【正文】 基于加速度芯片的空間鼠標(biāo)設(shè)計 摘 要 本文闡述了一種基于 MEMS加速度傳感器 MMA7260QT、微處理器 STC89C51RC 的空間鼠標(biāo) 系統(tǒng) 的設(shè)計。 該系統(tǒng)測量手移動的加速度信息 用于控制二維的 坐標(biāo) 運動 。 該系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成： 1） MEMS 加速度傳感器 ； 2）微處理器； 3） A/D 轉(zhuǎn)換電路； 4）機械 鼠標(biāo)電路部分。 該鼠標(biāo) 系統(tǒng) 通過加速度傳感器檢測移動的加速度信息 ，通過 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 TLC549 將模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息輸出到 微處理器 中， 經(jīng) 微處理器 處理 后將加速度信息轉(zhuǎn)換成位移信息 送往鼠標(biāo)芯片 ， 再由 PS/2 口送入電腦 以控制光標(biāo)的運動。 該設(shè)計的優(yōu)點是無須特定的桌 面，在空間即可操作鼠標(biāo)。 關(guān)鍵詞：空間鼠標(biāo)； MEMS 加速度傳感器。 1 Design of midair mouse based on the MEMS microaccelerometer Abstract In this paper, we describe a mouse system design based on microaccelerometer MMA7260QT and microprocessor STC89C51RC. The system measures the acceleration of hand movements which are converted into twodimensional location coordinates. The system consists of the following major ponents: 1) MEMS accelerometers。 2) microprocessor。 3) A / D conversion circuit。 4) mechanical part of the mouse circuit. The mouse system detect acceleration of the movement through the acceleration sensor, and the analog information is converted to digital information output to the microprocessor through the analogtodigital converter TLC549,the microprocessor will convert the digital information into the acceleration displacement information and sent it to the mouse chip by the PS / 2 interface to control the cursor movement on the screen. The merits of the design is that we can operate the mouse in space without a specific plane. Key Words: airmouse。 MEMS microaccelerometer 2 目錄 摘要 ………………………………………………………………… ……… …… .……… ..1 Abstract………………………………………………………………… ……… … .…….... 2 第一章 緒論 ……………………………………… …………… ..…………… 5 選題的目的與意義 …………………………………… ……… ..…………………… ..5 國內(nèi)外技術(shù)研究概況 ……………………………………… ……… ..……………… ..5 鼠標(biāo)的發(fā)展歷程簡介 …………………………………… …………… ..……… .5 國外研究概況 ……………………………………………… …………… .…… ..7 國內(nèi)研究概況 ………………………………………… ……………… ...……… 7 本文 主要工作 ………………………………………………… ……… ..…… … … .… .7 第二章 系統(tǒng) 概述 …………………………………………………… ……… ..… .…… .8 系統(tǒng)要求與條件 ………………………………………… …………………… .