3D无线鼠标的原理样机设计

目录摘要1第一章 绪论31.1课题研究背景31.2课题研究意义31.3 课题相关技术简述41.3.1 微控制器41.3.2 无线传输技术51.3.3传感器技术5第二章 系统总体架构72.1 系统总方案设计72.2 系统需求分析以及器件选择82.3 电路模块连接8第三章 模块电路设计103.1 USB接口以及稳压模块的电路设计103.1.1 USB接口103.1.2 稳压模块电路设计103.2 微控制器模块电路设计和测试113.2.1开发工具113.2.2 微控制器模块电路设计123.2.3 电路实物测试133.3 MPU6050模块电路设计143.4 NRF24L01模块电路设计15第四章 PCB板的绘制174.1 PCB板封装尺寸设计174.2原电路在PCB板上的设计改动174.2.1 稳压器器件选择的改动174.2.2 按键部分的改动184.4系统电路的PCB板绘制19第五章 结果20参考文献22致谢23摘要鼠标作为电脑的一个必要部件，在电脑的使用过程中扮演着重要角色。随着科技的进步和市场的需求，鼠标也经历着快速的发展。尤其是当多媒体系统不断在各个场合深入应用时，传统的有线鼠标或者无线鼠标在使用中都离不开对桌面等平台的依赖，此时传统鼠标的弊端骤显。而近些年来发展的适用于多媒体演示时的无线激光器在会场中也存在诸多弊端。因此，市面上急需一种适用于大型演讲现场的3D无线鼠标，用手部的三维运动来控制电脑或多媒体屏幕上的鼠标的二维运动。本文通过运用加速度传感器、陀螺仪、STM32微控制器以及2.4G无线传输模块来实现3D无线鼠标的功能。先后完成了对系统总体架构的分析、模块电路的设计、PCB电路的设计和制作等工作，最后配合软件对电路进行了测试，完成了一款可方便实际操作的3D无线鼠标样机制作。关键词：无线鼠标，2.4G无线传输，加速度传感器，陀螺仪，USB接口AbstractThe mouse plays an important role as a necessary part of the computer. With the advancement of technology and the market demand, the mouse has also experienced rapid development. Especially when the multimedia system is continuously applied in various applications, The traditional wired mouse or wireless mouse have to rely on the desktop and other platforms in use, the drawbacks of the traditional mouse is very obvious at this time. In recent years, wireless lasers that are suitable for multimedia presentations have also had many drawbacks in the venue. Therefore, there is an urgent need in the market for a 3D wireless mouse suitable for a large-scale speech scene, which use Three-dimensional movement of the hand to control the two-dimensional movement of the mouse on a computer or multimedia screen This article uses the acceleration sensor, gyroscope, STM32 microcontroller and 2.4G wireless transmission module to achieve the 3D wireless mouse function. Has completed the analysis of the overall system architecture, module circuit design, PCB circuit design and production work, and finally with the software to test the circuit, completed a practical 3D wireless mouse prototype can be easily produced.Keywords: wireless mouse, 2.4G wireless transmission, acceleration sensor, gyroscope, USB interface第一章 绪论1.1课题研究背景随着人们对多媒体系统不断深入应用，传统鼠标的一些缺点在多媒体环境下也慢慢显现出来，普遍存在如何将现代化设备和人的演讲习惯有机结合的问题。在多媒体系统中使用有线鼠标显然会造成一些问题，比如在演示过程中，需要一直守在电脑旁边，一边操作电脑一边进行讲解；在需要重点强调的地方，还需要站起身以便进行指点。尤其是在大会场的环境下，这种缺点将更加明显，甚至可能会因为会场内屏幕太大而用手或者教鞭指点不上，也更限制了演讲效率。这样，本来提供方便的先进的多媒体演示设备，不但没有达到效果，反而把演讲者束缚在了讲台上，限制了演讲者与听众间的互动和交流。