基于加速度计的无线鼠标毕业论文.docx

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基于加速度计的无线鼠标毕业论文

基于加速度计的无线鼠标

学院：

机械与电气工程

专业：

电气工程及其自动化

摘要

本设计针对传统鼠标只能在桌面上使用的不足，设计出一种基于微加速度计的无线鼠标，它不仅具有教学激光笔上下翻页的功能，而且能在空中依靠鼠标的偏转角度实现电脑桌面光标的移动、鼠标点击的功能，本设计以微加速度计ADXL345作为信号检测元件，并采用低功耗低成本微控制器STC15L2K60S2和RF芯片nRF24L01进行信息处理与无线传输，通过HT82M98A处理后将信息传给计算机，计算机自动完成相应动作。

关键词：

微加速度计；无线鼠标；低功耗

目录

1.1总体结构框图-1-

1.2系统软件设计-1-

1.3方案比较-3-

1.3.1控制器的选择-3-

1.3.2微加速度计选择-3-

1.3.3无线模块的选择-3-

二、单元模块设计-4-

2.1电路的设计-4-

2.1.1远端控制子系统硬件电路设计-4-

2.1.2主机端信号接收系统电路设计-6-

2.2软件的设计-6-

2.2.1ADXL345微加速度计模块程序设计-6-

2.2.2HT82M98A鼠标控制器程序设计-7-

2.2.3nRF24L01无线模块程序设计-7-

三、系统调试-7-

四、设计总结-8-

参考文献-8-

附录-8-

1.远端控制部分电路原理图-8-

2、主机端接收电路原理图-9-

一、总体方案设计

1.1总体结构框图

本系统主要由无线鼠标发射器、单片机控制系统、无线鼠标接收器和接收系统识别组成。

（a）远端控制子系统结构框图

（b）主机端信号接收系统结构框图

图1-1系统框图

1.2系统软件设计

（a）远端控制子系统程序流程

远端控制用微加速度计获取鼠标的移动信息，每隔5ｍｓ扫描一次。

图1-2远端控制子系统程序流程图

（b）主机端信号接收系统程序流程

接收电路的主要任务是接收无线鼠标传送的各种数据。

接收程序中一次循环所需的时间大约为2.5ms。

必须确保在下一个数据包传来之前，完成全部算法及相应处理工作。

同时也避免新收到的数据包覆盖前一个数据包。

图1-3主机端信号接收系统程序流程图

1.3方案比较

1.3.1控制器的选择

方案一：

采用STC89C52.该单片机软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟等优点，得到了广泛应用.但是51单片内部资源有限，给系统设计过程带来不便。

且影响系统控制等各个环节，不便于实时调控。

方案二：

采用STC15F2K60S2.该单片机包含了89C52的优点,且具有89C52所不具备的一些性能，可不接外部晶振和外部复位电路，使硬件设计更简单；大容量2K字节SRAM；有两个独立串口；内部有8通道高速10位A/D转换器,还具有PWM输出；总的来说，STC15F2K60S2是一种高速，高可靠性，超低功耗的性能更好的单片机。

综合以上二种方案，选择方案二。

1.3.2微加速度计选择

方案一：

采用Freescale公司生产的MMA7455L数字输出（IIC/SPI）微电容调节式加速度感应芯片［1］。

MMA7455L具有X、Y、Z三个方向的感应轴，X、Y、Z三个方向上在工作时的参数是不断变化的，代表这一瞬间该芯片在不同方向上移动的趋势，这三个参数通过简单的数学计算可以得到一个空间向量A，向量A即模拟出了该瞬间芯片在三维真实空间的移动方向，这样，通过不断地采集X、Y、Z的数值，就可以得到鼠标移动的真实轨迹。

方案二：

采用ADXL345三轴数字加速度传感器，ADXL345是ADI公司的三轴数字加速度传感器，工作原理是首先由前端感应器件感测加速度的大小，然后由感应电信号器件转为可识别的模拟电信号，ADXL345中集成了AD转换器，可以将此模拟信号数字化，输出的是16位的二进制补码。

