多功能翻頁筆的設(shè)計

張達(dá) 張志超 徐天陽 楊海斌

多功能翻頁筆是在翻頁筆的基礎(chǔ)上添加了鼠標(biāo)的功能，教師上課時使用的翻頁筆大多只能有標(biāo)識、翻頁等簡單功能。多功能翻頁筆在其基礎(chǔ)上添加了鼠標(biāo)左右鍵以及移動鼠標(biāo)功能，使簡單的翻頁筆變成了一款無線的空中鼠標(biāo)。此項(xiàng)目設(shè)計的多功能翻頁筆可以使教師上課操控電腦變得更方便，為教師與學(xué)生們更好的互動創(chuàng)建了基礎(chǔ)。電路結(jié)構(gòu)新穎、元件不多、調(diào)試容易，非常適用于教學(xué)等領(lǐng)域。

一、緒論

背景。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及電子技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)的應(yīng)用逐漸進(jìn)入生活中的方方面面。一直以來，電腦鼠標(biāo)都比較大眾化，使用最多的有線鼠標(biāo)脫離不了空間和感應(yīng)底板的限制，這就在一定程度上限制了人們對電腦的操縱范圍，不能給更多電腦用戶提供更方便的服務(wù)。即便現(xiàn)在比較流行的無線鼠標(biāo)也存在一定弊端，雖然能擺脫有線鼠標(biāo)移動范圍的束縛，但是離開感應(yīng)底板還是不能方便操縱。更遠(yuǎn)的使用距離在早期并不被重視，隨著電腦的多元化發(fā)展，更多的人意識到電腦的別樣功能，電腦的使用距離也成為眾多用戶關(guān)注的一個點(diǎn)。隨著大批優(yōu)秀多媒體課件的涌現(xiàn)以及大量教學(xué)軟件的開發(fā)，利用多媒體教室開展教學(xué)越來越受到人們的重視。但是，人們在肯定多媒體教室教學(xué)作用的同時，也注意到它的一個重要缺陷：教師在講課時往往被禁錮在計算機(jī)前，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式受到教學(xué)軟件和設(shè)備的制約。

設(shè)計的主要工作。本項(xiàng)目主要分為接受和發(fā)送兩部分，發(fā)射部分采用MPU6050芯片、STM32芯片負(fù)責(zé)手部姿態(tài)解算，通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端，接收端向電腦發(fā)送操作指令功能，負(fù)責(zé)與電腦的USB進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)使用者對電腦的各種操作。

二、多功能翻頁筆的設(shè)計方案

2.1多功能翻頁筆的主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)手勢動作變化，鼠標(biāo)光標(biāo)與激光筆位置同步；實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)左右按鍵、翻頁功能。

2.2結(jié)構(gòu)框圖

2.3方案設(shè)計

本項(xiàng)目設(shè)計了一種適用于教學(xué)的紅外無線鼠標(biāo)，主要由發(fā)射模塊、接收模塊、濾波電路、解調(diào)電路和控制電路組成，其中，控制芯片為STM32芯片，發(fā)射模塊和接收模塊之間通過紅外發(fā)射和接收模塊實(shí)現(xiàn)兩者之間的無線通信，發(fā)射模塊集成在手持端，接收模塊通過USB接口與PC終端相連，最終由控制芯片和接收端的USB驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)無線鼠標(biāo)的控制功能。如圖1所示，發(fā)射模塊主要由角度傳感器MPU6050、兩個基本功能、STM32芯片、紅外發(fā)射模塊組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)對手勢動作趨勢信息的采集和發(fā)送。其中MPU6050用于檢測使用時6軸坐標(biāo)的變化，通過感知使用者的動作并就動作定義為特殊指令，最后由控制芯片對坐標(biāo)變化趨勢進(jìn)行分析，完成對鼠標(biāo)移動軌跡的模擬。如圖2所示，接受模塊主要由紅外接收模塊、濾波電路、解調(diào)電路、STM32芯片、USB接口組成，主要功能是等待捕捉發(fā)送端的信號并進(jìn)行處理。接收端在接收信號成功后通過對坐標(biāo)變化，進(jìn)行算法處理時，需用對動作過程中誤差較大的坐標(biāo)進(jìn)行濾波，簡化鼠標(biāo)的移動方向，并通過手勢匹配的方式，正確反映鼠標(biāo)的運(yùn)動趨勢，從而更好地完成對手勢運(yùn)動趨勢的分析和處理，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的空中準(zhǔn)確定位。

在動作感應(yīng)模塊方面，采用三維角度傳感MPU6050模塊。MPU6050模塊抗感染能力強(qiáng)，測量精度高，可以兼容3.3V/5V的嵌入式系統(tǒng)，連接方便，穩(wěn)定性極高，MPU6050模塊通過處理器讀取測量數(shù)據(jù)然后通過串口輸出。通過紅外發(fā)射器把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，再由接收端對信號進(jìn)行濾波，解調(diào)和手勢算法處理，最后將不同的動作定義為特殊的功能，如實(shí)現(xiàn)教學(xué)演講時PPT、Word以及其它電子文檔等的上翻下翻、前進(jìn)、返回、切換窗口，拖拉、選擇、復(fù)制、粘貼等無線鼠標(biāo)功能。

2.3.1 STM32芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及芯片

2.3.2 MPU6050電路

軸向說明：

如上圖所示，模塊的軸向在上圖的右上角標(biāo)示出來，向右為X軸，向上位Y軸，垂直與紙面向外為Z軸。旋轉(zhuǎn)的方向按右手法則定義，即右手大拇指指向軸向，四指彎曲的方向即為繞該軸旋轉(zhuǎn)的方向。

單元電路的簡述

本設(shè)計使用了芯片STM32F030C8T6，引腳1（ VDD）接3.3V供電，2～4引腳（ PC13～PC15）接D4、D5、D6小燈，作信號燈。

MPU6050芯片經(jīng)過必要的外圍電路后，將翻頁筆運(yùn)動的信息轉(zhuǎn)化為電信號通過INT引腳傳輸給STM32芯片（以下簡述為芯片）的第35引腳（PF6）。

發(fā)射端晶振選為8M，經(jīng)兩個電容濾波后，輸入芯片5、6引腳。

信號發(fā)生/接收都選用了NRF24L01芯片，LDO電壓穩(wěn)壓器選用SPX3819芯片穩(wěn)壓，使用TP4056芯片為電池充電。

信號接收電路原理與發(fā)射大同小異，不再贅述。