基于加速度芯片的空间鼠标设计.docx

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基于加速度芯片的空间鼠标设计

基于加速度芯片的空间鼠标设计

摘要

本文阐述了一种基于MEMS加速度传感器MMA7260QT、微处理器STC89C51RC的空间鼠标系统的设计。

该系统测量手移动的加速度信息用于控制二维的坐标运动。

该系统由以下几个主要部分组成：

1）MEMS加速度传感器；2）微处理器；3）A/D转换电路；4）机械鼠标电路部分。

该鼠标系统通过加速度传感器检测移动的加速度信息，通过模数转换芯片TLC549将模拟信息转换为数字信息输出到微处理器中，经微处理器处理后将加速度信息转换成位移信息送往鼠标芯片，再由PS/2口送入电脑以控制光标的运动。

该设计的优点是无须特定的桌面，在空间即可操作鼠标。

关键词：

空间鼠标；MEMS加速度传感器。

Designofmid-airmousebasedontheMEMSmicro-accelerometer

Abstract

Inthispaper,wedescribeamousesystemdesignbasedonmicro-accelerometerMMA7260QTandmicro-processorSTC89C51RC.Thesystemmeasurestheaccelerationofhandmovementswhichareconvertedintotwo-dimensionallocationcoordinates.Thesystemconsistsofthefollowingmajorcomponents:

1）MEMSaccelerometers;2）microprocessor;3）A/Dconversioncircuit;4）mechanicalpartofthemousecircuit.Themousesystemdetectaccelerationofthemovementthroughtheaccelerationsensor,andtheanaloginformationisconvertedtodigitalinformationoutputtothemicroprocessorthroughtheanalog-to-digitalconverterTLC549,themicroprocessorwillconvertthedigitalinformationintotheaccelerationdisplacementinformationandsentittothemousechipbythePS/2interfacetocontrolthecursormovementonthescreen.Themeritsofthedesignisthatwecanoperatethemouseinspacewithoutaspecificplane.

KeyWords:

