吳富民+劉凡齊

【摘要】 鼠標的出現(xiàn)是人機交互領域一個重大突破，為了快捷便利地操作計算機，擺脫傳統(tǒng)鼠標的操作都離不開以桌面為使用的限制。提出了運用先進的MEMS傳感器技術，將這項技術應用于鼠標，研究并設計一款基于MEMS技術的無線空中鼠標，實現(xiàn)無線空中鼠標的小型智能化，并具有高定位精度和平滑性。通過采用加速度傳感器、陀螺儀、STM32微處理器、無線收發(fā)模塊和USB接口來構建整個無線空中鼠標系統(tǒng)。實際應用表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、測試準確的特點，達到了設計要求。

【關鍵詞】 空中無線鼠標 MEMS傳感器 智能化 STM32微處理器 無線收發(fā)模塊

鼠標的出現(xiàn)是人機交互領域一個重大突破，它為計算機的操作提供了快捷便利的條件。鼠標的發(fā)展經(jīng)歷了機械、光電及當前廣泛運用的光學鼠標，這些鼠標的操作都離不開以桌面為使用的限制。然而，在很多苛刻的環(huán)境下無法提供桌面時，傳統(tǒng)鼠標的使用就會受到極大的局限性。目前，國內(nèi)外對這種基于MEMS技術的無線鼠標均有一定的研究。美國密歇根大學很早就已經(jīng)將雙軸加速度計應用到鼠標的領域，但是基于MEMS無線鼠標設計大部分都是測量位移特性控制鼠標移動。2002年，香港中文大學設計了一個基于微加速度傳感器鼠標系統(tǒng)；2003年，英國伯明翰大學設計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?，F(xiàn)在許多國內(nèi)外高校也相繼提出一系列基于MEMS技術的無線鼠標研究。

一、需求分析

空中鼠標是一種輸入設備，像傳統(tǒng)鼠標一樣操作屏幕光標，但卻不需要放在任何平面上，在空中晃動就能直接使用，自由方便?；贛EMS技術的無線空中鼠標突破了必須在桌面上使用的限制，使用場合更廣泛。作為一種新的輸入設備，無線空中鼠標不需要借助任何平面，就可以直接在空間中實現(xiàn)鼠標的功能，操作簡單、體驗感強且功耗低。采用這種多傳感器信息融合的鼠標系統(tǒng)，相比于單一傳感器系統(tǒng)有著許多優(yōu)點，增加了系統(tǒng)的配置，提高了鼠標系統(tǒng)的容錯能力；各個傳感器之間能夠優(yōu)勢互補，從而得到鼠標姿態(tài)信息的最優(yōu)估計值，增強了鼠標適應實際應用環(huán)境的能力，并且提高了鼠標的精度，同時具有較高的平滑性，實用性強。

二、總體設計

無線空中鼠標結構圖如圖1所示，先利用手持端AD芯片采集相關信號再在單片機上對采集到的信號進行處理，再將處理完善的信號通過NRF24L01無線傳輸模塊傳送到電腦端經(jīng)另一個單片機轉(zhuǎn)碼處理，最后輸出相關控制信號。

三、硬件設計

3.1主控設計

本設計硬件主控設備采用深聯(lián)華單片機作為主控芯片，USB 接口芯片為設備與電腦的通信媒介，2.4GHZ 通信模塊作為主控設備與特制的遙控器通信手段。 另配有紅外線接收裝置， 用來和家用電器通信， 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。電路板采用標準的 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)華單片機作為主控芯片，靜態(tài)重力感應模塊作為空中鼠標的信號采集裝置， 2.4GHZ 通信模塊作為遙控器與主控設備的通信手段。 電路板與主控設備采用一樣的標準。

3.2電源設計

本設計中電腦端設備的電源是由電腦 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 ASM1117 穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為 5V 恒定電壓，給單片機、D12、RNF24 供電。AMS1117 能提供穩(wěn)定的電壓輸出，精度高達2%；其最高輸出電流可達到 1A。除此之外還具有限流功能，過熱切斷，工作溫度范圍寬的特點，可以很好地保護和穩(wěn)定整個電路。

四、軟件設計

本設計的軟件軟件分為三個主要部分

一是：數(shù)據(jù)采集。

二是：單片機通過USB 接口芯片與實現(xiàn)與電腦的通信。

三是：將不同的控制信號處理后發(fā)送給電腦或者家用電器。

在軟件設計中，數(shù)據(jù)采集主要用來檢測信號產(chǎn)生，利用實現(xiàn)對相關操作數(shù)據(jù)的采集；在信號采集過程中， 單片機控制 ADXL345 的采樣頻率、 傾斜程度來提高鼠標的靈敏度。 在單片機通過USB 接口芯片與實現(xiàn)與電腦的通信過程中先處理ADXL345 采集的信號， 通過特定適合的算法變換， 轉(zhuǎn)化成為控制鼠標指針的控制信號，再運用技術成熟的NRF24L01無線傳輸技術將處理了的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到電腦端。

五、應用

本設計主要應用于多媒體平臺和互聯(lián)網(wǎng)電視等需要精確控制，修改以及遠程控制的顯示平臺。一般的鼠標在使用時必須將鼠標放在桌面上，不能離開桌面。使用遙控器時都習慣于將遙控器直接指向屏幕，用很小的動作調(diào)整，而單純的鼠標不符合客廳中用戶對大屏幕電視的操作習慣。采用NRF24L01無線通訊系統(tǒng)的無線空中鼠標，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，極大改善用戶的使用體驗，使用戶在不改變遙控器使用方法的同時，更方便的操作各種應用。輕松方便，給用戶一種全新的享受。

技術改變生活，也許不久的將來，會有更多的人機操作方式大規(guī)模商用化，例如語音識別，手勢識別等等。和空中鼠標一樣，帶給人們的不僅僅是技術的創(chuàng)新，更多的是方便的體驗，讓我們的生活更加精彩。

六、結論

本設計采用具有高速處理數(shù)據(jù)能力的STM32為主控芯片，電源設計采用容量大、充電便捷的 4.7V 鋰電池。 再通過 ASM1117 穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為 5V 恒定電壓， 給單片機、RNF24L01無線傳輸模塊供電。除此之外還具有限流功能，過熱切斷，工作溫度范圍寬的特點，可以很好地保護和穩(wěn)定整個電路。軟件設計采用模塊化設計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護性。該設計已初步測試用于本校多媒體教學，實際應用表明該設計具有測試準確、穩(wěn)定可靠、操作簡單等特點，達到了設計要求。