摘 要

鼠标是操控电脑的一种非常重要的外设，传统的光电鼠标必须有平面为基础进行光标位置的判断，为了使鼠标摆脱平面的局限，更方便，更随意的控制光标，设计一种利用mpu6050六轴运动处理组件进行信息采集，STC89C51最小系统为微控制器，nrf24l01为无线射频模块的空中无线鼠标，根据鼠标空中不同的姿态，通过姿态算解，得到相应的位移信息，发送给电脑，实现指针的控制功能，加装键盘，使其有左键单双击，右键单双击，滚轮的功能，通过USB协议使设备与电脑进行通信。整个设计算法简单且硬件要求低，做到便捷、稳定、功耗低，设计中还包含滤波、传输距离、鼠标回报率等相关设计。经过测试，实现左右键、滚轮的功能，指针灵敏度较好。

关键词：空中鼠标；陀螺仪；无线射频。

Abstract

The mouse is a very important device to manipulate the computer. The traditional mouse must have a plane based judgment of the position of the cursor. In order to make the mouse out of the plane, it is more convenient and more arbitrary to control the cursor. A kind of mpu6050 six axis motion processing module is designed to collect information, STC89C52 most. The small system is a micro controller, and nRF24L01 is the wireless mouse in the air of the radio frequency module. According to the different posture of the mouse, the corresponding displacement information is obtained through the attitude calculation. It is sent to the computer to realize the control function of the pointer, and the keyboard is installed to make it have the left key single double click, the right key single double click, roller function, the function of the roller, and the function of the roller, through the function of the roller, the function of the roller, through the function of the roller, the function of the roller, through the function of the roller, the function of the roller, through The USB protocol enables the device to communicate with the computer. The design algorithm is simple, the hardware is low, and it is convenient, stable and low power. The design includes filter, transmission distance, mouse return rate and other related design. After testing, the functions of the left and right keys and wheels are realized, and the pointer sensitivity is good.

Key words: air mouse;gyroscope;radio frequency.

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目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3设计内容 3

1．4论文内容安排 3

第2章 空中鼠标技术原理概述 4

2.1空中鼠标技术原理 4

2.2 互补滤波数据融合 4

2.3 加速度计 5

2.4 陀螺仪 5

第3章 硬件的设计与实现 6

3.1传感器模块 6

3.2 射频模块 7

3.2.1Enhanced ShockBurstTM收发模式 8

3.2.2 Enhanced ShockBurstTM发射流程 8

3.2.3 Enhanced ShockBurstTM接收流程 8

3.2.4 ShockBurstTM收发模式 9

3.2.5 待机模式 9

3.2.6 掉电模式 9

3.2.7增强型的ShockBurst TM 模式 9

3.3 处理器模块 11

3.4 USB模块 13

第4章 程序设计 14

4.1发送端程序框图 14

4.2接收端程序框图 14

4.3 驱动程序 15

4.3.1mpu6050 15

4.3.2nrf24l01 16

4.2.3USB协议 18

第5章 总结 20

参考文献 20

致谢 21

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

2009年，电视和互联网在家庭娱乐领域越来越融合。 随着全球互联网电视销售，上海IPTV用户已超过1000万，越来越多的年轻人在DI Y选择HTPC的“住房”。更多精彩内容出现在屏幕电视上，观看高清节目，搜索视频，浏览网页 甚至直接在电脑屏幕上。 用户发现家庭娱乐中心集中在起居室。 放松，舒适。然而，如何控制在客厅成为最大的问题。

另一方面，电视和互联网的功能越来越融合：互联网浏览，网上购物，体感游戏，点播需求等更有趣的互联网内容，电视也被用作电脑屏幕，用户集中他们的家庭娱乐中心到客厅，所以控制功能也集中。 用户希望能够在这个阶段自由操作。 传统鼠标无法满足用户的需求。 应用如何在传统遥控器中集成鼠标的功能，获得家用电器，照明等的实用控制以及自由无阻碍的网页浏览功能成为重要话题。

科学技术的快速进步，一些智能显示终端例如智能电视等越来越普及并且在人们的生活中带来很好的生活体验。设计用于台式计算机WIMP（窗口、图标、菜单、指针）交互存在40多年来，传统光学鼠标在载体表面上的依赖性使之成为载体。但是用户与终端的交互并不能在任何条件下实现，一些情形下是不方便的，用户自然会提出更方便的交互方式的要求。微机电系统（MEMS）传感装置。丰富的传感器和贴近人的便携智慧终端可以为人机交互带来新的途径。^[1]