air-mouse;MEMSmicro-accelerometer

目录

摘要……………………………………………………………………………….………..1

Abstract…………………………………………………………………………….……....2

第一章绪论……………………………………………………..……………5

1.1选题的目的与意义……………………………………………..……………………..5

1.2国内外技术研究概况………………………………………………..………………..5

1.2.1鼠标的发展历程简介…………………………………………………..……….5

1.2.2国外研究概况…………………………………………………………….……..7

1.2.3国内研究概况…………………………………………………………...………7

1.3本文主要工作…………………………………………………………..………….….7

第二章系统概述……………………………………………………………..….…….8

2.1系统要求与条件……………………………………………………………….………8

2.2系统设计思想………………………………………………………………………….8

第三章鼠标系统硬件设计…………………………………………………9

3.1鼠标硬件系统概述……………………………………………………………………9

3.2信号采集模块…………………………………………………………………………9

3.2.1MEMS加速度计MMA7260QT的选择………………………………………..9

3.2.2A/D转换芯片TLC549的选择…………………………………………………11

3.2.3加速度信号处理……………………………………………………….……….13

3.3微处理器模块………………………………………………………………………...13

3.3.1单片机STC89C51的选择……………………………………………………..13

3.3.2单片机程序下载接口……………………………………………………..……14

3.4鼠标电路模块…………………………………………………….…………………..15

3.4.1鼠标电路控制芯片HT6523…………………………………………….…….15

3.4.2鼠标的接口方法……………………………………………………….……...16

第四章鼠标系统软件设计…………………………………………………17

4.1软件开发环境介绍…………………………………………………..……………….17

4.2鼠标软件系统概述……………………………………………………………………18

4.3鼠标系统微处理器软件设计…………………………………..…………………….18

4.3.1微处理器加速度值采样………………………………………….…………….18

4.3.2加速度到位移的数字信号变换………………………..………………………19

第五章鼠标系统调试………………………………………………………20

5.1鼠标电路模块调试…………………………………………………….……………..20

5.2加速度模块调试……………………………………………………………………...21

第六章结论与展望………………………………………………………...21

6.1结论……………………………………………………………………………………21

6.2需近一步研究的问题…………………………………………………………………21

谢辞………………………………………………………………………….22

参考文献……………………………………………………………………..23

附录1鼠标系统设计电路图………………………………………….…..24

附录2鼠标系统设计实物图………………………………………………25

第一章绪论

1.1选题的目的与意义

如今随着科技的进步，电脑越来越普及，作为人与计算机交流使用最频繁的设备之一，大家对鼠标自然一点也不陌生。

鼠标的出现，大大提高了人们的工作效率，随着不同类型鼠标的相继出现，人们对鼠标也越来越关注。

从第一款鼠标的出现至今，鼠标已经有了四十几年的发展，在这期间，鼠标从机械到光电，从有线到无线发生这巨大的变化。

但是这些鼠标有一个共同的特点，就是鼠标的工作必须在平面上进行，这在很大的程度上限制了鼠标的使用，因此有必要设计一种鼠标，其工作范围可以脱离平面的束缚，实现空间的使用操作，这样可以方便人们各种不同的需求。

同时，随着人类科技的快速发展，形成了多学科交叉融合的科学，与此同时涌现出大量的智能化技术和产品，并得到广泛的应用。

微电子机械系统（MicroElectronicMechanicalSystem,MEMS），即微机电系统，是在20世纪80年代末在微电子技术和硅微细加工技术基础上形成的新兴学科。

MEMS研究的范畴很广，MEMS加速度传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传感器具有体积小，质量轻，便于集成的优点，硅加速度传感器越来越得到人们的关注。

由此，将MEMS加速度器应用于鼠标，设计出空间鼠标将会大大提高鼠标的可操作性，因此，对于空间鼠标的研究十分必要。

1.2国内外技术研究概况

鼠标作为人们操作电脑最频繁使用的外设之一，自其诞生开始便涌现出了许多的技术，并且仍在发展当中。

1.2.1鼠标的发展历程简介

鼠标的发展历程可以概括为如下几个阶段：

1968年，世界上第一个鼠标诞生（图1-1），是一个小木头盒子，里面有两个滚轮，只有一个按钮，它的工作原理是由滚轮带动轴旋转，并使变阻器改变阻值，阻值的变化就产生了位移讯号，经电脑处理后屏幕上指示位置的光标就可以移动了；

图1-1最早的鼠标

1981年，第一只商业化鼠标诞生，仍旧是机械鼠标，出现滚球鼠标（图1-2）；

图1-2机械鼠标

1983年，罗技发明了第一只光学机械式鼠标，成为日后的行业标准；1999年，微软公司与安捷伦公司合作发布了IntelliEye光学引擎，以及第一只光学鼠标（图1-3）；

图1-3光学鼠标

2004年，世界第一款激光鼠标同时诞生了，它便是罗技推出的MX1000激光无线鼠标。

虽然至今为止鼠标的种类很多，但以上的鼠标可以概括为两种，机械式和光电式，但是由于机械式鼠标的磨损和光电式技术的限制，它们终将会被新的鼠标——非接触式空间鼠标所取代。

非接触式鼠标是加速度芯片在姿态检测和动作识别方面的典型应用，它应用加速度芯片作为检测元件，根据受力的变化来检测加速度的大小，通过运算即可得到位移的变化，由此便可实现不依赖于任何平面就可以控制光标。

1.2.2国外研究概况

国外一些学者就曾应用加速度芯片设计过这种鼠标，斯坦福大学的ChristopherW.kung和PeterWang在其名为“ECE476FinalProject”的课题中设计了一款名为“Gmouse”的鼠标，通过RS232与PC通信，效果很好。

美国Washington大学ToddMorton教授利用ADX202加速度传感器成功实现了无线倾角加速度鼠标，该鼠标通过USB口与PC机进行通讯。

麻生理工学院的ShirleyLI等人成功研制集于加速度传感器的三维无线鼠标，该鼠标采用LTS30L02三轴加速度传感器和CC1010射频收发芯片，处理单元采用FPGA，它也是通过倾角使用来控制鼠标。