最值得一提的它集成了一个32级先进先出（FIFO）存储器管理系统，可用于输出数据的缓冲，降低主机处理器负荷，并降低整体系统功耗。

该芯片主要应用于消费电子的微型惯性器件，最大可感知±16g的加速度,感应精度可达3.9mg/LSB，倾角测量典型误差小于1°,超低功耗。

通过其内置的ADC将加速度信号转换为数字量存放在片内缓冲区，在实际使用中，为提高输出数据的稳定性,设置感应范围为±2g，感应精度为3.9mg，可以满足人体动作加速度范围与精度要求。

ADXL345可以通过SPI总线或I2C总线与单片机连接，本产品选择的单片机STC15F2K60S2I2C接口，但是可以采用I/O口模拟I2C总线或SPI总线接口的方法连接。

综合以上二种方案，方案二功耗更低，更容易实现，故选之。

1.3.3无线模块的选择

在几种短距离无线通信的比较当中,红外方案有一定的方向性,而蓝牙技术比较复杂,价格比较高,而无线射频通信技术无论是从系统开销，电池寿命还是成本方面都占有很大优势,同时它低传输速率的特点,恰恰适合发送信息量非常小的无线鼠标设计。

nRF24L01无线射频模块是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHzISM频段，最高工作速率达2Mbps,信号空中传输时间很短，极大降低了无线传输中的碰撞现象和电流消耗，该芯片融合了增强型ShockBurst技术，能自动处理字头和CRC效验码，使用方便。

该芯片功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式），使节能设计更方便。

二、单元模块设计

2.1电路的设计

2.1.1远端控制子系统硬件电路设计

远端控制子系统硬件部分主要由主控电路、微加速度计模块电路和无线射频模块电路和按键部分电路等组成。

（1）ADXL345可以通过SPI总线或I2C总线与单片机连接，我们采用单片机模块STC15L2K60S2的I/O口模拟I2C总线接口的方法将ADXL345与单片机模块连接起来，SDA连接单片机P4.3口,SCL连接单片机的P4.4口。

其具体电路图如图2-1所示。

图2-1ADXL345模块与单片机连接电路原理图

（2）NRF24L01的SPI接口可以利用单片机I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。

如图2-2，微控制器通过模拟SPI总线与nRF24L01连接，控制信号的接收与处理。

图2-2nRF24L01无线模块与单片机连接电路原理图

（3）按键模块主要考虑消抖的问题，我们这里采用软件延时消抖，不过没有采用在主程序中延时，这样很浪费系统资源，而是用定时器延时设置标志变量的方法。

按下按键将I/O口电平拉低，具体电路如图2-3所示。

图2-3按键模块电路原理图

2.1.2主机端信号接收系统电路设计

无线鼠标信号接收电路由无线传输模块nRF24L01、鼠标专用通信芯片HT82M98A、USB端口及其他外围电路组成。

电路如图2-4所示。

图2-4主机端信号接收系统电路原理图

其中，USB端口为HT82M98A提供5V的电源，无线鼠标信号接收电路中，其他芯片使用的电源由HT82M98A自带的电压输出端口V33O提供，供电电压为3.3V。

无线传输模块接收到发射模块传来的移动信息后由I/O口传递到HT82M98A，HT82M98A再将数据传送到电脑的USB口。

HT82M98A的端口USBD+/CLK连接USB数据正端；USBD-/DATA连接USB数据负端。

X1、X2表示鼠标前后移动时（X方向）图像的数据；Y1、Y2表示鼠标左右移动时（Y方向）图像的数据。

Z1、Z2表示鼠标中间滚轮转动的信号数据；M、R、L表示鼠标的左、中、右键按下时的数据；OSC1、OSC2外接6MHz晶振；RESET表示复位输入端，启动时硬件自动复位。

2.2软件的设计

2.2.1ADXL345微加速度计模块程序设计

微加速度计ADXL345与微处理器之间通过I2C总线连接，它们之间的数据传输需要遵循I2C总线协议，寄存器0x32至寄存器0x37分别保存x、y、z轴输出数据，输出数据为二进制补码，DATAx0为最低有效字节，DATAx1为最高有效字节，其中x代表X、Y或Z。

