基于加速度計(jì)的無線鼠標(biāo)畢業(yè)論文

基于加速度計(jì)的無線鼠標(biāo)學(xué)院：機(jī)械與電氣工程專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化摘要本設(shè)計(jì)針對傳統(tǒng)鼠標(biāo)只能在桌面上使用的不足，設(shè)計(jì)出一種基于微加速度計(jì)的無線鼠標(biāo)，它不僅具有教學(xué)激光筆上下翻頁的功能，而且能在空中依靠鼠標(biāo)的偏轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)電腦桌面光標(biāo)的移動(dòng)、鼠標(biāo)點(diǎn)擊的功能，本設(shè)計(jì)以微加速度計(jì)ADXL345作為信號檢測元件，并采用低功耗低成本微控制器STC15L2K60S2和RF芯片nRF24L01進(jìn)行信息處理與無線傳輸，通過HT82M98A處理后將信息傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成相應(yīng)動(dòng)作。關(guān)鍵詞：微加速度計(jì)；無線鼠標(biāo)；低功耗目錄1.1總體結(jié)構(gòu)框圖 -10-一、總體方案設(shè)計(jì)1.1總體結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)主要由無線鼠標(biāo)發(fā)射器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)接收器和接收系統(tǒng)識別組成。按鍵單元按鍵單元無線發(fā)射微加速度計(jì)單片機(jī)震動(dòng)開關(guān)(a)遠(yuǎn)端控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖PCPC機(jī)無線接收單片機(jī)(b)主機(jī)端信號接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖1-1系統(tǒng)框圖1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（a）遠(yuǎn)端控制子系統(tǒng)程序流程遠(yuǎn)端控制用微加速度計(jì)獲取鼠標(biāo)的移動(dòng)信息，每隔5ｍｓ掃描一次。圖1-2遠(yuǎn)端控制子系統(tǒng)程序流程圖（b）主機(jī)端信號接收系統(tǒng)程序流程接收電路的主要任務(wù)是接收無線鼠標(biāo)傳送的各種數(shù)據(jù)。接收程序中一次循環(huán)所需的時(shí)間大約為2.5ms。必須確保在下一個(gè)數(shù)據(jù)包傳來之前，完成全部算法及相應(yīng)處理工作。同時(shí)也避免新收到的數(shù)據(jù)包覆蓋前一個(gè)數(shù)據(jù)包。圖1-3主機(jī)端信號接收系統(tǒng)程序流程圖1.3方案比較1.3.1控制器的選擇方案一：采用STC89C52.該單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用.但是51單片內(nèi)部資源有限，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程帶來不便。且影響系統(tǒng)控制等各個(gè)環(huán)節(jié)，不便于實(shí)時(shí)調(diào)控。方案二：采用STC15F2K60S2.該單片機(jī)包含了89C52的優(yōu)點(diǎn),且具有89C52所不具備的一些性能，可不接外部晶振和外部復(fù)位電路，使硬件設(shè)計(jì)更簡單；大容量2K字節(jié)SRAM；有兩個(gè)獨(dú)立串口；內(nèi)部有8通道高速10位A/D轉(zhuǎn)換器,還具有PWM輸出；總的來說，STC15F2K60S2是一種高速，高可靠性，超低功耗的性能更好的單片機(jī)。綜合以上二種方案，選擇方案二。1.3.2微加速度計(jì)選擇方案一：采用Freescale公司生產(chǎn)的MMA7455L數(shù)字輸出(IIC/SPI)微電容調(diào)節(jié)式加速度感應(yīng)芯片［1］。MMA7455L具有X、Y、Z三個(gè)方向的感應(yīng)軸，X、Y、Z三個(gè)方向上在工作時(shí)的參數(shù)是不斷變化的，代表這一瞬間該芯片在不同方向上移動(dòng)的趨勢，這三個(gè)參數(shù)通過簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算可以得到一個(gè)空間向量A，向量A即模擬出了該瞬間芯片在三維真實(shí)空間的移動(dòng)方向，這樣，通過不斷地采集X、Y、Z的數(shù)值，就可以得到鼠標(biāo)移動(dòng)的真實(shí)軌跡。方案二：采用ADXL345三軸數(shù)字加速度傳感器，ADXL345是ADI公司的三軸數(shù)字加速度傳感器，工作原理是首先由前端感應(yīng)器件感測加速度的大小，然后由感應(yīng)電信號器件轉(zhuǎn)為可識別的模擬電信號，ADXL345中集成了AD轉(zhuǎn)換器，可以將此模擬信號數(shù)字化，輸出的是16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼。最值得一提的它集成了一個(gè)32級先進(jìn)先出(FIFO)存儲器管理系統(tǒng)，可用于輸出數(shù)據(jù)的緩沖，降低主機(jī)處理器負(fù)荷，并降低整體系統(tǒng)功耗。該芯片主要應(yīng)用于消費(fèi)電子的微型慣性器件，最大可感知±16g的加速度,感應(yīng)精度可達(dá)3.9mg/LSB，傾角測量典型誤差小于1°,超低功耗。