英国伯明翰大学Humphreys等人研制了一种三维鼠标，利用回转仪可以控制电脑屏幕上三维立体的旋转。

微软公司申请了可穿戴式鼠标的专利，根据这个专利，微软公司将设计空中无线技术的鼠标市场。

1.2.3国内研究概况

在国内，2002年，东南大学的李宏升申请了名为“移动式全电子惯性鼠标”的实用新型专利，专利号为01238153.5，它利用加速度信号积分后并进行分频产生速度脉冲，再配合专用的鼠标IC芯片实现。

同时，北京大学张乐平，上海交通大学黄得志等都进行了基于加速度传感器鼠标方面的研究。

在台湾地区，台湾的AlphaPlus半导体公司在2002年成功开发了具有3轴加速度传感器和无线功能的鼠标。

1.3本文主要工作

本文阐述了一种基于MEMS加速度传感器的空间鼠标的设计。

本文的主要工作为：

通过对加速度传感器特性的研究，设计出合理的硬件电路，采集人手移动的加速度信息，以控制光标的移动。

软件部分则主要是对加速度信息的处理。

本文的内容安排如下：

第一章，绪论。

介绍研究的背景、目的和意义，以及国内外研究概况和本文的主要任务。

第二章，系统概述。

讲述了系统的要求及其设计方法，给出了系统的总体设计思想和总体框图。

第三章，鼠标系统的硬件设计。

介绍了鼠标系统的各个模块组成，以及各器件的选择依据。

第四章，鼠标系统的软件设计。

主要讲述了如何利用单片机对加速度传感器输出的加速度信息进行处理。

第五章，鼠标系统调试。

通过仿真，验证系统设计的可行性。

第六章，结论。

对全文进行了总结并给出后续工作。

第二章系统概述

2.1系统要求与条件

该系统需要考虑两个重要的因素：

精确性和灵敏度。

通常人的生理反应速度比微控制器的处理速度慢很多，为了满足精确性的要求，来自人手的加速度值应该达到一定的值。

灵敏度是微加速度计最重要的性能系数之一，其定义为每单位加速度变化的大小。

综合考虑加速度计的灵敏度、增益和噪声等因素便可确定加速度计能确定的最小加速度值。

为了实现鼠标的功能，需选择一个灵敏度较高的加速度传感器。

2.2系统设计思想

传统的机械鼠标器底部有1个露出一部分的塑胶小球，当鼠标器在操作桌面上移动时，小球随之转动，在鼠标器内部装有3个滚轴与小球接触，其中有2个分别是X轴方向和Y轴方向滚轴，用来分别测量X轴方向和Y轴方向的移动量，另1个是空轴，仅起支撑作用。

拖动鼠标器时，由于小球带动3个滚轴转动，X轴方向和Y轴方向滚轴又各带动一个转轴（称为译码轮）转动。

译码轮（见图2-1）的两侧分别装有红外发光二极管和光敏传感器，组成光电耦合器。

光敏传感器内部沿垂直方向排列有2个光敏晶体管A和B。

由于译码轮有间隙。

故当译码轮转动时，红外发光二极管发出的红外线时而照在光敏传感器上，时而被阻断，从而使光敏传感器输出脉冲信号。

光敏晶体管A和B被安放的位置使得其光照和阻断的时间有差异。

从而产生的脉冲A和脉冲B有一定的相位差。

利用这种方法,就能测出鼠标器的拖动方向。

[11]

图2-1译码论和光敏传感器工作原理

本文设计的为一个基于加速度传感器的空间鼠标，是在传统的机械鼠标的基础上经过改造成的。

通过加速度传感器来获取方向信息，经单片机处理后生成具有一定相位差的脉冲信号以控制光标的移动，即可省略上述机械鼠标的译码轮和光敏传感器部分，以加速度传感器取代之。

由于不需要滚轮，所以该鼠标可实现空中操作。

第三章鼠标系统硬件设计

3.1鼠标硬件系统概述

本设计中的鼠标硬件系统有以下三个主要模块组成：

1）加速度信号采集模块，2）加速度信号处理模块，3）鼠标电路模块。

如图3-1所示

图3-1鼠标硬件系统模块

其中加速度采集模块包括加速度传感器和A/D转换芯片两部分，加速度处理模块为微处理器部分，通过加速度信号采集模块采集到加速度信号后送入加速度处理模块，经微处理器处理后产生相应的方波脉冲以控制鼠标电路。

