与图3.b所示分布式3极子床构成2电容结，以小间隙分割成2个相等面积83、84。

图9为三电容棋子底面导电膜的两种布置实施例示意图，其中，图9.a为环状极片，与图4.a所示环状4极子床构成3电容结，91、92和93是面积相等的3个导电膜，其半径分别为R，0.816R和0.577R。91、92和93各个导电膜之间都有一个小的间隙。图9b为平面分布式极片，与图4.b所示分布式4极子床构成3电容结，3个导电膜94、95、96面积相等，按每个120度等分并以小间隙分割开。

余类推，还可构成多电容棋子。

以上各图中各个独立的导电膜区可以减少面积，使电容结中的每一电容又可分成若干等级，若某一导电膜区全部清除，则此区的电容等级最低。以构成不同属性的棋子。

不同的棋种棋子的属性(类型)差别很大。如围棋和五子棋是黑、白2种，加上“无子”状态，需要识别的状态是3种。中国象棋的正常对局由固定阵式开始，只需识别棋子的有无；但另外情况下，如残局研究、棋局编辑等，需要识别红、黑各7种，加上“无子”状态是15种。国际象棋由于兵到底线升变，需要识别的状态分别是5种和13种。，为减少棋子本身具备的状态数，也可以借助其他辅助手段，例如，将一个棋子在棋盘上或棋盘外的不同的特定位置放一下，即可给该棋子赋予不同的属性。

若每个棋子的电容结数为m，每个电容的等级为n，则每个棋子可分辩的属性数为n^m-1，例如，用4极子床的棋盘和3电容结棋子，而棋子上每个电容的等级为3，则棋子属性数为3³-1＝26。

棋手置棋时，放置棋子的中心点可能对子床有些偏移，以环状子床为例，对于不同的子床，无误差的偏移量C是不同的，通常棋盘的点(格)距大于棋子上导电膜直径，因而子床外圈有足够大的余量。

子床类型            无误差的偏移量C(％)

双极子床                  29.3

3极子床                   13.7

4极子床                   8.8

更大的偏移量会使电容量减小，但可能会使相邻点(格)电容量增加，用软件可判断其偏移程度并对其属性做补充判别。

(三)扫描电路

棋盘矩阵中的任一个xi和任一个yj之间所表现的是在坐标(i，j)上子床与棋子构成的一个电容结。图10是本发明的一种扫描电路实施例，其中使用两个多路模拟开关U1和U2分别将p和q条入线接到棋盘矩阵的p条x线和q条y线上，随着控制端的X地址信号和Y地址信号的改变，2个模拟开关的公共端COMx和COMy将与棋盘矩阵不同的x和y接通，若X＝i，Y＝j，则COMx和COMy二点所接通的就是棋盘上子床与棋子在坐标(i，j)构成的电容结。图中Xo-Xn和Yo-Ym是地址信号。对于多数棋种，棋盘矩阵为方形，即n＝m。围棋有19条x线和19条y线，因而有5条地址线，m＝4；相应地，五子棋m＝3；中国象棋m＝3；国际象棋m＝2。任何一个模拟开关都是有内阻的，但不影响对电容值的测试。

(四)检测电路

本发明检测电路的一种实施例如图11所示，是由一个非饱和式振荡器构成的不饱和振荡检波电路。包括一个运算放大器U61，接在负向输入端和输出端的电阻R1，接在输出端的二极管D1和接在正向输入端和地之间的电阻R2，接在二极管D1输出端和地之间的电容C1，与C1并联的电阻R3是负载电阻，输入点61接一个另一端接地的电容Cx，该Cx就是棋子与子床构成的一个电容结。V1是一个高频振荡信号，随着Cx加大、V1的幅值提高、频率降低。V2是经过二极管D1整流和电容C1泸波的直流信号，V2的值随Cx的改变呈准线性变化，因而根据V2的值即可判定Cx的值。

(五)判别电路

本发明判别电路的实施例如图12所示，其中U101和U102是比较器或运算放大器，输入端101的电压Vi由图11的振荡检波电路的输出端V2获得，加在U101和U102的正向输入端。

电源电压Vcc通过电位器w1和w2分压分别产生直流电压Va和Vb且Va＞Vb，分别加在U101和U102的反向输入端。如输入电压Vi＞Va，则Oa＝Ob＝1。如Vi＞Vb但Vi＜Va则Oa＝0，Ob＝1；如Vi＜Vb则Oa＝Ob＝0。以围棋为例，如黑子形成的电容较大，白子形成的电容较小，则可从这一判别电路区分出相关点为无子、白子还是黑子。

本发明的判别电路也可由软件实现，即图11的输出电压V2通过A/D转换电路变成数字信号。将数字信号读出后直接由软件判断相关点棋子的有无和属性，具有更大的灵活性。

为了提高A/D转换的有效分辩率，本发明可在检测电路后连接一嵌位放大电路，如图13所示，该电路将直流电压切去底部并放大。U111是运算放大器。电源电压Vcc经电位器w3分压产生的电压Vd加在U111的反向输入端，Vd就是要切去的底部电压。电位器w4用来调节放大量。

(六)信号处理单元及软件

本发明的信号处理单元可由PC机及并行口接口电路组成，棋盘可以作为PC机的一个终端使用。在PC机上运行的系统软件控制下，实现扫描、检测、判别和存储，通过信号处理实现各种功能，包括网络功能。

本发明的信号处理单元也可由单片机和相应的控制电路组成，在单片机和软件管理下，可以脱开PC机而成为一个具备各种功能的独立系统。一个或多个这种系统可以通过串行口同PC机通信，实现一台PC机管理多台电子智能棋盘。

