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TI杯手势识别
2018年TI杯大学生电子设计竞赛
手势识别装置(D题)
2018年7月23日
手势识别装置(D题)
【本科组】
摘要
手势识别作为人机交互的重要组成部分,其研究发展影响着人机交互的自然性和灵活性。
为了满足手势识别的设计要求,本次设计使用以测量电路为核心的系统。
主要由五个模块组成,包括测量电路模块、传感器模块、显示模块、控制模块、电源模块组成。
控制模块采用的是独立按键和MSP430F5529单片机,用以控制工作模式(训练和判决);测量电路模块采用的是MSP430F5529单片机;传感器模块采用的是FDC2214电容传感器;显示模块采用12864LCD液晶显示屏;电源模块采用220V转5V的USB接口输出模块。
本装置通过FDC2214电容传感器和MSP430F5529单片机测量频率值,再通过频率值判断手势,并显示在LCD液晶显示屏上。
关键词:
手势识别MSP430F5529FDC221412864LCD
一、系统方案
本设计主要由五个模块包括测量电路模块、传感器模块、显示模块、控制模块、电源模块。
1.测量电路模块的选择
方案一:
采用MSP430系列单片机
MSP430系列单片机采用1.8~3.6V电压,超低功耗,运行速度快,处理能力强大,具有高效的开发环境。
MSP430系列单片机中CPU与模拟设备的结合,使得校准、调试都变得非常方便。
[1]
方案二:
采用51系列单片机
51系列单片机应用最广泛的8位单片机比较容易上手,有较为完善的按位操作系统,功能较完备。
虽然I/O脚使用简单,但高电平时无输出能力,有些功能增加了硬件和软件的负担,运行速度过慢,保护能力很差,容易烧坏。
通过比较,我们选择方案一,采用MSP430F5529单片机作为控制模块。
2.显示模块的选择
方案一:
采用OLED液晶显示屏
OLED液晶显示屏抗震性能更好;视角范围大;响应速度快;发光效率高,功耗低;厚度可以小于1毫米,并且重量轻;成本低;但是寿命较短。
方案二:
采用LCD液晶显示屏
LCD液晶显示屏显示信息量大,显示质量高,低电压低功耗;使用寿命较长。
通过比较,我们选择方案二,采用LCD液晶显示屏作为显示模块。
3.传感器模块
我们采用FDC2214作为传感器。
利用FDC2214的工作原理可实现手势接近和识别的功能,如图1.1所示,黄色部分称为“FDC2214的传感平面”,该平面为导体材质,当人手接近该平面时,传感端的电容发生了变化,这就会导致LC电路振荡频率的变化,从而反映出手势接近,以及手势的判定。
图1.1传感器模块设计图
4.电源模块
采用220V转5VUSB接口输出的接线板作为电源模块。
5.方案确定
本设计采用5V电源给MSP430F5529单片机和FDC2214电容传感器供电。
MSP430F5529单片机外接按键,来控制工作模式。
MSP430F5529单片机外接FDC2214电容传感器,获取频率值,再通过频率值判断手势,并通过LCD液晶显示屏显示。
二、理论分析与计算
1.理论分析
传感平面的面积越大、手势与传感平面的距离越小,感应的频率变化越大,系统会越灵敏,但同时也可能引入越多的噪声。
2.计算
图2.1被测电容器与LC电路图
设被测电容器的容抗为XC1,LC电路中电容器的容抗为XC,LC电路中电感器的感抗为XL,频率为f。
根据振荡电路的条件有:
容抗等于感抗。
即
XC1+XC=XL(2.1)
式中XC1=1/(2πfC1),XC=1/(2πfC),XL=2πfL,其中C1为被测电容、C为电容器电容、L为电感器的电感。
因此可得
(2.2)
可见,在芯片每个检测通道的输入端连接一个电感和电容,组成LC电路,被测电容传感端(图3.1中灰色标识部分即为被测电容)与LC电路相连接,将产生一个振荡频率,根据该频率值可计算出被测电容值。
三、电路与程序设计
1.电路设计
(1)系统总体框图
图3.1系统原理图
(2)控制模块系统框图
图3.2控制模块原理图
2.程序设计
(1)程序流程图
图3.3测量电路程序流程图
图3.4控制电路程序流程图
(2)判决的流程图
图3.5判决的流程图
根据设计要求,手势不同,测量电路能根据FDC2214传回的数据,与没有手势时的数值比较,CH1—CH6数值变化个数为z,CH7数值变化个数为x。
当x=1时,z等于0、1、2、3、4、5对应的手势分别为石头、1、2/剪刀、3、4、5/布。
当x=0时,表示没有手势输入。
四、测试方案与测试结果
1.测试方案
(1)硬件测试
检查各个螺丝接口和硅胶黏合物件是否连接牢固、电路焊接口有无虚焊现象。
(2)软件仿真测试
通过CCS软件进行程序编译,检查有无程序上的编译或语法错误。
再通过软件进行仿真,检查是否达到预期结果。
(3)硬件软件联调
硬件测试和软件仿真测试完成并达到测试标准后,将程序写到单片机,测试并记录5组相同的手势的判决结果和每一次的判决时间,并计算判决的准确率(百分比)以及平均时间。
2.测试条件与仪器
测试条件:
5V电源供电。
测试仪器:
秒表。
五、测试结果
1.测试结果
表5.1判断结果表
2.误差分析
手掌放置的位置不对是引起误差的主要来源。
手掌放置的位置不对,导致通道测出的频率值异常,从而导致测出的结果出错。
六、心得
经过四天三夜的努力奋斗,从最初的选材,到对材料进行切割、焊接、钻孔等加工,再到程序的编写调试。
小组三人齐心协力,克服了设计中的种种问题。
本次设计使用到的单片机MSP430F5529对于我们来说是一个比较熟悉的单片机,也就相对的容易上手。
而反观FDC2214未曾接触过,所以显得陌生,经过这些天的学习也掌握了它的使用方法,这让我们收获十分巨大。
对于一些元器件的使用也更加的熟练,本次设计全方面的考验了小组的配合能力,从硬件到软件再到报告,小组三人相互配合协作,使我们三人都能在这些方面上有所提高。
七、参考文献
[1]郑煊,刘萌,张鹍.MSP430单片机应用技术[M].北京:
清华大学出版社,2014.
[2]吴建平.传感器原理及应用[M].北京:
机械工业出版社,2009.
[3]肖志红.平板式电容传感器测量电路研究[J].现代电子技术,2004(17):
105-106+108.
[4]蒙文舜,杨运经,刘云鹏.电容传感器的原理及应用[J].现代电子技术,2003(07):
78-81.
[5]陈晓东,苏宛新,邢忠宝,王化龙.基于单片机的OLED显示器的应用[J].微计算机信
息,2006(05):
5-6+82.
[6]路凯,李小坚.手势识别研究概述[J].西安文理学院学报(自然科学版),2006(02):
91-94.
附录:
电路原理图
1.系统总体原理图
图8.1系统总体原理图
2.FDC2214电容传感器
图8.2FDC2214电容传感器原理图
3.MSP430F5529单片机
图8.3MSP430F5529单片机原理图
4.12864LCD液晶显示屏
图8.412864LCD液晶显示屏