…… … 8 系統(tǒng)設(shè)計思想 ……………………………………… ……………………… ………… .8 第三章 鼠標(biāo)系 統(tǒng)硬件設(shè)計 …… …… ……………… … …………… … …… 9 鼠標(biāo)硬件系統(tǒng)概述 …………………………………………………………………… 9 信號采集模塊 …………………… ………………………… ………………………… 9 MEMS 加速度計 MMA7260QT 的選擇 …… ……………………… ………… ..9 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 TLC549 的選擇 ……………………… ……………………… … 11 加速度信號處理 ………………………………… …………………… .……… .13 微處理器模塊 ……………… ……………………………………………………… ...13 單片機 STC89C51 的選擇 …………………………… ……………… …… … ..13 單片機程序下載接口 ……………………… …………………………… ..… … 14 鼠標(biāo)電路模塊 ……………… …………………………………… .……………… … ..15 鼠標(biāo) 電路 控制芯片 HT6523……………… …………………………… .…… .15 鼠標(biāo)的接口方法 …………… ………………………………………… .… … ...16 第 四章 鼠標(biāo)系統(tǒng)軟件設(shè)計 ……………… …………… ………… … ……… 17 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 ……………………… ………………………… ..………… …… .17 鼠標(biāo)軟件系統(tǒng)概述 ……………………………………………………………… … … 18 鼠標(biāo) 系統(tǒng) 微處理器軟件設(shè)計 ………… ……………………… ..…………… ……… .18 微處理器加速度值采樣 …………… …………………………… .…… ……… .18 加速度到位移的數(shù)字 信號變換 ……… ……………… ..………… …………… 19 第五章 鼠標(biāo)系 統(tǒng)調(diào)試 ………………………… ………… ……… ………… 20 鼠標(biāo)電路模塊調(diào)試 …………… ……………………………………… .…… ……… ..20 加速度模塊調(diào)試 …………… ………………………………… ……… …………… ...21 3 第六章 結(jié)論 與展望 ………………………………………… …………… ...21 結(jié)論 ………………………………………………………………… ……… ………… 21 需近一步研究的問題 ……………………………… …………………… …… ……… 21 謝辭 ……………………………………………… … ……………………… .22 參考文獻 ……………………………………………… …………………… ..23 附錄 1 鼠標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計電路圖 …………………………………… …… .… ..24 附錄 2 鼠標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計實物圖 ……………………………………………… 25 4 第一章 緒論 選題的目的與意義 如今隨著科技的進步，電腦越來越普及，作為人與計算機交流使用最頻繁的設(shè)備之一，大家對鼠標(biāo)自然一點也不陌生。鼠標(biāo)的出現(xiàn)，大大提高了人們的工作效率，隨著不同類型鼠標(biāo) 的相繼出現(xiàn)，人們對鼠標(biāo)也越來越關(guān)注。 從第一款鼠標(biāo)的出現(xiàn)至今，鼠標(biāo)已經(jīng)有了四十幾年的發(fā)展，在這期間，鼠標(biāo)從機械到光電，從有線到無線發(fā)生這巨大的變化。但是這些鼠標(biāo)有一個共同的特點，就是鼠標(biāo)的工作必須在平面上進行，這在很大的程度上限制了鼠標(biāo)的使用，因此有必要 設(shè)計一種鼠標(biāo)，其工作范圍可以脫離平面的束縛，實現(xiàn)空間的 使用 操作 ，這樣可以方便人們各種不同的需求。 同時， 隨著人類科技的快速發(fā)展，形成了多學(xué)科交叉融合的科學(xué)，與此同時涌現(xiàn)出大量的智能化技術(shù)和產(chǎn)品，并得到廣泛的應(yīng)用。 微電子機械系統(tǒng)（ Micro Electronic Mechanical System, MEMS） ，即微機電系統(tǒng) ， 是在 20 世紀(jì) 80 年代末在微電子技術(shù)和硅微細(xì)加工技術(shù)基礎(chǔ)上形成的新興學(xué)科。 MEMS研究的范疇很廣， MEMS 加速度傳感器的研究就是其中最重要的研究之一。由于集成在硅片上的加速度傳感器具有體積小，質(zhì)量輕，便于集成的優(yōu)點，硅加速度傳感器越來越得到人們的關(guān)注。 由此，將 MEMS 加速度器應(yīng)用于鼠標(biāo)，設(shè)計出空間鼠標(biāo)將會大大提高鼠標(biāo)的可操作性， 因此，對于空間鼠標(biāo)的研究十分必要。 