通過其內(nèi)置的ADC將加速度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存放在片內(nèi)緩沖區(qū)，在實(shí)際使用中，為提高輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,設(shè)置感應(yīng)范圍為±2g，感應(yīng)精度為3.9mg，可以滿足人體動(dòng)作加速度范圍與精度要求。ADXL345可以通過SPI總線或I2C總線與單片機(jī)連接，本產(chǎn)品選擇的單片機(jī)STC15F2K60S2I2C接口，但是可以采用I/O口模擬I2C總線或SPI總線接口的方法連接。綜合以上二種方案，方案二功耗更低，更容易實(shí)現(xiàn)，故選之。1.3.3無線模塊的選擇在幾種短距離無線通信的比較當(dāng)中,紅外方案有一定的方向性,而藍(lán)牙技術(shù)比較復(fù)雜,價(jià)格比較高,而無線射頻通信技術(shù)無論是從系統(tǒng)開銷，電池壽命還是成本方面都占有很大優(yōu)勢,同時(shí)它低傳輸速率的特點(diǎn),恰恰適合發(fā)送信息量非常小的無線鼠標(biāo)設(shè)計(jì)。nRF24L01無線射頻模塊是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4GHzISM頻段，最高工作速率達(dá)2Mbps,信號空中傳輸時(shí)間很短，極大降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象和電流消耗，該芯片融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，能自動(dòng)處理字頭和CRC效驗(yàn)碼，使用方便。該芯片功耗低,在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式），使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。二、單元模塊設(shè)計(jì)2.1電路的設(shè)計(jì)2.1.1遠(yuǎn)端控制子系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)遠(yuǎn)端控制子系統(tǒng)硬件部分主要由主控電路、微加速度計(jì)模塊電路和無線射頻模塊電路和按鍵部分電路等組成。（1）ADXL345可以通過SPI總線或I2C總線與單片機(jī)連接，我們采用單片機(jī)模塊STC15L2K60S2的I/O口模擬I2C總線接口的方法將ADXL345與單片機(jī)模塊連接起來，SDA連接單片機(jī)P4.3口,SCL連接單片機(jī)的P4.4口。其具體電路圖如圖2-1所示。圖2-1ADXL345模塊與單片機(jī)連接電路原理圖（2）NRF24L01的SPI接口可以利用單片機(jī)I/O口進(jìn)行模擬，內(nèi)部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機(jī)。如圖2-2，微控制器通過模擬SPI總線與nRF24L01連接，控制信號的接收與處理。圖2-2nRF24L01無線模塊與單片機(jī)連接電路原理圖（3）按鍵模塊主要考慮消抖的問題，我們這里采用軟件延時(shí)消抖，不過沒有采用在主程序中延時(shí)，這樣很浪費(fèi)系統(tǒng)資源，而是用定時(shí)器延時(shí)設(shè)置標(biāo)志變量的方法。按下按鍵將I/O口電平拉低，具體電路如圖2-3所示。圖2-3按鍵模塊電路原理圖2.1.2主機(jī)端信號接收系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)無線鼠標(biāo)信號接收電路由無線傳輸模塊nRF24L01、鼠標(biāo)專用通信芯片HT82M98A、USB端口及其他外圍電路組成。電路如圖2-4所示。圖2-4主機(jī)端信號接收系統(tǒng)電路原理圖其中，USB端口為HT82M98A提供5V的電源，無線鼠標(biāo)信號接收電路中，其他芯片使用的電源由HT82M98A自帶的電壓輸出端口V33O提供，供電電壓為3.3V。無線傳輸模塊接收到發(fā)射模塊傳來的移動(dòng)信息后由I/O口傳遞到HT82M98A，HT82M98A再將數(shù)據(jù)傳送到電腦的USB口。HT82M98A的端口USBD+/CLK連接USB數(shù)據(jù)正端；USBD-/DATA連接USB數(shù)據(jù)負(fù)端。X1、X2表示鼠標(biāo)前后移動(dòng)時(shí)(X方向）圖像的數(shù)據(jù)；Y1、Y2表示鼠標(biāo)左右移動(dòng)時(shí)(Y方向）圖像的數(shù)據(jù)。Z1、Z2表示鼠標(biāo)中間滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)的信號數(shù)據(jù)；M、R、L表示鼠標(biāo)的左、中、右鍵按下時(shí)的數(shù)據(jù)；OSC1、OSC2外接6MHz晶振；RESET表示復(fù)位輸入端，啟動(dòng)時(shí)硬件自動(dòng)復(fù)位。2.2軟件的設(shè)計(jì)2.2.1ADXL345微加速度計(jì)模塊程序設(shè)計(jì)微加速度計(jì)ADXL345與微處理器之間通過I2C總線連接，它們之間的數(shù)據(jù)傳輸需要遵循I2C總線協(xié)議，寄存器0x32至寄存器0x37分別保存x、y、z軸輸出數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)為二進(jìn)制補(bǔ)碼，DATAx0為最低有效字節(jié)，DATAx1為最高有效字節(jié)，其中x代表X、Y或Z。因?yàn)锳DXL345為16位數(shù)據(jù)格式，從數(shù)據(jù)寄存器中獲取加速度數(shù)據(jù)后，用戶必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。