基于以上问题，如何让使用者在演示时彻底解放出来，最大限度的发挥肢体语言的优势，自由的与听众交流互动，真正实现生动、完美的演示，成为一个重要的技术课题和市场商机。因此，无线激光笔或电子教鞭也应运而生。无线激光笔的产生解决了上述使用有线鼠标的一些问题。并且在用激光进行指示时，灵敏度高。但在使用过程中，尤其是在会场中，往往还存在一些问题，比如使用激光在屏幕上给演讲者进行指示时，往往由于激光点不够大、或者相较屏幕激光亮度不够而导致听众在偌大的投影屏幕上找不到激光光斑，达不到重点关注的效果。市面上也存在一些带有无线鼠标功能的激光笔。但是，在将无线激光笔产品中的鼠标功能用于多媒体时，很多低端产品会发生鼠标键定位不准、发飘、画不了直线、卡顿等一系列问题，导致使用不灵敏、不流畅。而高端产品价格又高达数百元，普及度不够。现在市面上还存在一些空中飞鼠，但其定位为:智能电视、机顶盒等设备的人机交互设备。使用思路为通过按键和鼠标来对智能电视和机顶盒等进行操作。其按键繁多且外形设计复杂凹凸，不利于用于PPT演示。1.2课题研究意义本课题致力于完成一款功能齐全、操作简便、低功耗、低成本的3D无线鼠标1的原理样机制作。此款无线鼠标定位为：方便用于在会场内演示的电子教鞭。相较于市面上的空中飞鼠，我们将其定位为适用于演示的无线鼠标，功能键简洁。相较于市面上的无线激光笔，此款鼠标用电脑内自带的鼠标箭头而非激光来实现重点关注以及圈注等功能；也会提高无线鼠标的灵敏度，完善其智能性，使使用时更加流畅、舒服；在设计过程中，会注重低成本以及低功耗的设计。 1.3 课题相关技术简述要完成一款无线鼠标的开发，综合了多项技术，包括传感技术，无线传输技术、微控制器编程、USB 数据接口等方面，需要硬件与软件的相互配合。在本课题中，着重于完成无线鼠标的硬件开发。现对本课题涉及的一些相关技术作一简述。1.3.1 微控制器微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。例如电机控制、消费类电子、电话、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化等。近年来微控制器正朝着 CMOS 化，低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等方向发展。现在市面上的微控制器种类繁多，发展迅速，让开发者们应接不暇。各个厂商们的产品也在速度、内存、功能上有着很大的差别。现在市面上具有代表性的微控制器有STM32、AVR、以及国内的STC等。但在这其中， STM32是一款性价比超高的系列单片机，具有专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M内核，片上集成8-512KB的Flash存储器，以及2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。同时具有一流的外设：4 Mbps的UART，18 Mbps的SPI等等，串行调试(SWD)和JTAG接口。在功耗和集成度方面也有不俗的表现。由于其简单的结构和易用的工具再配合其强大的功能在行业中赫赫有名。本课题基于成本和功能考虑，选用意法半导体公司的 STM32系列作为系统的控制芯片，并用 Keil C51软件开发平台完成对微控制器的编程。1.3.2 无线传输技术对于无线传输技术，现在市面上主流的的无线数据传输技术主要有：红外技术、蓝牙技术、2.4G无线技术、WIFI技术等等2。红外技术是一种点对点的短距离传输技术，即传输方向具有很强的方向性，需要将发送端与接收端射器完全对准才可以实现数据的传输，并且要求发送端与接收端之间不能有阻挡物，这对于演讲者的演讲显然还是有一定局限性的，不适用与会场的情况。蓝牙技术工作在全球大多数国家均免授权免费使用的ISM无线频段（2.4-2.485GHz），可以全方位传送且具有穿透能力，由于采用自适应跳频技术使其具有超强的抗干扰能力。蓝牙还具有成本低、功耗低，芯片尺寸小等特点。2.4G无线技术也是工作在ISM频段，工作模式为全双工模式传输，采用了自适应跳频技术，传输距离更是可达10m以上。它理论上具有2Mbps的数据传输速率，比蓝牙的1Mbps整整提高了一倍，为应用层提供了可靠的技术保障。也具有低功耗，低成本的特点。目前市场上支持2.4G通信的底层芯片也有很多，比如TI的CC2500系列芯片和NORDIC公司的NRF24L01系列芯片等。一般芯片厂商会将2.4G模块和主控芯片封装在同一块芯片上，而数据通讯层协议则由用户自主制定和开发3，因此其通讯安全性特别高；并且在2.4G无线开发技术中，可自行定义简单的上层协议而无需缴纳高额的协议费用，这也是该技术大行其道的主要原因。目前市面上的空中飞鼠、键盘、无线音频设备大多使用该项技术。WIFI技术也是工作在2.4G的ISM频段，也有较强的抗干扰能力并且其传输速度可高达54Mbps,带宽可以自行调整为11Mbps,2Mbps，或1Mbps。且其传输距离可达100m。虽然其优点众多，但是现在市面上的WIFI模块也有价格贵，开发成本高，功耗大等缺点。显然不适用于本文的设计思路。1.3.3传感器技术关于传感技术，目前有鼠标上有多种传感技术可供选用，例如：光电传感技术4、MEMS技术5、触摸屏6等等。触摸屏并不满足我们对此款3D无线鼠标的三维的使用方法，在实际中也不适用于演示时的操作；而光电传感芯片（例如ADNS-3080）成本较高，且由于是视频图像，传输数据较多。考虑到本课题只需要实现对三维手势运动趋势信息的采集和发送以及考虑到成本问题，于是采用了集成的MEMS加速度计和陀螺仪来对手部运动数据进行采集。第二章 系统总体架构本章将从整体上介