基于本发明的电容扫描检测判别技术，加上相应的技术，如声光技术，可以构成各种引发儿童兴趣的智能玩具。

本节涉及的接口及软计技术系现有常规技术，毋须深入说明。

本发明的一种具体应用实施例为电子智能围棋棋具，结合附图说明如下：

围棋有黑白两种棋子，因而采用具有两种属性，即电容等级为3的单电容棋子。而棋盘则是由双极子床构成的19×19的矩阵。

图15是以本发明为基础的围棋盘逻辑电路。图中U3，U7为4选1模拟开关，U4，U5，U6，U7，U9和U10是8选1模拟开关，X＝{X0-X4}为X地址码，Y＝{Y0-Y4}为Y地址码。改变地址码，即可实现对棋盘的扫描。当地址码确定时A、B两点连接的就是棋盘上由地址码指定位置由棋子和子床构成的电容。经检测电路ZJ(可采用如图11所示的不饱和振荡检波电路)、嵌位放大电路QF(可采用如图13所示的具体电路)，和A/D转换电路，即可得到与当前位置电容相应的数字信号D＝{D0-D7}。该数字信号送入PC机，根据D的大小，即可确定当前位置是否有子、黑子还是白子。

扫描过程由软件实现(也可用硬件实现)。

图16是软件流程图。图中BW是黑子和白子的判别值，NW是无子和白子的判别值。前者是标准黑子和白子值的平均值，后者是无子和标准白子的值的平均值。程序执行开始，置X＝0，Y＝0。即将扫描地址指向第1行第1列。接着，将X和Y送到控制扫描电路的地址寄存器，经过短时间的等待(可用软件完成，但最好用中断方法)，使所选的电容结参与的振荡达到稳定并完成数模转换，读出数模转换的结果D。然后，根据D的大小进行判断，若D＞BW，则该点为黑子；若D＜NW，则该点为无子；否则，该点为白子。接下来，就是改变扫描地址，将Y加1，程序回到A点，重复送地址，读模数转换的结果D，和根据D的大小进行判断的工作。此时，若Y＝19，表示1列已全部扫描，需要转到第2列，应执行Y＝0和X加1的工作。同样，若出现X＝19，表示全部19X19点已经扫描，需要重新回到起点，应执行X＝0的工作。这样，就可完成对棋盘的不断扫描。

图17是本实施例的系统组成示意图。在图中，电子智能围棋盘171以终端形式接到主机172的并行口，棋盘上行棋的变化及时反映到显示器173上，并由计算机存储和处理。

本发明的另一个具体应用实施例是玩具棋类的斗兽棋。本实施例的基本组成与上述电子智能围棋相同，不再重复描述，在此基础上，为了引发儿童的兴趣，增加了声和光的功能。例如，在狮子吃到老虎时可以使灯光闪亮，同时发出狮子的吼叫和老虎的哀鸣声。

图18是一个发声和发光电路的实施例电路原理图，其中U11是单片机，U12和U13是非门，U14和U15是与门，U16和U17是寄存器，U18是数模转换电路D/A。

当行棋过程中，需要发声和发光时，可通过软件或硬件启动该发声和发光电路工作。

当需要发声时，由单片机U11在数字化的声音存贮电路中取出要求的信号送到P1口，并在U11的P2.6＝0的情况下产生写信号WR，通过U12和U14逻辑组合写到寄存器U16，该U16在P2.6＝0的控制下处於使能状态，从而将信号送到数模转换电路D/A(U18)，由D/A产生的模拟信号经R4、C2泸波电路使信号平滑，再经过C3、R5隔直电路去除直流成分后由运算放大器U19放大，最后经C4驱动扬声器SP。R6是反馈电阻，在适当频率的时间中断信号控制下，不断改变D/A数模转换器的输入信号，扬声器SP即可发出要求的声音。

当需要发光或使灯光闪烁时，由单片机U11将相应的信号送到U11的P1口，并在P2.7＝0的情况下产生写信号WR，通过U13和U15的逻辑组合将P1的信号写到寄存器U17，而正极接到+5V的发光二极管LED1--LED8经电阻R7--R14接到U17的输出端，与U17输出端为低电位相接的发光二极管发光。用不同的P1输出信号改变寄存器U17存储的值，即可产生灯光闪烁效果。适当组合声和光的控制信号，可以同时产生声和光的综合效果。图中用了8个发光二极管，适当改变电路可以方便地改变数量或改用其它发光器件。

Claims (5)

1.一种电子智能棋具，包括棋盘、棋子，其特征在于，所说的棋盘由n×m个置棋点构成矩阵形式，该置棋点为交点或格，每一置棋点与所说的不同棋子构成具有不同电容值的电容结，还包括有对每一置棋点进行快速扫描测试的扫描电路、对该扫描电路输出信号进行检测判别的检测判别电路和存储有软件的信号处理单元。

2.如权利要求1所说的电子智能棋具，其特征在于，所说的每一个置棋点设置有两个或多个导电膜片构成双极子床或多极子床，所说的棋子底面设置有一个或多个导电膜片或导电体，该子床与该棋子构成单电容结或多电容结。

3.如权利要求1所说的电子智能棋具，其特征在于，所说的信号处理单元由PC机及接口电路组成，棋盘作为PC机的一个终端使用。

4.如权利要求1所说的电子智能棋具，其特征在于，所说的信号处理单元由单片机和相应的控制电路组成。

5.如权利要求1所说的电子智能棋具，其特征在于，还包括由软件或硬件控制其工作的发声和发光电路。

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