基于51單片機的無線體感鼠標設計與實現

摘? 要：傳統鼠標在計算機領域應用非常廣泛，但在某些特定環境下操作受到限制。為了克服依賴桌面完成操作的局限，以51單片機為控制核心設計一款無線體感鼠標，該設備由STC89C52控制模塊、MPU-6050運動處理模塊、無線發送模塊、無線接收模塊、按鍵及供電模塊等構成。MPU-6050運動處理模塊通過解算識別運動姿態，實現人在空間中控制鼠標對屏幕指針的操控。經制作及對比測試，它具備高精度和流暢性好的優點，具有一定的實用價值。

關鍵詞：STC89C52單片機;MPU-6050運動處理模塊;無線發送模塊;無線接收模塊

中圖分類號：TP368.1;TP334.2? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）20-0047-04

Design and Implementation of Wireless Motion Sensing Mouse Based on

51 Single Chip Microcomputer

ZHAO Huafeng

（School of Physics and Electrical Engineering，Weinan Normal University，Weinan? 714099，China）

Abstract：Traditional mouse is widely used in the field of computer，but in some specific environment，its normal operation is limited. In order to overcome the limitation of relying on the desktop to complete the operation，a wireless motion sensing mouse is designed with 51 single chip microcomputer as the control core. It is composed of STC89C52 control module，MPU-6050 motion processing module，wireless transmission module，wireless receiving module，key and power supply module. The MPU-6050 motion processing module recognizes the motion posture by solving and recognizing，so that people can control the mouse on the screen pointer in space. After production and comparison test，it has the advantages of high precision and good fluency，and has certain practical value.

Keywords：STC89C52 single chip microcomputer;MPU-6050 motion processing module;wireless transmission module;wireless receiving module

0? 引? 言

1968年出現的世界上第一個鼠標標志著人機交互的一項重大突破。大多數傳統鼠標都內置有發光二極管，其發出的光經鼠標底部接觸面反射回來，有部分反射光經過透鏡后感應成像，再由STC89C52微處理器對鼠標在桌面上的位移信息和鼠標按鍵操作進行分析處理，從而判別鼠標的動作。傳統鼠標的使用都依賴桌面作為平面來支持[1]。

為了解決在日常生活中（如車內、床上、野外等）或者環境條件惡劣的情況下無法提供平面時傳統鼠標操作受到限制的問題，新型鼠標的設計和制作就顯得非常迫切，加之體感技術不斷地發展和應用，因此作者對使用51單片機為控制核心的無線體感鼠標做以設計、制作和測試，并和傳統鼠標在使用效果上做了比較。

1? 無線體感鼠標系統的設計方案

當人將手持無線體感鼠標發射端在三維空間內移動時，顯示在電腦屏幕上指針也隨著發射端的移動精確快速地做出指令。在STC89C52微處理器中隨時不斷的解算到由MPU-6050運動處理模塊采集到的數據，然后通過無線收發模塊發送到連接電腦的接收端。接收端收到信息后，立刻進行處理和解算成為光標位移信息和按鍵控制信息，通過MPU-6050運動處理模塊優化后得到的最優數據會被實時更新到電腦端，實時反饋是否有體感動作指令輸入，最后經過USB協議編碼和信息交互完成電腦屏幕上光標的移動和控制。

2? 無線體感鼠標系統硬件設計與關鍵實現

無線體感鼠標系統的組成方案：運動姿態采集組件通過I2C總線協議與發射端主控芯片進行相互通信，從而將采集融合后的實時數據輸入;發射端主控芯片通過無線收發芯片NRF24L01將輸入的實時數據傳輸給接收端主控芯片;而發射端和接收端的主控芯片STC89C52均通過SPI總線協議和無線收發芯片NRF24L01進行信息交互;最后由接收端主控芯片配合USB接口芯片PDIUSBD12經USB協議編碼將信息流傳送至電腦端，實現鼠標指針在電腦屏幕上的操作控制。無線體感鼠標硬件系統主要分為兩大部分：主控無線發射端部分和無線接收端部分，無線體感鼠標系統結構圖如圖1所示。其中2.4 G無線發射和2.4 G無線接收是利用NRF24L01芯片的一套收發模塊的兩個部分。

2.1? 發射端硬件設計

發射端硬件的設計主要有STC89C52微處理器模塊、MPU-6050運動處理模塊、無線發送模塊、供電模塊和發射端復位模塊。供電模塊中的電池管理芯片主要負責將電池電能轉換為微處理器、傳感器等器件能夠使用的電源。

