無線空中鼠標

吳富民+劉凡齊

【摘要】 鼠標的出現是人機交互領域一個重大突破，為了快捷便利地操作計算機，擺脫傳統鼠標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，將這項技術應用于鼠標，研究并設計一款基于MEMS技術的無線空中鼠標，實現無線空中鼠標的小型智能化，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、無線收發模塊和USB接口來構建整個無線空中鼠標系統。實際應用表明，該系統具有操作簡便、測試準確的特點，達到了設計要求。

【關鍵詞】 空中無線鼠標 MEMS傳感器 智能化 STM32微處理器 無線收發模塊

鼠標的出現是人機交互領域一個重大突破，它為計算機的操作提供了快捷便利的條件。鼠標的發展經歷了機械、光電及當前廣泛運用的光學鼠標，這些鼠標的操作都離不開以桌面為使用的限制。然而，在很多苛刻的環境下無法提供桌面時，傳統鼠標的使用就會受到極大的局限性。目前，國內外對這種基于MEMS技術的無線鼠標均有一定的研究。美國密歇根大學很早就已經將雙軸加速度計應用到鼠標的領域，但是基于MEMS無線鼠標設計大部分都是測量位移特性控制鼠標移動。2002年，香港中文大學設計了一個基于微加速度傳感器鼠標系統；2003年，英國伯明翰大學設計了一種可以控制電腦屏幕上三維立體的旋轉的三維鼠標。現在許多國內外高校也相繼提出一系列基于MEMS技術的無線鼠標研究。

一、需求分析

空中鼠標是一種輸入設備，像傳統鼠標一樣操作屏幕光標，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技術的無線空中鼠標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備，無線空中鼠標不需要借助任何平面，就可以直接在空間中實現鼠標的功能，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系統，相比于單一傳感器系統有著許多優點，增加了系統的配置，提高了鼠標系統的容錯能力；各個傳感器之間能夠優勢互補，從而得到鼠標姿態信息的最優估計值，增強了鼠標適應實際應用環境的能力，并且提高了鼠標的精度，同時具有較高的平滑性，實用性強。

二、總體設計

無線空中鼠標結構圖如圖1所示，先利用手持端AD芯片采集相關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另一個單片機轉碼處理，最后輸出相關控制信號。

三、硬件設計

3.1主控設計

本設計硬件主控設備采用深聯華單片機作為主控芯片，USB 接口芯片為設備與電腦的通信媒介，2.4GHZ 通信模塊作為主控設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。 可配有紅外發射裝置。電路板采用標準的 PCB 雙面板， 在板上配有穩壓電路， 濾波電路。

特制的遙控器采用的是深聯華單片機作為主控芯片，靜態重力感應模塊作為空中鼠標的信號采集裝置， 2.4GHZ 通信模塊作為遙控器與主控設備的通信手段。 電路板與主控設備采用一樣的標準。

3.2電源設計

本設計中電腦端設備的電源是由電腦 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 穩壓芯片轉換為 5V 恒定電壓，給單片機、D12、RNF24 供電。AMS1117 能提供穩定的電壓輸出，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定整個電路。

四、軟件設計

本設計的軟件軟件分為三個主要部分

一是：數據采集。

二是：單片機通過USB 接口芯片與實現與電腦的通信。

三是：將不同的控制信號處理后發送給電腦或者家用電器。

在軟件設計中，數據采集主要用來檢測信號產生，利用實現對相關操作數據的采集；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的靈敏度。 在單片機通過USB 接口芯片與實現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， 轉化成為控制鼠標指針的控制信號，再運用技術成熟的NRF24L01無線傳輸技術將處理了的數據信息發送到電腦端。

五、應用

本設計主要應用于多媒體平臺和互聯網電視等需要精確控制，修改以及遠程控制的顯示平臺。一般的鼠標在使用時必須將鼠標放在桌面上，不能離開桌面。使用遙控器時都習慣于將遙控器直接指向屏幕，用很小的動作調整，而單純的鼠標不符合客廳中用戶對大屏幕電視的操作習慣。采用NRF24L01無線通訊系統的無線空中鼠標，將直接指向屏幕的遙控器改成可調整角度控制的智能鼠標，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用。輕松方便，給用戶一種全新的享受。

技術改變生活，也許不久的將來，會有更多的人機操作方式大規模商用化，例如語音識別，手勢識別等等。和空中鼠標一樣，帶給人們的不僅僅是技術的創新，更多的是方便的體驗，讓我們的生活更加精彩。

六、結論

本設計采用具有高速處理數據能力的STM32為主控芯片，電源設計采用容量大、充電便捷的 4.7V 鋰電池。 再通過 ASM1117 穩壓芯片轉換為 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定整個電路。軟件設計采用模塊化設計思想，提高了系統的可靠性和維護性。該設計已初步測試用于本校多媒體教學，實際應用表明該設計具有測試準確、穩定可靠、操作簡單等特點，達到了設計要求。