基于電容式傳感器的手勢識別裝置

王俊程

（山東省臨沂市臨沭縣第一中學(xué)，山東 臨沂276799）

1 系統(tǒng)方案

人臉識別的門鎖、指紋識別的保險柜都已經(jīng)進入尋常百姓家，這些高科技的產(chǎn)品的原理是什么?怎么樣的技術(shù)才能實現(xiàn)？這些問題讓我思考，是否可以制作一個手勢識別的裝置，實現(xiàn)對剪刀石頭布、一二三四五手勢的識別，并實現(xiàn)對任意人員手勢信息的處理及識別。在科技老師的指導(dǎo)下，我設(shè)計的手勢識別系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、FDC2214 傳感芯片、電源模塊等組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1.1 主控制器件的論證與選擇

方案一：采用STC51 系列單片機

傳統(tǒng)的51 單片機為8 位機，價格便宜，控制簡單，但是運算速度慢，片內(nèi)資源少，存儲容量小，難以存儲大體積的程序和實現(xiàn)快速精準(zhǔn)的反應(yīng)控制。并且受時鐘限制，計時精度不高，外圍電路也增加了系統(tǒng)的不可靠性。

方案二：采用STM32F103ZET6 單片機

ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103ZET6 控制芯片，擁有11 個定時器，3 個ADC，13 個通信接口，多達(dá)112 個快速I/0 口，計時精度高，反應(yīng)速度快，價格中等，功耗低，操作也較為簡單，開發(fā)環(huán)境非常容易搭建。

通過比較，我選擇方案二，采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103ZET6 控制芯片。同時包含主控芯片在內(nèi)的控制系統(tǒng)包含了顯示、傳感器等模塊，能夠減少外圍電路的設(shè)計，降低系統(tǒng)設(shè)計的難度，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計。本作品使用ALIENTEK公司出品的精英開發(fā)板直接作為主控板。

1.2 傳感器的選擇

方案：采用FDC2214。FDC2214 是一個噪聲多通道系列，抗EMI，高分辨率，高速電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于實現(xiàn)電容式傳感解決方案。采用了提供創(chuàng)新的基于窄帶的架構(gòu)，可抑制噪聲和干擾，同時提供高速分辨率。器件支持寬激勵頻率范圍，為系統(tǒng)設(shè)計提供了靈活性。電容式傳感是一種低功耗，低成本，高分辨率的非接觸式傳感技術(shù)，可應(yīng)用于各種應(yīng)用，范圍從接近檢測和手勢識別到遠(yuǎn)程液位傳感。電容式傳感系統(tǒng)中的傳感器是任何金屬或?qū)w，允許低成本和高度靈活的系統(tǒng)設(shè)計。本作品設(shè)計的FDC2214 模塊板。

1.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇

基于FDC2214 實現(xiàn)手勢接近和判決的實驗中存在如下的特征：傳感平面的面積越大、手勢與傳感平面的距離越小，感應(yīng)的頻率變化越大，系統(tǒng)會越靈敏，但同時也可能引入越多的噪聲。

方案一：采用單金屬板進行信號采集。單金屬板信號采集雖然簡單，只需要使用FDC2214 芯片的一個通道，但對手掌這樣大小的金屬板來說，感應(yīng)頻率變化值大，系統(tǒng)過于靈敏，但采用單通道在使用時誤差較大，電容變化值過大，數(shù)據(jù)處理難度較大。

方案二：采用四個金屬板分布式進行信號采集。采集多傳感平面信號的原理是利用FDC2214 的多通道特性，每一個通道都有相同的外圍電路，所以每個通道的采樣特性是相同的。多傳感平面不僅有單傳感平面的所有優(yōu)點，而且能夠降低采集數(shù)據(jù)的誤差和干擾，數(shù)據(jù)處理難度降低。