2.1.1? MPU-6050運動處理模塊

發射端設計方案中采用MPU-6050運動處理模塊，這是一種利用物理效應的傳感器，能夠將被測非電信號的微弱變化量轉換成為可被后續電路處理的電信號。在它的內部將陀螺儀和加速度兩種傳感器集成，降低了分立元件組合陀螺儀和加速度傳感器時所帶來的軸間非正交誤差。并配置了硬件加速引擎——數字運動處理器DMP，能夠使用I2C協議的接口輸出整合后的數字量數據，減少了STC89C52微處理器對運動處理的計算量。同時MPU-6050運動處理模塊具備自定義編程控制陀螺儀和加速度傳感器的檢測功能，從而準確無誤的跟蹤物體實時動作[2]。

MPU-6050運動處理模塊中陀螺儀是檢測物體運動中角速度的傳感器，當物體運動時帶動安裝在物體上的陀螺儀同步運動。陀螺儀就可以檢測出物體在空間中繞各個軸轉動的角速度，然后對角速度進行積分運算，就可以得到物體運動的角度[3]。陀螺儀具有十分準確的測量精度，但是也極容易受到震動等外界環境因素的影響而產生輸出漂移。積分運算后繼而產生較大的誤差。因此，陀螺儀只能用于物體運動的狀態的角度測量。

加速度傳感器通常用于檢測物體的位移，然后將檢測到的位移通過ADC（模/數轉換器）轉換為數字電信號便于進行數據處理。加速度傳感器是由檢測單元捕獲產生的力而不是直接測量出加速度;原理上是通過測量作用在加速度傳感器軸向上的力間接的測量出物體運動的加速度，測量基礎是在某一時刻測量空間坐標系中的加速度值在x、y、z方向上的分量。MPU-6050運動處理模塊中使用加速度傳感器測出重力加速度在空間坐標系三個方向上的量，計算各分量與重力加速度的比，得出傾角的大概值。物體處于運動狀態的時候，加速度傳感器測出的結果總是有一定的誤差，因為它一直受地球引力的影響，垂直方向的重力加速度始終存在。所以加速度傳感器測出的結果是重力加速度與運動加速度合成得到的總加速度在三個方向上的分量[4]。

不難看出，陀螺儀傳感器和加速度傳感器具有互補性：陀螺儀可以檢測出運動中物體的角速度并且在短暫的時間內具有較高的精確度;加速度傳感器可以十分精確的檢測物體在靜止時的傾角。方案中的運動處理模塊利用兩者的互補性來提高數據采集的精確性[5]。

2.1.2? 無線發射模塊

選用的無線收發模塊采用由NRF24L01單片無線收發器芯片。該芯片工作的ISM頻段在2.4 GHz～2.5 GHz之間，最高的工作速率2 Mbps，抗干擾性能好，為提高數據傳輸效率和可靠性，增加了CRC檢錯功能和通信地址精準控制功能。NRF24L01芯片具有高效GMSK調制，抗干擾能力強，穩定性高，支持SPI通信，通過SPI串口來實現配置和最大速度10 MHz的外部通信。

2.1.3? 發射端復位模塊

發射端復位模塊類似于臺式電腦的Reset復位按鍵。當電腦在運行時出現異常甚至無法按鍵操作時，按下機箱上的復位按鈕讓電腦重啟就可以解決問題。在STC89C52單片機應用系統中也是這樣，若STC89C52單片機系統受到外界干擾、程序跑飛等現象，復位系統重新運行即可。常見的復位電路有上電復位和按鍵復位兩種方式。方案采用的是按鍵復位。STC89C52單片機要復位只需在第9引腳接持續高電平即可。電容的大小取10 μF，電阻的阻值選10 kΩ，復位的時間為0.1 s（RST引腳要求輸入兩個機器周期以上的高電平時間才有效）。當STC89C52單片機上電啟動后，電容兩端由于持續充電，電阻的端電壓非常接近0，RST維持低電平保證系統的正常工作。當復位按鍵按下，電容釋放電能，RST引腳就收到高電平，高電平的持續時間會遠大于兩個機器周期的時間保證STC89C52單片機系統的復位實現，釋放了復位按鍵后，由于電源對電容持續充電，使RST維持在低電平。

2.2? 接收端硬件設計

接收端由STC89C52RC微處理器芯片作為控制模塊，無線收發芯片NRF24L01為接收模塊以及無線接收模塊構成。

無線接收模塊選用PDIUSBD12進行USB通信協議，實現與電腦端的信息交互。接收端STC89C52單片機通過CPU給PDIUSBD12發送數據和指令，實現與無線接收模塊的通信。該芯片符合USB 2.0版規范，內部集成成像類、打印類、收發器、存儲器以及電壓調節器。對外部微控制器無要求，擁有多種中斷方式便于數據傳輸。它的性能優越、功耗低且開發成本低廉[6]。當USB接口配置成功后LED指示燈會根據通信的狀況間歇閃爍。

