东北石油大学本科生毕业设计（论文）无线加速度手套式鼠标系统设计(东北石油大学优秀毕业设计创新杯论文)东北石油大学 电子科学学院 电子071班 孙刚2011年06月20日摘 要针对传统鼠标定位必须依靠其所在工作平面的特点，以STM32主控制器为依托，提出并开发了一种利用MEMS微加速度传感器作为检测器件，用蓝牙进行无线传输动作信息的手套式鼠标系统。利用加速度传感器MMA7260测量重力加速度的特性，提出了一种优化的分级倾角姿势算法，控制光标移动；利用加速度传感器MXC6202对静态及动态加速度的测量，提出了一种动态、静态加速度相结合的检测算法，对手指敲击动作进行检测；并对手套式鼠标系统由平面转向三维空间的自由灵活性等进行了实测。测试结果表明，软件算法与硬件设计能够满足鼠标正常工作的应用要求，并且手套式鼠标系统能以不依赖平面的方式在三维空间中自由控制。关键词：手套式鼠标；加速度计；MEMS；倾角姿势算法AbstractAs the traditional mouse must rely on the working plane, we proposed and developed a glove mouse movement system,which use MEMS as detection device,and transmit information with Bluetooth .We proposed a hierarchical optimization algorithm inclination position, which take advantage of the gravity features of MMA7260 accelerometer to control the curso,and presents a dynamic, combined static acceleration test algorithms to detect the movement of the finger tapping,which take advantage of the features of MXC6202 accelerometer .In addition , the flexibility of the glove-mouse system were measured in three-dimensional space.The results show that the software algorithm and the hardware design can meet the application requirements of the normal work, and the glove mouse movement system can be controled in the way of space free operation without smooth plane.Key words: Gloves mouse；accelerometer；MEMS；Angle position algorithm目 录第1章 概 述11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外研究情况11.3 手套式鼠标系统主要研究内容2第2章 微加速度传感器介绍32.1 手套式鼠标系统的设计思想32.2 MEMS加速度传感器介绍4第3章 硬件设计73.1 手套部分设计73.2 主机部分设计183.3 本章小结21第4章 软件设计224.1 光标移动算法224.2 按键敲击算法234.3 HID协议软件实现254.4 本章小结27第5章 系统测试285.1 测试方法285.2 测试结果285.3 测试结果及分析295.4 本章小结29结论30参考文献31致 谢324第1章 概 述1.1 课题研究的背景及意义随着信息技术的飞速发展，计算机已经成为人们日常工作、学习必不可少的工具。其中，鼠标作为计算机最重要的外设之一，它能控制计算机屏幕的光标移动，代替了键盘的某些繁琐的指令，使计算机的操作更加简便。鼠标从出现至今，经历了机械式鼠标、光电机械式鼠标和光电式鼠标三个阶段。目前，我们普遍应用的光电鼠标，是利用光线在鼠标所在平面的反射数据采集，来确定鼠标移动的方向及数值，继而完成光标在屏幕上的移动。即使是现在流行的无线鼠标，也仍然不能摆脱对平面的限制，并且鼠标对工作所在平面有着比较高的要求。平面的光洁度及反光度等对鼠标的工作都有着较大的影响。这些影响，归根结底是因为鼠标定位方式对平面的依赖。因此，我们要探索鼠标发展的新阶段：MEMS手套式鼠标系统。它以MEMS加速度传感器为依托， 用一种可以摆脱对平面依赖的定位方式，进行一定距离的无线操作，来控制屏幕光标进行相应动作，以实现鼠标功能。由于手套式鼠标系统能够摆脱传统鼠标对光滑平面的依赖，在三维空间内由手势来自由控制电脑操作，这种智能化更高的三维人机交互方式极有可能替代现有的二维鼠标，引发一次新的“鼠标革命”。1.2 国内外研究情况目前，国内外对这种基于微加速度计的无线鼠标均有一定的研究。