基于加速度计的无线鼠标毕业论文

基于加速度计的无线鼠标学院：机械与电气工程专业：电气工程及其自动化摘要本设计针对传统鼠标只能在桌面上使用的不足，设计出一种基于微加速度计的无线鼠标，它不仅具有教学激光笔上下翻页的功能，而且能在空中依靠鼠标的偏转角度实现电脑桌面光标的移动、鼠标点击的功能，本设计以微加速度计ADXL345作为信号检测元件，并采用低功耗低成本微控制器STC15L2K60S2和RF芯片nRF24L01进行信息处理与无线传输，通过HT82M98A处理后将信息传给计算机，计算机自动完成相应动作。关键词：微加速度计；无线鼠标；低功耗目录1.1总体结构框图 -10-一、总体方案设计1.1总体结构框图本系统主要由无线鼠标发射器、单片机控制系统、无线鼠标接收器和接收系统识别组成。按键单元按键单元无线发射微加速度计单片机震动开关(a)远端控制子系统结构框图PCPC机无线接收单片机(b)主机端信号接收系统结构框图图1-1系统框图1.2系统软件设计（a）远端控制子系统程序流程远端控制用微加速度计获取鼠标的移动信息，每隔5ｍｓ扫描一次。图1-2远端控制子系统程序流程图（b）主机端信号接收系统程序流程接收电路的主要任务是接收无线鼠标传送的各种数据。接收程序中一次循环所需的时间大约为2.5ms。必须确保在下一个数据包传来之前，完成全部算法及相应处理工作。同时也避免新收到的数据包覆盖前一个数据包。图1-3主机端信号接收系统程序流程图1.3方案比较1.3.1控制器的选择方案一：采用STC89C52.该单片机软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟等优点，得到了广泛应用.但是51单片内部资源有限，给系统设计过程带来不便。且影响系统控制等各个环节，不便于实时调控。方案二：采用STC15F2K60S2.该单片机包含了89C52的优点,且具有89C52所不具备的一些性能，可不接外部晶振和外部复位电路，使硬件设计更简单；大容量2K字节SRAM；有两个独立串口；内部有8通道高速10位A/D转换器,还具有PWM输出；总的来说，STC15F2K60S2是一种高速，高可靠性，超低功耗的性能更好的单片机。综合以上二种方案，选择方案二。1.3.2微加速度计选择方案一：采用Freescale公司生产的MMA7455L数字输出(IIC/SPI)微电容调节式加速度感应芯片［1］。MMA7455L具有X、Y、Z三个方向的感应轴，X、Y、Z三个方向上在工作时的参数是不断变化的，代表这一瞬间该芯片在不同方向上移动的趋势，这三个参数通过简单的数学计算可以得到一个空间向量A，向量A即模拟出了该瞬间芯片在三维真实空间的移动方向，这样，通过不断地采集X、Y、Z的数值，就可以得到鼠标移动的真实轨迹。方案二：采用ADXL345三轴数字加速度传感器，ADXL345是ADI公司的三轴数字加速度传感器，工作原理是首先由前端感应器件感测加速度的大小，然后由感应电信号器件转为可识别的模拟电信号，ADXL345中集成了AD转换器，可以将此模拟信号数字化，输出的是16位的二进制补码。最值得一提的它集成了一个32级先进先出(FIFO)存储器管理系统，可用于输出数据的缓冲，降低主机处理器负荷，并降低整体系统功耗。该芯片主要应用于消费电子的微型惯性器件，最大可感知±16g的加速度,感应精度可达3.9mg/LSB，倾角测量典型误差小于1°,超低功耗。通过其内置的ADC将加速度信号转换为数字量存放在片内缓冲区，在实际使用中，为提高输出数据的稳定性,设置感应范围为±2g，感应精度为3.9mg，可以满足人体动作加速度范围与精度要求。ADXL345可以通过SPI总线或I2C总线与单片机连接，本产品选择的单片机STC15F2K60S2I2C接口，但是可以采用I/O口模拟I2C总线或SPI总线接口的方法连接。综合以上二种方案，方案二功耗更低，更容易实现，故选之。1.3.3无线模块的选择在几种短距离无线通信的比较当中,红外方案有一定的方向性,而蓝牙技术比较复杂,价格比较高,而无线射频通信技术无论是从系统开销，电池寿命还是成本方面都占有很大优势,同时它低传输速率的特点,恰恰适合发送信息量非常小的无线鼠标设计。nRF24L01无线射频模块是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHzISM频段，最高工作速率达2Mbps,信号空中传输时间很短，极大降低了无线传输中的碰撞现象和电流消耗，该芯片融合了增强型ShockBurst技术，能自动处理字头和CRC效验码，使用方便。该芯片功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式），使节能设计更方便。二、单元模块设计2.1电路的设计2.1.1远端控制子系统硬件电路设计远端控制子系统硬件部分主要由主控电路、微加速度计模块电路和无线射频模块电路和按键部分电路等组成。（1）ADXL345可以通过SPI总线或I2C总线与单片机连接，我们采用单片机模块STC15L2K60S2的I/O口模拟I2C总线接口的方法将ADXL345与单片机模块连接起来，SDA连接单片机P4.3口,SCL连接单片机的P4.4口。其具体电路图如图2-1所示。图2-1ADXL345模块与单片机连接电路原理图（2）NRF24L01的SPI接口可以利用单片机I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。如图2-2，微控制器通过模拟SPI总线与nRF24L01连接，控制信号的接收与处理。