國內(nèi)外技術(shù)研究概況 鼠標(biāo)作為人們操作電腦最頻繁使用的外設(shè)之一 ，自其誕生開始便涌現(xiàn)出了許多的技術(shù)，并且仍在發(fā)展當(dāng)中。 鼠標(biāo)的發(fā)展歷程簡介 鼠標(biāo)的發(fā)展歷程可以概括為如下幾個階段： 1968 年，世界上第一個鼠標(biāo)誕生 （圖11） ， 是一個小木頭盒子，里面有兩個滾輪，只有一個按鈕 ， 它的工作原理是由滾輪帶動軸旋轉(zhuǎn)，并使變阻器改變阻值，阻值的變化就產(chǎn)生了位移訊號，經(jīng)電腦處理后屏幕上指示位置的光標(biāo)就可以移動了 ； 5 圖 11 最早的鼠標(biāo) 1981 年，第一只商業(yè)化鼠標(biāo)誕生，仍舊是機械鼠標(biāo)，出現(xiàn)滾球鼠標(biāo) （圖 12） ； 圖 12 機械鼠標(biāo) 1983 年，羅技發(fā)明了第一只光學(xué)機 械式鼠標(biāo)，成為日后的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)； 1999 年，微軟公司與安捷倫公司合作發(fā)布了 IntelliEye 光學(xué)引擎，以及第一只光學(xué)鼠標(biāo) （圖 13） ； 6 圖 13 光學(xué)鼠標(biāo) 2021 年，世界第一款激光鼠標(biāo)同時誕生了，它便是羅技推出的 MX1000 激光無線鼠標(biāo) 。 雖然至今為止鼠標(biāo)的種類很多，但 以上的鼠標(biāo)可以概括為兩種，機械式和光電式，但是由于機械式鼠標(biāo)的磨損和光電式技術(shù)的限制，它們終將會被新的鼠標(biāo) —— 非接觸式空間鼠標(biāo)所取代。 非接觸式鼠標(biāo)是加速度芯片在姿態(tài)檢測和動作識別方面的典型應(yīng)用，它應(yīng)用加速度芯片作為檢測元件，根據(jù)受力 的變化來檢測加速度的大小，通過運算即可得到位移的變化，由此便可實現(xiàn)不依賴于任何平面就可以控制光標(biāo)。 國外研究概況 國外一些學(xué)者就曾應(yīng)用加速度芯片設(shè)計過這種鼠標(biāo)，斯坦福大學(xué)的 Christopher 和 Peter Wang 在其名為“ ECE476 Final Project”的課題中設(shè)計了一款名為“ Gmouse” 的鼠標(biāo)，通過 RS232 與 PC通信，效果很好。美國 Washington大學(xué) Todd Morton教授利用 ADX202 加速度傳感器成功實現(xiàn)了無線傾角加速度鼠標(biāo)，該鼠標(biāo)通過 USB 口與 PC 機進行通訊。麻生理工學(xué)院的 Shirley LI 等人成功研制集于加速度傳感器的三維無線鼠標(biāo)，該鼠標(biāo)采用 LTS30L02 三軸加速度傳感器和 CC1010 射頻收發(fā)芯片，處理單元采用 FPGA，它也是通過傾角使用來控制鼠標(biāo)。英國伯明翰大學(xué) Humphreys 等人研制了一種三維鼠標(biāo)，利用回轉(zhuǎn)儀可以控制電腦屏幕上三維立體的旋轉(zhuǎn)。微軟公司申請了可穿戴式鼠標(biāo)的專利，根據(jù)這個專利，微軟公司將設(shè)計空中無線技術(shù)的鼠標(biāo)市場。 國內(nèi)研究概況 在國內(nèi)， 2021 年，東南大學(xué)的李宏升申請了名為“移動式全電子慣性鼠標(biāo)”的實用新型專利 ，專利號為 ，它利用加速度信號積分后并進行分頻產(chǎn)生速度脈沖，再配合專用的鼠標(biāo) IC 芯片實現(xiàn)。同時，北京大學(xué)張樂平，上海交通大學(xué)黃得志等都進 7 行了基于加速度傳感器鼠標(biāo)方面的研究。在臺灣地區(qū)，臺灣的 Alpha Plus 半導(dǎo)體公司在2021 年成功開發(fā)了具有 3 軸加速度傳感器和無線功能的鼠標(biāo)。 本文主要工作 本文闡述了一種基于 MEMS加速度傳感器 的空間鼠標(biāo)的設(shè)計。 本文的主要工作為：通過對加速度傳感器特性的研究，設(shè)計出合理的硬件電路 ， 采集人手移動的加速度信息，以控制光標(biāo)的移動。軟件部分則主要是對 加速度信息的處理。 本文的內(nèi)容安排如下： 第一章，緒論。介紹研究的背景、目的和意義，以及國內(nèi)外研究概況和本文的主要任務(wù)。 第二章，系統(tǒng)概述。講述了系統(tǒng)的要求及其設(shè)計方法，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計思想和總體框圖。 第三章，鼠標(biāo)系統(tǒng)的硬件設(shè)計。 介紹了鼠標(biāo)系統(tǒng)的各個模塊組成，以及各器件的選擇依據(jù)。 第四章，鼠標(biāo)系統(tǒng)的軟件設(shè)計。主要講述了如何利用單片機對加速度傳感器輸出的加速度信息進行處理。 第五章，鼠標(biāo)系統(tǒng)調(diào)試。通過仿真，驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性。 第六章，結(jié)論。對全文進行了總結(jié)并給出后續(xù)工作。