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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

目录

一、系统方案 1

1.测量电路模块的选择 1

2.显示模块的选择 1

3.传感器模块 1

4.电源模块 2

5.方案确定 2

二、理论分析与计算 2

1.理论分析 2

2.计算 2

三、电路与程序设计 3

1.电路设计 3

（1）系统总体框图 3

（2）控制模块系统框图 4

2.程序设计 4

（1）程序流程图 4

（2）判决的流程图 4

四、测试方案与测试结果 5

1.测试方案 5

（1）硬件测试 5

（2）软件仿真测试 5

（3）硬件软件联调 5

2.测试条件与仪器 5

五、测试结果 6

1.测试结果 6

2.误差分析 6

六、心得 6

七、参考文献 7

附录：

电路原理图 8

一、

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。

10

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