無(wú)線空中鼠標(biāo)

吳富民+劉凡齊

【摘要】 鼠標(biāo)的出現(xiàn)是人機(jī)交互領(lǐng)域一個(gè)重大突破，為了快捷便利地操作計(jì)算機(jī)，擺脫傳統(tǒng)鼠標(biāo)的操作都離不開(kāi)以桌面為使用的限制。提出了運(yùn)用先進(jìn)的MEMS傳感器技術(shù)，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于鼠標(biāo)，研究并設(shè)計(jì)一款基于MEMS技術(shù)的無(wú)線空中鼠標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線空中鼠標(biāo)的小型智能化，并具有高定位精度和平滑性。通過(guò)采用加速度傳感器、陀螺儀、STM32微處理器、無(wú)線收發(fā)模塊和USB接口來(lái)構(gòu)建整個(gè)無(wú)線空中鼠標(biāo)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)試準(zhǔn)確的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】 空中無(wú)線鼠標(biāo) MEMS傳感器 智能化 STM32微處理器 無(wú)線收發(fā)模塊

鼠標(biāo)的出現(xiàn)是人機(jī)交互領(lǐng)域一個(gè)重大突破，它為計(jì)算機(jī)的操作提供了快捷便利的條件。鼠標(biāo)的發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械、光電及當(dāng)前廣泛運(yùn)用的光學(xué)鼠標(biāo)，這些鼠標(biāo)的操作都離不開(kāi)以桌面為使用的限制。然而，在很多苛刻的環(huán)境下無(wú)法提供桌面時(shí)，傳統(tǒng)鼠標(biāo)的使用就會(huì)受到極大的局限性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這種基于MEMS技術(shù)的無(wú)線鼠標(biāo)均有一定的研究。美國(guó)密歇根大學(xué)很早就已經(jīng)將雙軸加速度計(jì)應(yīng)用到鼠標(biāo)的領(lǐng)域，但是基于MEMS無(wú)線鼠標(biāo)設(shè)計(jì)大部分都是測(cè)量位移特性控制鼠標(biāo)移動(dòng)。2002年，香港中文大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于微加速度傳感器鼠標(biāo)系統(tǒng)；2003年，英國(guó)伯明翰大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可以控制電腦屏幕上三維立體的旋轉(zhuǎn)的三維鼠標(biāo)。現(xiàn)在許多國(guó)內(nèi)外高校也相繼提出一系列基于MEMS技術(shù)的無(wú)線鼠標(biāo)研究。

一、需求分析

空中鼠標(biāo)是一種輸入設(shè)備，像傳統(tǒng)鼠標(biāo)一樣操作屏幕光標(biāo)，但卻不需要放在任何平面上，在空中晃動(dòng)就能直接使用，自由方便?；贛EMS技術(shù)的無(wú)線空中鼠標(biāo)突破了必須在桌面上使用的限制，使用場(chǎng)合更廣泛。作為一種新的輸入設(shè)備，無(wú)線空中鼠標(biāo)不需要借助任何平面，就可以直接在空間中實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的功能，操作簡(jiǎn)單、體驗(yàn)感強(qiáng)且功耗低。采用這種多傳感器信息融合的鼠標(biāo)系統(tǒng)，相比于單一傳感器系統(tǒng)有著許多優(yōu)點(diǎn)，增加了系統(tǒng)的配置，提高了鼠標(biāo)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力；各個(gè)傳感器之間能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而得到鼠標(biāo)姿態(tài)信息的最優(yōu)估計(jì)值，增強(qiáng)了鼠標(biāo)適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的能力，并且提高了鼠標(biāo)的精度，同時(shí)具有較高的平滑性，實(shí)用性強(qiáng)。

二、總體設(shè)計(jì)

無(wú)線空中鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，先利用手持端AD芯片采集相關(guān)信號(hào)再在單片機(jī)上對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，再將處理完善的信號(hào)通過(guò)NRF24L01無(wú)線傳輸模塊傳送到電腦端經(jīng)另一個(gè)單片機(jī)轉(zhuǎn)碼處理，最后輸出相關(guān)控制信號(hào)。

三、硬件設(shè)計(jì)

