手套式加速度鼠标系统设计东北石油大学创新杯毕业论文摘编孙刚.pdf

东北石油大学本科生毕业设计（论文） 手套式无线鼠标系统设计 专业：电子科学与技术学号：070901240125姓名：孙刚 指导教师：张勇 摘摘 要要 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，并且手套式无 线鼠标系统能以不依赖平面的方式在三维空间中自由控制。 关键字关键字：手套式鼠标；加速度计；MEMS；倾角姿势算法 Abstract As 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 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 一、概述 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。 二、系统硬件设计 1设计思路 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。 2设计方案 具体设计上，在手掌上安装一枚加速度传感器，用来检测手掌动作，从而控制光标移动；在食指和 中指分别安装一枚加速度传感器，用来检测手指动作，从而控制鼠标的单击、双击以及滚轮操作。 主控制器选择：由于系统涉及到比较复杂的算法，普通单片机较难实现，因此，主控制器选用 32 位的 STM32 单片机。 传感器选择： （1）光标移动传感器选择：MMA7260 （2）按键敲击传感器选择：MXC6202 通信接口选择：为了使系统更加人性化，通信接口选择 USB 接口。 加速度采集模块 加速度采集模块 加速度采集模块 电源模块 主 控 制 器 蓝 牙 模 块 图 1 手套部分框图 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 蓝 牙 模 块 主 控 制 器 PC 机 终 端 电源模块 图 2 主机部分框图 三、系统软件设计 1光标移动算法 在控制光标移动上，本系统采用的是一种优化的倾角姿势算法。具体实现上，以重力加速度对微 加速度计倾斜时两个探测轴的影响作为鼠标移动的判断。基本原理是，绕轴向旋转，然后将微加速度计 两轴的输出信号转化为控制屏幕光标移动的信号。 为了实现采集数据的准确性， 对三次采样的数值取平 均值处理；并且通过对采样的重力加速度使用分级量化的思想，来实现鼠标指针的精确定位。其左右移 动程序框图如图 3 所示，光标上下移动判断方法与之相同。 图3 光标移动算法框图 取平均值 采集三次数据 判断手掌动作 判断是否有动作 是 右倾大于 45 度 执行光标慢速 右移动作 执行光标慢速 左移动作 左倾大于 45 度左倾大于 60 度 执行光标快速 左移动作 右倾大于 60 度 执行光标快速 右移动作 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 2按键敲击算法 手套式鼠标中，我们提出了一种瞬间阈值法来对手指动作进行判断。具体实现上，我们在手背安 装一个加速度模块，作为手套鼠标系统光标移动判定的依据。为了减少系统所需传感器的数量，降低系 统成本，手套式鼠标系统在食指和中指分别安装一枚加速度传感器，通过对手指状态进行编码，作为按 键按下的判定依据。 当食指加速度模块相对手背传感器大于一定角度且具有一定速度时， 判断为左键按 下；当中指加速度模块相对手背传感器角度大于一定角度且具有一定速度时，判断为右键按下；当食指 和中指相对手背传感器角度都大于一定角度且都处于一定速度的运动状态时， 判断为滚轮操作。 其程序 框图如图 4 所示。 图 4 敲击算法框图 3USB 通信实现 HID （Human Interface Device） 人机接口设备类别是 Windows 最早支持的 USB 类别。 从 Windows98 操作系统开始，系统即为 HID 类设备提供了通用的驱动程序，只要按照 HID 设备类的规范编写设备的 固件程序，就能够让 Windows 系统自动识别设备。 为了省去复杂的驱动程序编写过程以及设备的智能化，本手套式鼠标系统即是将设备描述为 HID 类设备。 循环判断是否有手指按下 是 丢弃左键 速度是否 超过右键阈值 速度是否 超过滚轮阈值 判断手指动作 食指按下中指按下同时按下 左键 速度是否 超过左键阈值 丢弃 否 滚轮丢弃 否 是 是是 否 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 软件框图如图 5 所示。 图 5 软件框图 四、系统测试 1测试方法 (1)测试仪器及工具：笔记本电脑（含 USB 接口）、手套式鼠标系统一套、串口调试工具。 (2)测试方法：由于不同群体对本系统的适应性是不同的，因此，我们利用不同群体对手套式鼠标 系统进行多次测量，取综合后的结果分析。具体测试内容为敲击动作准确性测试。 2测试结果 是 HID 发送数据 USB 中断配置 USB 时钟配置 USB 初始化 MEMS 初始化 时钟配置 引脚配置 主函数 循环判断是否有动作发生 否 东北石油大学本科生毕业设计（论文） (1) 敲击动作测试结果如表 1 所示。 表 1 敲击动作测试结果 相应敲击动作实际按下次数（次）准确检测次数（次）误差(百分比) 左键单击1001000.0% 左键双击100982.0% 右键单击100991.0% 滚轮启用100964.0% 3结果分析 测试结果表明：手套式鼠标系统可以满足鼠标系统对稳定性及灵敏度的要求。 五、结论 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的手套式无线鼠标系统。 手套式无线鼠标系统的主要功能包含： （1）以手掌的姿势及动作控制鼠标光标移动，其移动速度是分级可调的。 （2）以手指的姿势及动作控制鼠标的左、右键的按下及滑轮滚动。 （3）克服了传统鼠标必须工作在平面上的缺陷，使鼠标能在三维空间内自由操作。 （4）可以进一步集成其他类型的传感器，并通过外形和附加功能设计，开发使用于更多领域和场合 的输入和控制设备。例如，供残疾人使用的头戴式鼠标、供大屏幕演讲时使用的遥控式鼠标、机器人动 作控制器等等。 如果在算法上进行优化，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” 。 参考文献 1 Seongbae Lee, Gi-Joon Nam, Junseok Chae, et al. Two-dimensional position detection system with MEMS acce