密歇根大学早就提出将双轴加速度计应用于鼠标的概念1。国外和港台地区有一些单位正在开展针对鼠标键盘等输入设备的研究,例如:香港中文大学Lam等人提出了一种基于微加速度传感器的虚拟键盘鼠标系统(MIDS)2 ，能同时具备鼠标和键盘的功能，但系统较复杂； Prince在他的专利中提出了一种输入设备的方案，用连在手指上的压力传感器来感测手指的动作，从而控制电脑输入3；英国伯明翰大学Humphreys等人研制了一种三维鼠标4，利用回转仪可以控制电脑屏幕上三维立体的旋转；在国内，这些方面的研究相对比较落后。1.3 手套式鼠标系统主要研究内容主要内容有：(1) MEMS加速度传感器的应用、原理及参数的选择。(2) 手套部分的各模块方案选择及设计，包括主控制器、加速度采集模块、无线模块以及电源模块的具体方案设计及相关知识的介绍。(3) 主机部分的各模块方案选择及设计。主要包括通信接口的选择、USB接口介绍以及HID协议相关介绍。(4) 软件算法的具体方案选择及设计。包括移动算法、敲击算法的实现以及倾角算法的优化，并对HID类设备协议进行相关介绍。(5) 通过相关仪器及方法对手套式鼠标系统进行相关测试及结果分析，对系统的可行性及存在的问题进行分析和探讨。第2章 微加速度传感器介绍2.1 手套式鼠标系统的设计思想系统由手套和主机两个部分组成：手套部分利用加速度传感器采集手掌及手指在空间的运动状态，编制程序，使用算法识别出鼠标有关操作信息，并通过无线方式发送出去。主机部分接收到手掌移动信息后，通过相关通信接口协议将动作信息转换成电脑光标相应的动作，从而实现可在三维空间自由控制的手套式无线鼠标的功能。手套部分及主机部分基本框图分别如图2-1、图2-2所示。图2-1手套部分框图图2-2主机部分框图2.2 MEMS加速度传感器介绍加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。 MEMS加速度传感器由硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成，具有尺寸小、重量轻、成本低、可靠性高、抗振动冲击能力强以及易批量生产等优点。 2.2.1 MEMS加速度传感器应用介绍加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析，鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动，以及测量牵引力产生的加速度。目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。2.2.2 MEMS加速度传感器工作原理线加速度计的原理是惯性原理，即力的平衡，A(加速度)=F(惯性力)/M(质量) 我们只需要测量F，用电磁力去平衡这个力，就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。2.2.3 MEMS加速度传感器参数选择(1) 输出模式在选择传感器时，最先考虑的应该是传感器是数字输出还是模拟输出。这取决于系统中和加速度传感器之间的接口。一般模拟输出的电压和加速度是成比例的，比如2.5V对应0g的加速度，2.6V对应于0.5g的加速度。数字输出一般使用脉宽调制（PWM）信号。如果使用的微控制器只有数字输入，那就只能选择数字输出的加速度传感器了，但是这时必须占用额外的一个时钟单元用来处理PWM信号，同时对处理器也是一个不小的负担。如果使用的微控制器有模拟输入口，比如PIC/AVR/PIC系列控制器，可以非常简单的使用模拟接口的加速度传感器，所需要的就是在程序里加入一句类似“acceleration=read_adc()”的指令，而且处理此指令的速度很快，一般只要几微秒。(2)测量轴数量加速度传感器一般可以分为两轴和三轴两种。对于多数项目来说，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。对于某些特殊的应用，三轴的加速度传感器可能会适合一点。(3)最大测量值如果只要测量机器人相对于地面的倾角，那一个1.5g加速度传感器就足够了。但是如果需要测量机器人的动态性能，则需要选择2g量程的传感器。要是机器人会有比如突然启动或者停止的情况出现，那么则需要一个5g的传感器。(4)灵敏度一般来说，越灵敏越好。越灵敏的传感器对一定范围内的加速度变化更敏感，输出电压的变化也越大，这样就比较容易测量，从而获得更精确的测量值。(5)带宽这里的带宽实际上指的是刷新率。也就是说每秒钟，传感器会产生多少次读数。对于一般只要测量倾角的应用，50HZ的带宽应该足够了，但是对于需要进行动态性能的测量，比如振动，那么则需要一个具有上百HZ带宽的传感器。(6)电阻/缓存机制对于有些微控制器来说，要进行A/D转化，其连接的传感器阻值必须小于10k。比如加速度传感器的阻值为32k，在PIC和AVR控制板上无法正常工作。第3章 硬件设计整个系统主要由手套和主机两个部分组成：(1)手套部分利用控制器控制加速度传感器采集手掌及手