我們利用接口函數(shù)Multiple_read_ADXL345（）多字節(jié)連續(xù)讀取寄存器的數(shù)據(jù)，然后將高字節(jié)左移8位和低字節(jié)8位相或的方法對數(shù)據(jù)重建,且對我們來說，只需X和Z方向的加速度數(shù)據(jù)即可，程序如下：floattemp;dis_data=(BUF[3]<<8)+BUF[2];//合成數(shù)據(jù)if(dis_data<0)dis_data=-dis_data;temp=(float)dis_data*3.9;//計(jì)算數(shù)據(jù)value_y=temp;2.2.2HT82M98A鼠標(biāo)控制器程序設(shè)計(jì)HT82M98A的Z2、Z1、Y2、Y1、X2、X1分別與單片機(jī)的I/O口相連，這6個(gè)I/O口輸出高低電平狀態(tài)使鼠標(biāo)的光標(biāo)移動(dòng)，這些移動(dòng)的序列構(gòu)成一個(gè)狀態(tài)機(jī)，向X1、X2輸出圖2-5的波形時(shí)可以得到如下信息：圖2-4X1/X2的狀態(tài)機(jī)輸入在Ｃ語言程序中用positivea和positiveb代表上面的波形。當(dāng)循環(huán)向HT82M98A的X1、X2引腳輸出這組波形時(shí)，光標(biāo)右移。假設(shè)獲取X的移動(dòng)值為50，則光標(biāo)需要移動(dòng)50個(gè)單位長度，移動(dòng)過程如下：Initialise_state(void)函數(shù)用于初始化狀態(tài)機(jī)：Shifxa=positivea;//204Shifxb=positiveb;//102Shift=0;判斷這兩個(gè)變量的最高位，為1則輸出為高，為0則輸出為低。判斷1次代表移動(dòng)一個(gè)像素，然后X的值減1；Shifxa和Shifxb向左移一位，用于檢測下一個(gè)狀態(tài)值，Shifxa加1代表向左移了1位，為8意味著Shifxa向左移了8位。此時(shí)Shifxa=0需要重新賦值并進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。2.2.3nRF24L01無線模塊程序設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)送方將按照無線通信協(xié)議封裝后的數(shù)據(jù)存入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列，啟動(dòng)發(fā)送，發(fā)送完成后，發(fā)送方自動(dòng)轉(zhuǎn)入接收模式，準(zhǔn)備接收應(yīng)答信號。若在設(shè)定的等待時(shí)間內(nèi)，接收到應(yīng)答信號則視為發(fā)送成功，則發(fā)送方自動(dòng)清空發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列，進(jìn)入下一次發(fā)送過程或轉(zhuǎn)入待機(jī)模式；若在設(shè)定的等待時(shí)間內(nèi)，沒有接收到應(yīng)答信號，則視為發(fā)送失敗，發(fā)送方將自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)自動(dòng)重發(fā)次數(shù)超過設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生中斷。接收方不斷檢測射頻信號，發(fā)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)包時(shí)，便將其存入接收數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列，并產(chǎn)生中斷，接收完成后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)送模式，發(fā)送應(yīng)答信號。三、系統(tǒng)調(diào)試本設(shè)計(jì)的硬件電路由發(fā)射和接收電路組成，其中接收電路安裝在電腦附近，由電腦USB接口提供5V電源。發(fā)射電路先采用ADXL345加速度傳感器檢測鼠標(biāo)的移動(dòng)信息，然后輸出到單片機(jī)I/O口，經(jīng)無線模塊將此信息發(fā)射到接收電路。接收電路接收到移動(dòng)信息后，根據(jù)鼠標(biāo)位移狀態(tài)機(jī)解碼算法，得到移動(dòng)信息及按鍵信息，通過HT81M98A處理后將信息傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成相應(yīng)動(dòng)作。然后不斷的循環(huán)。每一次鼠標(biāo)信號處理總時(shí)間不大于1ｍｓ，計(jì)算機(jī)自動(dòng)識別無線鼠標(biāo)，不需要額外安裝程序，無線鼠標(biāo)移動(dòng)靈活。經(jīng)測試，該電路不僅具備普通有線鼠標(biāo)的全部功能，還可遠(yuǎn)距離靈活操縱鼠標(biāo)。四、設(shè)計(jì)總結(jié)此次的設(shè)計(jì)，其實(shí)也是我們所學(xué)知識的一次綜合運(yùn)用，讓我深深的認(rèn)識到了做電子設(shè)計(jì)要有一定的基礎(chǔ)，要有電子技術(shù)方面的數(shù)字電路和模擬電路等方面的理論基礎(chǔ)，特別是數(shù)字電路；也要有編程語言的匯編語言或C語言。我們不能學(xué)到后面就忘了前面的知識，更應(yīng)該將所學(xué)的知識緊緊的結(jié)合在一起，綜合運(yùn)用，所謂設(shè)計(jì)，就是要求創(chuàng)新，只有將知識綜合運(yùn)用起來才能真正的設(shè)計(jì)好。

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