3? 無線體感鼠標系統軟件設計

系統工作時，首先配置好發射部分的姿態采集模塊，設置控制芯片模式，建立無線模塊之間的通信連接，還要建立接收部分USB端和電腦端的通信連接。無線體感鼠標系統流程圖如圖2所示。

常見描述空間三維的姿態方法主要有三類：四元數法、方向余弦法和歐拉角法。四元數法計算量小，易于操作，是實用的工程算法，實現中MPU-6050運動處理模塊中集成的數字運動處理單元即用四元數法處理計算得到歐拉角，并增加互補濾波算法的校正完成姿態解算，實現無線體感鼠標控制功能。四元數到歐拉角的算法為：

四元數是一種四參數法，它由一個實數和三個虛數（i、j、k）所構成。任何三維空間內的矢量都可以看作實部為零的四元數。可描述為：

Q=q0+q1i+q2j+q3k

所以可以用四元數法來研究空間中的數據解算。如果矢量R圍繞固定坐標系旋轉，并且這個旋轉能夠用四元數Q描述，新矢量記為R1則R和R1之間的變換可以表示成四元數運算：

R1=Q×R×Q-1

當R是一個標量為0的四元數，即：

R=0+Rxi+Ryj+Rzk

由此可得當一個矢量V相對于x、y、z坐標系固定表示為：

V=xi+yj+zk

當坐標系x、y、z轉動了Q，得到了一個新的坐標系x1、y1、z1矢量V分解在新的坐標系中表示為：

V=x1i1+y1j1+z1k1

兩個坐標系之間的坐標變換中：

V=xi+yj+zk

V1=x1i+y1j+z1k

則矢量V在新舊兩個坐標系中的關系可以表示為：

V1=Q×V×Q-1

傳感器在靜止的狀態進行測量中容易得到精準的數據，但是在運動狀態中傳感器產生較大的誤差，以此產生的積分誤差會導致歐拉角數據的不準確。因此加速度傳感器要用濾波器濾除陀螺儀的噪聲，傾角不能僅僅采用MPU-6050運動處理模塊的加速度傳感器或者陀螺儀取得，需要進行互補校正。由傳感器的特性建立起來的互補濾波器，采用低通濾波器后，能夠輸出更為準確的角度值[7]。

4? 無線體感鼠標和傳統有線光電鼠標性能對比測試

通過用無線體感鼠標和傳統有線光電鼠標對比的方式來做一個性能測試。測試的內容有：使用范圍、靈敏度、線性度、以及平滑性。

在使用范圍的對比實驗中，以電腦端為中心，無線體感鼠標在半徑10米范圍內可以正常工作，相比于傳統光電鼠標大約1米左右連線，其適用范圍大;

在靈敏度的對比測試中，通過打開桌面圖標和瀏覽網頁的體驗來測試。明顯地可以感覺到無線體感鼠標在操作的靈敏度上不如傳統鼠標在桌面上準確快捷;

在線性度的對比測試實驗設置為在畫圖工具中以一條直線為基準線，快速來回操作鼠標以基準線畫線，看出無線體感鼠標在線性上優于傳統有線光電鼠標;

在平滑性的對比測試實驗中，依然是利用畫圖工具做實驗。通過使用兩種鼠標按字形8移動的方法來測試無線體感鼠標和傳統有線光電鼠標的平滑性性能，結果是無線體感鼠標的平滑性性能優于傳統有線光電鼠標。

5? 結? 論

使用51單片機結合新型體感技術設計制作的體感無線鼠標，和傳統光學鼠標對比測試后達到預期要求。它具備易操作、穩定性高的性能，采用無線通信解放出雙手，讓鼠標控制更加自然流暢，為人們提供體感技術和計算機交互的新體驗。隨著VR行業的發展，更多的體感技術將應用到智能家居、醫療、教育、游戲中，這也意味著更多未知的新應用等待著被探索。下一步的改進從減小無線體感鼠標的體積上進行優化，還要進一步提高快速響應功能。

參考文獻：

[1] 鄭金存，邵平，周善東.多媒體教室的長距離無線鼠標的設計與實現 [J].廣西物理，2004（3）：52-54+57.

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作者簡介：趙華峰（1970—），男，漢族，陜西渭南人，講師，碩士，研究方向：計算機應用技術。