基于STM32的多功能空中鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

曾澤良 唐盈輝 賴英杰 歐錄富

摘要：在傳統(tǒng)的人機(jī)交互中，一般用鼠標(biāo)、鍵盤、遙控器或操縱桿等設(shè)備，將用戶的控制指令發(fā)送給相應(yīng)的控制終端。隨著多媒體智能設(shè)備的發(fā)展，平板電腦、筆記本、智能電視機(jī)、大屏幕設(shè)備、智能游戲機(jī)等各種產(chǎn)品對(duì)交互的方式各有要求，傳統(tǒng)的交互設(shè)備已經(jīng)不能滿足移動(dòng)辦公、移動(dòng)娛樂、和生活對(duì)三維空間操縱的需要。文章基于STM32設(shè)計(jì)一種多功能空中鼠標(biāo)，在空中操作即可實(shí)現(xiàn)普通光電鼠標(biāo)的功能，多種輸入方式，使用方便。

關(guān)鍵詞：STM32；空中鼠標(biāo)；輸入方式

傳統(tǒng)的鼠標(biāo)按其工作原理及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及電路原理的差異可以分為機(jī)械式、光機(jī)式和光電式等。

機(jī)械式鼠標(biāo)和光機(jī)式鼠標(biāo)器都屬于滾輪鼠標(biāo)，在多年以前隨著光電鼠標(biāo)的發(fā)展，滾輪鼠標(biāo)由于其結(jié)構(gòu)缺陷、精度低、滾輪易受污染等原因，逐漸被用戶所淘汰。

光電鼠標(biāo)器是基于光電信號(hào)，來檢測鼠標(biāo)的位移，將鼠標(biāo)的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，再通過芯片進(jìn)行程序處理，以USB或PS/2方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上，電腦根據(jù)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位為屏幕上的光標(biāo)移動(dòng)命令，以此來控制屏幕上的光標(biāo)箭頭的移動(dòng)。

近年來，隨著多媒體智能終端的發(fā)展，對(duì)人機(jī)交互的方式要求越來越高，輸入方式越來越多種，在一些應(yīng)用場合，普通鼠標(biāo)已不能滿足輸入要求，從而產(chǎn)生了空中鼠標(biāo)的概念，相關(guān)的產(chǎn)品也層出不窮[1]，本文就此基于STM32設(shè)計(jì)一種具有多種輸入方式的多功能空中鼠標(biāo)。

1 方案設(shè)計(jì)

光電鼠標(biāo)的工作原理限制了其只適用于平面操作，而無法在三維空間中進(jìn)行立體操作。不同于光電鼠標(biāo)基于光電信號(hào)的位移監(jiān)測原理，本設(shè)計(jì)通過MPU6050傳感器來檢測鼠標(biāo)的角速度、加速度變化，計(jì)算出鼠標(biāo)的空間坐標(biāo)動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而控制屏幕上光標(biāo)的移動(dòng)。MPU6050為6軸傳感器，在電腦屏幕上鼠標(biāo)指針的移動(dòng)是二維平面，即上下方向和左右方向，所以在普通的應(yīng)用中，只需讀取鼠標(biāo)在X軸和Z軸上的位移變化即可，但在一些特殊應(yīng)用上，如三維設(shè)計(jì)時(shí)，多維度的傳感器可以使操作更便捷和直觀。而對(duì)于不適合立體操作的場合，本文設(shè)計(jì)了搖桿電位器輸入方式，在使用時(shí)，在前后或左右兩個(gè)維度上推動(dòng)搖桿時(shí)，搖桿電位器的輸出電壓會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，單片機(jī)通過讀取電位器的電壓輸出，通過AD轉(zhuǎn)化，將電壓的變化轉(zhuǎn)換為光標(biāo)的位移量。OLED顯示屏用于顯示相應(yīng)的操作、操作記錄，以及相應(yīng)的操作說明[2]。