图2-2nRF24L01无线模块与单片机连接电路原理图（3）按键模块主要考虑消抖的问题，我们这里采用软件延时消抖，不过没有采用在主程序中延时，这样很浪费系统资源，而是用定时器延时设置标志变量的方法。按下按键将I/O口电平拉低，具体电路如图2-3所示。图2-3按键模块电路原理图2.1.2主机端信号接收系统电路设计无线鼠标信号接收电路由无线传输模块nRF24L01、鼠标专用通信芯片HT82M98A、USB端口及其他外围电路组成。电路如图2-4所示。图2-4主机端信号接收系统电路原理图其中，USB端口为HT82M98A提供5V的电源，无线鼠标信号接收电路中，其他芯片使用的电源由HT82M98A自带的电压输出端口V33O提供，供电电压为3.3V。无线传输模块接收到发射模块传来的移动信息后由I/O口传递到HT82M98A，HT82M98A再将数据传送到电脑的USB口。HT82M98A的端口USBD+/CLK连接USB数据正端；USBD-/DATA连接USB数据负端。X1、X2表示鼠标前后移动时(X方向）图像的数据；Y1、Y2表示鼠标左右移动时(Y方向）图像的数据。Z1、Z2表示鼠标中间滚轮转动的信号数据；M、R、L表示鼠标的左、中、右键按下时的数据；OSC1、OSC2外接6MHz晶振；RESET表示复位输入端，启动时硬件自动复位。2.2软件的设计2.2.1ADXL345微加速度计模块程序设计微加速度计ADXL345与微处理器之间通过I2C总线连接，它们之间的数据传输需要遵循I2C总线协议，寄存器0x32至寄存器0x37分别保存x、y、z轴输出数据，输出数据为二进制补码，DATAx0为最低有效字节，DATAx1为最高有效字节，其中x代表X、Y或Z。因为ADXL345为16位数据格式，从数据寄存器中获取加速度数据后，用户必须对数据进行重建。我们利用接口函数Multiple_read_ADXL345（）多字节连续读取寄存器的数据，然后将高字节左移8位和低字节8位相或的方法对数据重建,且对我们来说，只需X和Z方向的加速度数据即可，程序如下：floattemp;dis_data=(BUF[3]<<8)+BUF[2];//合成数据if(dis_data<0)dis_data=-dis_data;temp=(float)dis_data*3.9;//计算数据value_y=temp;2.2.2HT82M98A鼠标控制器程序设计HT82M98A的Z2、Z1、Y2、Y1、X2、X1分别与单片机的I/O口相连，这6个I/O口输出高低电平状态使鼠标的光标移动，这些移动的序列构成一个状态机，向X1、X2输出图2-5的波形时可以得到如下信息：图2-4X1/X2的状态机输入在Ｃ语言程序中用positivea和positiveb代表上面的波形。当循环向HT82M98A的X1、X2引脚输出这组波形时，光标右移。假设获取X的移动值为50，则光标需要移动50个单位长度，移动过程如下：Initialise_state(void)函数用于初始化状态机：Shifxa=positivea;//204Shifxb=positiveb;//102Shift=0;判断这两个变量的最高位，为1则输出为高，为0则输出为低。判断1次代表移动一个像素，然后X的值减1；Shifxa和Shifxb向左移一位，用于检测下一个状态值，Shifxa加1代表向左移了1位，为8意味着Shifxa向左移了8位。此时Shifxa=0需要重新赋值并进入下一个循环。2.2.3nRF24L01无线模块程序设计进行数据传输时，发送方将按照无线通信协议封装后的数据存入发送数据缓冲队列，启动发送，发送完成后，发送方自动转入接收模式，准备接收应答信号。若在设定的等待时间内，接收到应答信号则视为发送成功，则发送方自动清空发送数据缓冲队列，进入下一次发送过程或转入待机模式；若在设定的等待时间内，没有接收到应答信号，则视为发送失败，发送方将自动重发数据，当自动重发次数超过设定值时，产生中断。接收方不断检测射频信号，发现有效数据包时，便将其存入接收数据缓冲队列，并产生中断，接收完成后，自动转入发送模式，发送应答信号。三、系统调试本设计的硬件电路由发射和接收电路组成，其中接收电路安装在电脑附近，由电脑USB接口提供5V电源。发射电路先采用ADXL345加速度传感器检测鼠标的移动信息，然后输出到单片机I/O口，经无线模块将此信息发射到接收电路。接收电路接收到移动信息后，根据鼠标位移状态机解码算法，得到移动信息及按键信息，通过HT81M98A处理后将信息传给计算机，计算机自动完成相应动作。然后不断的循环。每一次鼠标信号处理总时间不大于1ｍｓ，计算机自动识别无线鼠标，不需要额外安装程序，无线鼠标移动灵活。经测试，该电路不仅具备普通有线鼠标的全部功能，还可远距离灵活操纵鼠标。四、设计总结此次的设计，其实也是我们所学知识的一次综合运用，让我深深的认识到了做电子设计要有一定的基础，要有电子技术方面的数字电路和模拟电路等方面的理论基础，特别是数字电路；也要有编程语言的汇编语言或C语言。我们不能学到后面就忘了前面的知识，更应该将所学的知识紧紧的结合在一起，综合运用，所谓设计，就是要求创新，只有将知识综合运用起来才能真正的设计好。

参考文献[1]叶达，程勇，薛庆军.基于2.4GHz射频通信的多功能鼠标设计[J].单片机与嵌入式系统应用，[2]王海红.双轴加速度传感器ADXL210E及在三维鼠标中的应用[J].科技信息，2010（18）：216.[3]陈义华.基于加速度传感器的定位系统研究[D].厦门：厦门大学，2006.附录电路原理图1.远端控制部分电路原理图2、主机端接收电路原理图基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计\t"_blank