吴富民+刘凡齐

【摘要】 鼠标的出现是人机交互领域一个重大突破，为了快捷便利地操作计算机，摆脱传统鼠标的操作都离不开以桌面为使用的限制。提出了运用先进的MEMS传感器技术，将这项技术应用于鼠标，研究并设计一款基于MEMS技术的无线空中鼠标，实现无线空中鼠标的小型智能化，并具有高定位精度和平滑性。通过采用加速度传感器、陀螺仪、STM32微处理器、无线收发模块和USB接口来构建整个无线空中鼠标系统。实际应用表明，该系统具有操作简便、测试准确的特点，达到了设计要求。

【关键词】 空中无线鼠标 MEMS传感器 智能化 STM32微处理器 无线收发模块

鼠标的出现是人机交互领域一个重大突破，它为计算机的操作提供了快捷便利的条件。鼠标的发展经历了机械、光电及当前广泛运用的光学鼠标，这些鼠标的操作都离不开以桌面为使用的限制。然而，在很多苛刻的环境下无法提供桌面时，传统鼠标的使用就会受到极大的局限性。目前，国内外对这种基于MEMS技术的无线鼠标均有一定的研究。美国密歇根大学很早就已经将双轴加速度计应用到鼠标的领域，但是基于MEMS无线鼠标设计大部分都是测量位移特性控制鼠标移动。2002年，香港中文大学设计了一个基于微加速度传感器鼠标系统；2003年，英国伯明翰大学设计了一种可以控制电脑屏幕上三维立体的旋转的三维鼠标。现在许多国内外高校也相继提出一系列基于MEMS技术的无线鼠标研究。

一、需求分析

空中鼠标是一种输入设备，像传统鼠标一样操作屏幕光标，但却不需要放在任何平面上，在空中晃动就能直接使用，自由方便。基于MEMS技术的无线空中鼠标突破了必须在桌面上使用的限制，使用场合更广泛。作为一种新的输入设备，无线空中鼠标不需要借助任何平面，就可以直接在空间中实现鼠标的功能，操作简单、体验感强且功耗低。采用这种多传感器信息融合的鼠标系统，相比于单一传感器系统有着许多优点，增加了系统的配置，提高了鼠标系统的容错能力；各个传感器之间能够优势互补，从而得到鼠标姿态信息的最优估计值，增强了鼠标适应实际应用环境的能力，并且提高了鼠标的精度，同时具有较高的平滑性，实用性强。

二、总体设计

无线空中鼠标结构图如图1所示，先利用手持端AD芯片采集相关信号再在单片机上对采集到的信号进行处理，再将处理完善的信号通过NRF24L01无线传输模块传送到电脑端经另一个单片机转码处理，最后输出相关控制信号。

三、硬件设计

3.1主控设计

本设计硬件主控设备采用深联华单片机作为主控芯片，USB 接口芯片为设备与电脑的通信媒介，2.4GHZ 通信模块作为主控设备与特制的遥控器通信手段。 另配有红外线接收装置， 用来和家用电器通信， 以及用家用电器的遥控器控制电脑。 可配有红外发射装置。电路板采用标准的 PCB 双面板， 在板上配有稳压电路， 滤波电路。

特制的遥控器采用的是深联华单片机作为主控芯片，静态重力感应模块作为空中鼠标的信号采集装置， 2.4GHZ 通信模块作为遥控器与主控设备的通信手段。 电路板与主控设备采用一样的标准。

3.2电源设计

本设计中电脑端设备的电源是由电脑 USB 接口的输出电压直接提供，手持端电源采用容量大、充电便捷的4.7V锂电池。再通过 ASM1117 稳压芯片转换为 5V 恒定电压，给单片机、D12、RNF24 供电。AMS1117 能提供稳定的电压输出，精度高达2%；其最高输出电流可达到 1A。除此之外还具有限流功能，过热切断，工作温度范围宽的特点，可以很好地保护和稳定整个电路。

四、软件设计

本设计的软件软件分为三个主要部分

一是：数据采集。

二是：单片机通过USB 接口芯片与实现与电脑的通信。

三是：将不同的控制信号处理后发送给电脑或者家用电器。

在软件设计中，数据采集主要用来检测信号产生，利用实现对相关操作数据的采集；在信号采集过程中， 单片机控制 ADXL345 的采样频率、 倾斜程度来提高鼠标的灵敏度。 在单片机通过USB 接口芯片与实现与电脑的通信过程中先处理ADXL345 采集的信号， 通过特定适合的算法变换， 转化成为控制鼠标指针的控制信号，再运用技术成熟的NRF24L01无线传输技术将处理了的数据信息发送到电脑端。

五、应用

本设计主要应用于多媒体平台和互联网电视等需要精确控制，修改以及远程控制的显示平台。一般的鼠标在使用时必须将鼠标放在桌面上，不能离开桌面。使用遥控器时都习惯于将遥控器直接指向屏幕，用很小的动作调整，而单纯的鼠标不符合客厅中用户对大屏幕电视的操作习惯。采用NRF24L01无线通讯系统的无线空中鼠标，将直接指向屏幕的遥控器改成可调整角度控制的智能鼠标，极大改善用户的使用体验，使用户在不改变遥控器使用方法的同时，更方便的操作各种应用。轻松方便，给用户一种全新的享受。

技术改变生活，也许不久的将来，会有更多的人机操作方式大规模商用化，例如语音识别，手势识别等等。和空中鼠标一样，带给人们的不仅仅是技术的创新，更多的是方便的体验，让我们的生活更加精彩。

六、结论

本设计采用具有高速处理数据能力的STM32为主控芯片，电源设计采用容量大、充电便捷的 4.7V 鋰电池。 再通过 ASM1117 稳压芯片转换为 5V 恒定电压， 给单片机、RNF24L01无线传输模块供电。除此之外还具有限流功能，过热切断，工作温度范围宽的特点，可以很好地保护和稳定整个电路。软件设计采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性和维护性。该设计已初步测试用于本校多媒体教学，实际应用表明该设计具有测试准确、稳定可靠、操作简单等特点，达到了设计要求。