2 系統(tǒng)理論分析與計算

2.1 FDC2214 電容值識別的分析

FDC2214 是基于LC 諧振電路原理的一個電容檢測傳感器。其基本原理如圖1 所示，在芯片每個檢測通道的輸入端連接一個電感和電容，組成LC 電路，被測電容傳感端（圖1 中灰色標(biāo)識部分即為被測電容）與LC 電路相連接，將產(chǎn)生一個振蕩頻率，根據(jù)該頻率值可計算出被測電容值。利用FDC2214 的工作原理可實現(xiàn)手勢接近和識別的功能，如上圖所示，黃色部分稱為“FDC2214 的傳感平面”，該平面為導(dǎo)體材質(zhì)，當(dāng)人手接近該導(dǎo)體傳感平面時，傳感端的電容發(fā)生了變化，這就會導(dǎo)致LC電路振蕩頻率的變化，從而反映出手勢接近，以及手勢的判定。

2.2 程序的設(shè)計

程序功能描述與設(shè)計思路:

2.2.1 程序功能描述

根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)手勢的識別和顯示:a.手勢識別：能將FDC2214 反饋的不同手勢的信號正確的表達(dá)出來。b.顯示部分：顯示不同的手勢，如：剪刀石頭布。

2.2.2 程序設(shè)計思路

使用迪文公司出品的工業(yè)串口屏(如右圖所示)作為顯示模塊，其特點是使用其專門的界面繪制工具進行界面編程，我將每個題目需求制作了若干張圖片，方便調(diào)試和演示。在MCU(STM32F103ZET6，以下簡稱MCU)的程序設(shè)計中，我將工業(yè)串口屏的串口接到了MCU 的串口三（TX:PB10,RX:PB11）,在每個界面上的按鈕樣式處安置觸摸反饋，作用是觸摸該按鈕時串口屏?xí)l(fā)送一個指令到串口，使MCU 能夠識別到測試人員觸摸到了相關(guān)位置能信息。

圖1 顯示面板

我使用TI 公司出品的FDC2214 芯片作為該作品的傳感核心部件，使用FDC2214，可以檢測到測試人員與傳感平面的交互信息。MCU 將FDC2214 通過IIC 傳輸來的數(shù)據(jù)進行分析：

1 判決模式：a.我將MCU 通過FDC2214 得到的數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波，對噪聲進行有效抑制，得到data1。b.將data_1（濾波后的數(shù)據(jù)）和data_0（通過訓(xùn)練或者默認(rèn)的數(shù)據(jù)）進行比對，如果data_1 在data_0 的+/- 5%的范圍內(nèi)，則認(rèn)定data_1 就是data_0所代表的手勢。c.將數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果進行反饋（傳輸?shù)酱谄粒?，讓測試人員得知測試結(jié)果。

2 訓(xùn)練模式

a.首先MCU 檢測當(dāng)前訓(xùn)練模式：訓(xùn)練模式分為劃拳訓(xùn)練和猜拳訓(xùn)練，劃拳訓(xùn)練又分為1、2、3、4、5 五個手勢，猜拳訓(xùn)練則分為剪刀、石頭、布三個手勢。測試人員將欲要訓(xùn)練的手勢在串口屏上進行選擇，選擇后的數(shù)據(jù)串口屏?xí)ㄟ^串口傳輸?shù)組CU上。

b.具體訓(xùn)練步驟:MCU 得到訓(xùn)練模式后，告知FDC2214 進行工作，開始采樣，如果采樣數(shù)據(jù)過小，說明測試人員并沒有開始進行收拾訓(xùn)練。一般情況下，MCU 會對每個手勢進行三次采樣，每次采樣采100 個值（濾波后），在進行去平均數(shù)并進行存儲，每一次采樣成功后MCU 會使能蜂鳴器，提醒測試人員采樣成功，三次采樣成功后，MCU 會通過串口與串口屏進行通信，告知串口屏采樣完成，并進行顯示。

3 測試方案與測試結(jié)果

3.1 測試方案

3.1.1 硬件測試

電路搭建，連接，焊接完成后，檢驗各元件，顯示器等的功能3.1.2 硬件軟件聯(lián)調(diào)

編寫軟件可以實現(xiàn)手勢的自動識別，能夠滿足題目的基本要求，驗證軟硬件的基本部分沒有問題，后續(xù)再進行算法的優(yōu)化，提升識別速度。

3.2 測試條件與儀器

測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。