3.1主控設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件主控設(shè)備采用深聯(lián)華單片機(jī)作為主控芯片，USB 接口芯片為設(shè)備與電腦的通信媒介，2.4GHZ 通信模塊作為主控設(shè)備與特制的遙控器通信手段。 另配有紅外線接收裝置， 用來(lái)和家用電器通信， 以及用家用電器的遙控器控制電腦。 可配有紅外發(fā)射裝置。電路板采用標(biāo)準(zhǔn)的 PCB 雙面板， 在板上配有穩(wěn)壓電路， 濾波電路。

特制的遙控器采用的是深聯(lián)華單片機(jī)作為主控芯片，靜態(tài)重力感應(yīng)模塊作為空中鼠標(biāo)的信號(hào)采集裝置， 2.4GHZ 通信模塊作為遙控器與主控設(shè)備的通信手段。 電路板與主控設(shè)備采用一樣的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中電腦端設(shè)備的電源是由電腦 USB 接口的輸出電壓直接提供，手持端電源采用容量大、充電便捷的4.7V鋰電池。再通過(guò) ASM1117 穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為 5V 恒定電壓，給單片機(jī)、D12、RNF24 供電。AMS1117 能提供穩(wěn)定的電壓輸出，精度高達(dá)2%；其最高輸出電流可達(dá)到 1A。除此之外還具有限流功能，過(guò)熱切斷，工作溫度范圍寬的特點(diǎn)，可以很好地保護(hù)和穩(wěn)定整個(gè)電路。

四、軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件軟件分為三個(gè)主要部分

一是：數(shù)據(jù)采集。

二是：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)USB 接口芯片與實(shí)現(xiàn)與電腦的通信。

三是：將不同的控制信號(hào)處理后發(fā)送給電腦或者家用電器。

在軟件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集主要用來(lái)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生，利用實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)操作數(shù)據(jù)的采集；在信號(hào)采集過(guò)程中， 單片機(jī)控制 ADXL345 的采樣頻率、 傾斜程度來(lái)提高鼠標(biāo)的靈敏度。 在單片機(jī)通過(guò)USB 接口芯片與實(shí)現(xiàn)與電腦的通信過(guò)程中先處理ADXL345 采集的信號(hào)， 通過(guò)特定適合的算法變換， 轉(zhuǎn)化成為控制鼠標(biāo)指針的控制信號(hào)，再運(yùn)用技術(shù)成熟的NRF24L01無(wú)線傳輸技術(shù)將處理了的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到電腦端。

五、應(yīng)用

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于多媒體平臺(tái)和互聯(lián)網(wǎng)電視等需要精確控制，修改以及遠(yuǎn)程控制的顯示平臺(tái)。一般的鼠標(biāo)在使用時(shí)必須將鼠標(biāo)放在桌面上，不能離開(kāi)桌面。使用遙控器時(shí)都習(xí)慣于將遙控器直接指向屏幕，用很小的動(dòng)作調(diào)整，而單純的鼠標(biāo)不符合客廳中用戶(hù)對(duì)大屏幕電視的操作習(xí)慣。采用NRF24L01無(wú)線通訊系統(tǒng)的無(wú)線空中鼠標(biāo)，將直接指向屏幕的遙控器改成可調(diào)整角度控制的智能鼠標(biāo)，極大改善用戶(hù)的使用體驗(yàn)，使用戶(hù)在不改變遙控器使用方法的同時(shí)，更方便的操作各種應(yīng)用。輕松方便，給用戶(hù)一種全新的享受。

技術(shù)改變生活，也許不久的將來(lái)，會(huì)有更多的人機(jī)操作方式大規(guī)模商用化，例如語(yǔ)音識(shí)別，手勢(shì)識(shí)別等等。和空中鼠標(biāo)一樣，帶給人們的不僅僅是技術(shù)的創(chuàng)新，更多的是方便的體驗(yàn)，讓我們的生活更加精彩。

六、結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用具有高速處理數(shù)據(jù)能力的STM32為主控芯片，電源設(shè)計(jì)采用容量大、充電便捷的 4.7V 鋰電池。 再通過(guò) ASM1117 穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為 5V 恒定電壓， 給單片機(jī)、RNF24L01無(wú)線傳輸模塊供電。除此之外還具有限流功能，過(guò)熱切斷，工作溫度范圍寬的特點(diǎn)，可以很好地保護(hù)和穩(wěn)定整個(gè)電路。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。該設(shè)計(jì)已初步測(cè)試用于本校多媒體教學(xué)，實(shí)際應(yīng)用表明該設(shè)計(jì)具有測(cè)試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。