吳富民+劉凡齊

【摘要】 鼠標(biāo)的出現(xiàn)是人機交互領(lǐng)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(biāo)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(shù)，將這項技術(shù)應(yīng)用于鼠標(biāo)，研究并設(shè)計一款基于MEMS技術(shù)的無線空中鼠標(biāo)，實現(xiàn)無線空中鼠標(biāo)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(gòu)建整個無線空中鼠標(biāo)系統(tǒng)。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、測試準確的特點，達到了設(shè)計要求。

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

鼠標(biāo)的出現(xiàn)是人機交互領(lǐng)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(biāo)的發(fā)展經(jīng)歷了機械、光電及當(dāng)前廣泛運用的光學(xué)鼠標(biāo)，這些鼠標(biāo)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(biāo)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(shù)的無線鼠標(biāo)均有一定的研究。美國密歇根大學(xué)很早就已經(jīng)將雙軸加速度計應(yīng)用到鼠標(biāo)的領(lǐng)域，但是基于MEMS無線鼠標(biāo)設(shè)計大部分都是測量位移特性控制鼠標(biāo)移動。2002年，香港中文大學(xué)設(shè)計了一個基于微加速度傳感器鼠標(biāo)系統(tǒng)；2003年，英國伯明翰大學(xué)設(shè)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(biāo)。現(xiàn)在許多國內(nèi)外高校也相繼提出一系列基于MEMS技術(shù)的無線鼠標(biāo)研究。

一、需求分析

空中鼠標(biāo)是一種輸入設(shè)備，像傳統(tǒng)鼠標(biāo)一樣操作屏幕光標(biāo)，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。基于MEMS技術(shù)的無線空中鼠標(biāo)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(shè)備，無線空中鼠標(biāo)不需要借助任何平面，就可以直接在空間中實現(xiàn)鼠標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)姿態(tài)信息的最優(yōu)估計值，增強了鼠標(biāo)適應(yīng)實際應(yīng)用環(huán)境的能力，并且提高了鼠標(biāo)的精度，同時具有較高的平滑性，實用性強。

二、總體設(shè)計

無線空中鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，先利用手持端AD芯片采集相關(guān)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(guān)控制信號。

三、硬件設(shè)計

3.1主控設(shè)計

本設(shè)計硬件主控設(shè)備采用深聯(lián)華單片機作為主控芯片，USB 接口芯片為設(shè)備與電腦的通信媒介，2.4GHZ 通信模塊作為主控設(shè)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(biāo)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(yīng)模塊作為空中鼠標(biāo)的信號采集裝置， 2.4GHZ 通信模塊作為遙控器與主控設(shè)備的通信手段。 電路板與主控設(shè)備采用一樣的標(biāo)準。

3.2電源設(shè)計

本設(shè)計中電腦端設(shè)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(shè)計

本設(shè)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(shè)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(guān)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(biāo)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(biāo)指針的控制信號，再運用技術(shù)成熟的NRF24L01無線傳輸技術(shù)將處理了的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到電腦端。

五、應(yīng)用

本設(shè)計主要應(yīng)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(biāo)在使用時必須將鼠標(biāo)放在桌面上，不能離開桌面。使用遙控器時都習(xí)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(biāo)不符合客廳中用戶對大屏幕電視的操作習(xí)慣。采用NRF24L01無線通訊系統(tǒng)的無線空中鼠標(biāo)，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(biāo)，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(yīng)用。輕松方便，給用戶一種全新的享受。

技術(shù)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(biāo)一樣，帶給人們的不僅僅是技術(shù)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(jié)論

本設(shè)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(shè)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(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護性。該設(shè)計已初步測試用于本校多媒體教學(xué)，實際應(yīng)用表明該設(shè)計具有測試準確、穩(wěn)定可靠、操作簡單等特點，達到了設(shè)計要求。