各模块的介绍如下。

3.2信号采集模块

该模块通过加速度传感器检测加速度信息并以模拟量输出，通过A/D转换，读入到单片机中，经处理后即可送入鼠标模块控制光标的运动。

3.2.1MEMS加速度计MMA7260QT的选择

加速度传感器是本设计中的核心器件，本设计中选用Freescale公司的MMA7260QT三轴小量程加速度传感器。

MMA7260QT低成本微型电容式加速计采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供重力加速度选择功能，从而实现了在4个灵敏度中的选择。

在出厂时就设置了零重力加速度补偿的全量程和滤波器截止，不需要外部设备。

产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选。

MMA7260QT的特性如下：

1）可选灵敏度（1.5g/2g/4g/6g）

2）低电流消耗：

500μA

3）休眠模式：

3μA

4）低操作电压：

2.2V—3.6V

5）6mm×6mm×1.45mmQFN封装

6）高灵敏度（800mV@1.5g）

7）集成信号调理和低通滤波器

8）设计稳定，防震能力强

9）无铅焊锡

10）环保封装

11）成本低

产品的顶视图和底视图如下（图3-2）：

图3-2MMA7260QT顶视图和底视图

由图3-2左图即可看出MMA7260QT的引脚定义，各引脚定义功能如下（图3-3）：

图3-3MMA7260QT引脚功能表

MMA7260QT提供了四种可供选择的灵敏度（1.5g/2g/4g/6g）（图3-4）

图3-4g-Select引脚描述

在本设计中，为了达到要求的灵敏度，将MMA7260QT的g-Select1和g-Select2引脚接低电平，以选择1.5g档的灵敏度，即加速度传感器能检测到的最小加速度值为1.5g，对应的灵敏度是800mV/g，可以测出人手的加速度变化。