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框如圖1所示。

圖1基于STM32的多功能空中鼠標(biāo)系統(tǒng)框

2 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，據(jù)本系統(tǒng)的工作原理，硬件部分主要有MPU6050模塊、無線模塊、STM32最小系統(tǒng)電路、充電電路、穩(wěn)壓電路、OLED和鋰電池等。

從圖1可知，本設(shè)計(jì)硬件電路的重點(diǎn)在于輸入部分，包括MPU6050、搖桿電位器和按鍵。

MPU6050是一種用途非常廣泛的6軸姿態(tài)傳感器芯片，模塊在電路硬件上接口為IIC方式，因此在設(shè)計(jì)與STM32硬件電路的連接時(shí)，可以連接到STM32的IIC總線引腳上，其驅(qū)動(dòng)程序通過單片機(jī)內(nèi)部的IIC實(shí)現(xiàn)。其驅(qū)動(dòng)程序的編寫可根據(jù)其時(shí)序圖來實(shí)現(xiàn)[3]。

搖桿電位器是一種常見于操縱桿、手柄等設(shè)備上的傳感器。因搖桿電位器為模擬輸出，STM32通過AD讀取其模擬輸出，需要注意的是搖桿電位器需要采用精度較高、溫漂小的，且在電路上對(duì)AD的參考電壓也要求較高，電壓紋波在成本范圍內(nèi)盡量小。

按鍵電路包括基本功能按鍵，即左鍵、右鍵、確認(rèn)鍵和姿態(tài)模式開啟按鍵，為了適應(yīng)多媒體應(yīng)用場合，本設(shè)計(jì)增加了擴(kuò)展按鍵，包括音量增加鍵、音量減小鍵、全屏播放鍵、返回鍵等。

對(duì)于傳輸部分，本設(shè)計(jì)的無線模塊可采用NRF2401模塊。NRF2401模塊為SPI方式，通過SPI接口與STM32單片機(jī)連接，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序也采用單片機(jī)內(nèi)部SPI實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)電路如圖2所示，包含手持端和接收端兩部分，MCU采用STM32F103C8T6。手持端為電池供電，充電采用TP4056電池管理模塊，穩(wěn)壓電路采用LDO方式。接收端通過USB供電及向PC端發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 程序設(shè)計(jì)

程序的設(shè)計(jì)分為手持端和接收端。手持端通過讀取按鍵、MPU6050、搖桿電位器的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制命令，通過NRF2401發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端通過NRF2401接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過USB發(fā)送到PC。

手持端的程序主要包括按鍵讀取函數(shù)、MPU6050的IIC驅(qū)動(dòng)函數(shù)、搖桿電位器的AD轉(zhuǎn)換函數(shù)、NRF2401的SP頭動(dòng)函數(shù)、顯示屏的驅(qū)動(dòng)函數(shù)以及數(shù)據(jù)處理函數(shù)。

接收端的程序主要包括RF2401的SPI驅(qū)動(dòng)函數(shù)、USB-HID協(xié)議函數(shù)和數(shù)據(jù)處理函數(shù)。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的空中鼠標(biāo)硬件電路部分較為簡單，MPU6050和搖桿電位器的結(jié)合，使得本設(shè)計(jì)在平面操作和立體操作上都極為簡單。整體來說，本設(shè)計(jì)整合了平面操作和立體操作，通過MPU6050、搖桿電位器和按鍵進(jìn)行光標(biāo)的位移控制、左右鍵功能和多媒體控制功能，既可以滿足一般的應(yīng)用場合，在一些特殊場合如戶外、工作現(xiàn)場和移動(dòng)式等環(huán)境下，也具有普通鼠標(biāo)不具備的優(yōu)勢。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳建新，卜翔，王榮，等.基于MEMS加速度的三維無線鼠標(biāo)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線互聯(lián)科技，2011（8）： 22-25.

[2]滕飛，胡湘娟，陽泳.基于STM32F103的空中鼠標(biāo)設(shè)計(jì)與論述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（34）： 40.

[3]張冬忙，鄧忠平，趙寶龍，等.一種應(yīng)用于空中鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)校正方法[J].廣播電視信息，2013（6）：54-57.