因为ADXL345为16位数据格式，从数据寄存器中获取加速度数据后，用户必须对数据进行重建。

我们利用接口函数Multiple_read_ADXL345（）多字节连续读取寄存器的数据，然后将高字节左移8位和低字节8位相或的方法对数据重建,且对我们来说，只需X和Z方向的加速度数据即可，程序如下：

floattemp;

dis_data=（BUF[3]<<8）+BUF[2];//合成数据

if（dis_data<0）

dis_data=-dis_data;

temp=（float）dis_data*3.9;//计算数据

value_y=temp;

2.2.2HT82M98A鼠标控制器程序设计

HT82M98A的Z2、Z1、Y2、Y1、X2、X1分别与单片机的I/O口相连，这6个I/O口输出高低电平状态使鼠标的光标移动，这些移动的序列构成一个状态机，向X1、X2输出图2-5的波形时可以得到如下信息：

图2-4X1/X2的状态机输入

在Ｃ语言程序中用positivea和positiveb代表上面的波形。

当循环向HT82M98A的X1、X2引脚输出这组波形时，光标右移。

假设获取X的移动值为50，则光标需要移动50个单位长度，移动过程如下：

Initialise_state（void）函数用于初始化状态机：

Shifxa=positivea;//204

Shifxb=positiveb;//102

Shift=0;

判断这两个变量的最高位，为1则输出为高，为0则输出为低。

判断1次代表移动一个像素，然后X的值减1；Shifxa和Shifxb向左移一位，用于检测下一个状态值，Shifxa加1代表向左移了1位，为8意味着Shifxa向左移了8位。

此时Shifxa=0需要重新赋值并进入下一个循环。

2.2.3nRF24L01无线模块程序设计

进行数据传输时，发送方将按照无线通信协议封装后的数据存入发送数据缓冲队列，启动发送，发送完成后，发送方自动转入接收模式，准备接收应答信号。

若在设定的等待时间内，接收到应答信号则视为发送成功，则发送方自动清空发送数据缓冲队列，进入下一次发送过程或转入待机模式；若在设定的等待时间内，没有接收到应答信号，则视为发送失败，发送方将自动重发数据，当自动重发次数超过设定值时，产生中断。

接收方不断检测射频信号，发现有效数据包时，便将其存入接收数据缓冲队列，并产生中断，接收完成后，自动转入发送模式，发送应答信号。

三、系统调试

本设计的硬件电路由发射和接收电路组成，其中接收电路安装在电脑附近，由电脑USB接口提供5V电源。

发射电路先采用ADXL345加速度传感器检测鼠标的移动信息，然后输出到单片机I/O口，经无线模块将此信息发射到接收电路。

接收电路接收到移动信息后，根据鼠标位移状态机解码算法，得到移动信息及按键信息，通过HT81M98A处理后将信息传给计算机，计算机自动完成相应动作。

然后不断的循环。

每一次鼠标信号处理总时间不大于1ｍｓ，计算机自动识别无线鼠标，不需要额外安装程序，无线鼠标移动灵活。

经测试，该电路不仅具备普通有线鼠标的全部功能，还可远距离灵活操纵鼠标。

四、设计总结

此次的设计，其实也是我们所学知识的一次综合运用，让我深深的认识到了做电子设计要有一定的基础，要有电子技术方面的数字电路和模拟电路等方面的理论基础，特别是数字电路；也要有编程语言的汇编语言或C语言。

我们不能学到后面就忘了前面的知识，更应该将所学的知识紧紧的结合在一起，综合运用，所谓设计，就是要求创新，只有将知识综合运用起来才能真正的设计好。

参考文献

[1]叶达，程勇，薛庆军.基于2.4GHz射频通信的多功能鼠标设计[J].单片机与嵌入式系统应用，

[2]王海红.双轴加速度传感器ADXL210E及在三维鼠标中的应用[J].科技信息，2010（18）：

216.

[3]陈义华.基于加速度传感器的定位系统研究[D].厦门：

厦门大学，2006.

附录

电路原理图

1.远端控制部分电路原理图

2、主机端接收电路原理图