为抑制噪声对输出的影响，MMA7260QT通常需外接滤波电路。

本文采用RC低通滤波。

取R=1KΩ，C=0.1μF，则可以计算出截至频率为f=1/2πRC=1592.4Hz,由于加速度芯片的工作频率远小于此，所以可以达到滤除高频噪声的目的。

MMA7260QT典型的连接方式如下（图3-5）：

图3-5MMA7260QT连接图

3.2.2A/D转换芯片TLC549的选择

MMA7260QT的输出为与加速度值成比例的模拟电压值，因此必须经过A/D转换后才可以用微处理器处理。

本文采用TexasInstruments公司的CMOS工艺8位串行逐次逼近型的A/D转换器TLC549。

它具有成本低、功耗小、接线少和封装小的特点，并且具有较高的数据传送速率和较高的转换精度。

TLC549的特性如下[3]：

1）8位分辨率A/D转换器，串行输出。

2）采用开关电容设计，可在整个工作温度范围内（自然通风）实现低误差传送，总不可调整误差为+/-1LSBMAX。

3）片内有系统时钟。

4）CMOS工艺，可使用4.5V到5.5V的工作电压，工作电流仅为0.8～2.5mA。

5）提供8脚DIP，20脚FK封装。

TLC549引脚图如下（图3-6）：

图3-6引脚图

TLC549引脚定义[3]：

·CS芯片使能端。

其电平的高低及其边沿信号，使能芯片的内部操作。

·ANALOGIN模拟信号输入端。

·REF+,REF-为正负基准电压。

最大输入电压的范围由REF+和REF-之间的电压差值决定。

当输入电压大于REF+时，数字输出为满刻度，当输出小于REF-时，数字输出为零。

·I/OCLOLK输入/输出时钟。

I/OCLOLK接受串行时钟并实现下列两个功能：

①在I/OCLOLK的第4个下降沿，模拟输入电压开始对电容阵列充电直到I/OCLOLK的第8个下降沿，以便在片内形成模拟转换电压。

②把前次转换结果的低7位串行从DATAOUT输出。

·DATAOUT数据输出端。

该端口为三态输出端口。

当CS为高电平时，该端口处于高阻状态；当CS为低电平时，该端口有效，输出A/D转换值。

·Vcc,Gnd电源和地。

TLC549与单片机89C51的典型的接口电路如下（图3-7）：

图3-7典型接口电路

TLC549的工作时序图如下（图3-8）：

图3-8TLC549时序图

在I/OCLOLK的第4个下降沿开始系统内部进行采样，在I/OCLOLK的第8个下降沿后进行转换。

当CS为低电平时，前次转换结果的最高位出现在DATAOUT端口上，并且其它位分别在I/OCLOLK的下降沿从该端口逐位移出。

3.2.3加速度信号处理

MMA7260QT测得的加速度信息为模拟量，经A/D转换后方可为微处理器识别，其处理流程如下所示（图3-9）：

图3-9处理流程框图

3.3微处理器模块

模拟加速度值的采集和鼠标电路模块的控制都是由微处理器完成的。

本节主要介绍微处理器模块部分。

3.3.1单片机STC89C51的选择

本文采用的是宏晶科技推出的STC89C51RC/RD+系列单片机，该系列单品机具有超强的抗干扰/高速/低功耗的优点，指令完全兼容传统的8051单片机。

STC89C51RC具有如下特点：

1）增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU。

2）工作电压。

5.5V-3.4V。

3）工作频率范围：

0-40MHz。

4）ROM4K，RAM512字节，看门狗，32个通用I/O口，3个16位定时器/计数器。

5）支持ISP功能。

STC89C51RC引脚图如下（图3-10）：

图3-10STC89C51引脚图

3.3.2单片机程序下载接口

由于本设计中选用的STC89C51RC单片机支持ISP功能，ISP功能的优点是无需编程器即可在用户系统上下载/烧录用户程序，因此可通过串口配合PC端的控制程序即可下载程序。

程序下载接口如下（图3-11）所示：

图3-11程序下载接口

STC89C51RC单片机程序下载时可通过STC提供的下载软件STC-ISP.EXE下载程序。

3.4鼠标电路模块

3.4.1鼠标电路控制芯片HT6523

由于该设计是在机械鼠标的基础上改造而成的，所以对原鼠标电路部分介绍如下。

该电路中使用鼠标电路控制芯片HT6523。

其特性如下：

1）与IBM的PS/2鼠标兼容

2）集成晶振电路

3）6MHz的时钟频率

4）支持测试模式

HT6523的引脚图（图3-12）：

图3-12HT6523引脚图

HT6523引脚定义如下（图3-13）：

图3-13HT6523引脚定义

HT6523典型应用如下图（图3-14）

图3-14鼠标电路模块

3.4.2鼠标的接口方法

鼠标器较早使用的是串行口RS-232，亦即AT口，现在较多使用的是串行口PS/2和USB口，使用PS/2口和USB口不占用常规的串行口，还可以使鼠标的响应速度更快。

本文中使用的鼠标电路的接口为PS/2口，PS/2鼠标接口为6针母插，其引脚图如下：

图3-15PS/2口

PS/2鼠标接口引脚定义如下：

图3-16PS/2引脚定义

整个硬件部分的设计电路图见附录1。

第四章鼠标系统软件设计

硬件部分设计完成后整个设计差不多才完成了一半，软件部分的设计对整个系统的完善起到至关重要的作用。

4.1软件开发环境介绍

硬件电路设计完成后，系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。

系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，很大程度上取决于功能完善、算法先进的软件设计。

本文中所有程序均采用C语言，由于C语言是一种编译性程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。

C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。

一个C51源程序编写完后并不能直接投入到项目和工程中去，必须经过编译，链接生成绝对目标文件，然后才能固化到EEPROM中去或下载。

C51开发流程图如下（图4-1）[3]：

图4-1C51开发流程

对上图描述如下：

①规划整个项目，包括硬件的设计和软件的分工。

②编写源程序，并把它输入到文件保存以便编译。

③用编译器编译源程序，生成目标文件，如有必要，可把生成的目标模块放入库中。

④连接和定位，让目标文件分配到特定的存储位置。

整个程序通常有几个源程序，它们分别编写，或许也有库包含在内。

⑤利用目标-十六进制-符号转换器OHS51将目标文件转换成十六进制（HEX）文件，HEX文件可以写入到到EEPROM中进行程序的固化。

⑥结合硬件运行程序。

如需修改，可调整源程序，并重复以下过程。

⑦通过调试，项目完成。

本文在程序设计中使用的是KeilC51集成开发环境，KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上