1.2国内外研究现状

目前，许多团体都进行尝试对无线鼠标加装微机电系统传感器的研究。例如密歇根大学就长期将双轴加速度计应用在无线鼠标的研究上，大多数应用微机电系统传感器的无线鼠标通过感测运动特征来控制指针的移动，但是经过多次的实验测试，微机电系统传感器很难做到位移的精确测量。微机电系统空气感应鼠标采用手势界面技术，利用运动加速的方向和大小转换为鼠标指针的方向和速度，空气感应鼠标通过手势模拟指针，手指的动作模拟按键，例如鼠标的左右键单击、双击，滚轮等。空中鼠标不必像传统鼠标那样必须在平面上使用，使用的情景更加多样化。

随着智能便携式设备的发展，2010年加拿大公司Deanmark介绍便携式AirMouse鼠标的新概念这些部件全部安装在共3个触点的织物手套上。和拇指附近的确认点。 AirMouse使用一个完整的光学引擎。针的移动和左右按钮的咔哒声全部通过光的处理来实现。这样做，手掌可以固定在桌子上或悬挂在桌子上方，更舒适。健身和灵活性。这只鼠标有一些综合的判断和控制系统，使用空中鼠标时，用户无需将其移除并重复使用，你可以自由改变你的工作状态。设计的便携式鼠标主要基于MPU-6050运动处理组件和FLX-03单向弯曲传感器，考虑到不同类型鼠标的优缺点，通过识别手掌的运动，灵活地控制光标，识别手指弯曲要实现各种手势的行动，还要通过确定手臂完成工作的态度进行状态切换。

目前主要有三种空中鼠标的实现方式：第一种是在鼠标中加装摄像头，它通过识别用户的身体行为并将这些行为转换为图像，经过图像处理，来表现用户表达的意图，进而实现用户与终端的交互。计算机视觉主要属于图像识别和处理。图像信号通过视觉传感器获取。通过该算法提取了具有一定特征的目标信息，实现了目标信息的位置跟踪。聪明的工作。这种定位方法可以记录目标运动轨迹，适用于精细的手势轨迹识别其算法复杂，图像处理能力大。它需要面对视觉传感器操作，不能超过捕获范围。服务距离和运行范围有限，设备要求较高。第二种是利用声学的空中鼠标，它可以识别人的声音信息，完成语音指令，从而实现用户与终端的交互。这两种空中对环境的要求比较苛刻，且设备的成本高，所以不会广于推广。惯性传感器定位是一种应用广泛的定位方法。惯性传感器主要用于运载车身体控制和导航检测，利用惯性传感器测量相对于惯性空间的线性运动和角度。运动参数，给定初始条件，输出载波姿态参数和导航定位参数。它的主要它分为两大类:加速度计和角速度传感器，或者陀螺仪。加速度传感器测量得到的加速度值可以通过两个积分转换为位移值。它是用角速度传感器测量的角速度信息可以帮助分析物体运动的偏转方向和旋转运动，两者都有助于重建整体性适用于手势轨迹识别。第三种是使用陀螺仪的空中鼠标，对陀螺仪输出的角速度值进行积分，从而得到鼠标的倾斜角度，然后再将倾斜值的变化反射到处理系统上的坐标变化，来实现指针的控制。对智能手机作为空中鼠标的使用有一定的研究，有一种型号的手机也成功的拥有空中鼠标的功能，虽然陀螺仪的输出值经过优化，但是并没有陀螺仪的体现。在长期的操作中，设计的系统会受到明显的影响，从而导致用户不好的交互体验。精度较低的微机电系统陀螺仪的误差会因为使用时间的增加积累，从而影响整个系统的精度。关于传感器的数据处理一直都是研究难点。有人提出一种基于支持向量机（SVM）和“2”统计量的MEMS陀螺自适应预测补偿模型。这种方法允许陀螺仪在系统冷启动后进入高精度100秒的运行状态。该方法能有效地提高陀螺仪的累积误差，但计算量较大。利用卡尔曼滤波对微机系统传感器的信号进行滤波，虽然噪声波经过过滤，但KF滤波想要经过初始过渡阶段达到稳定状态，需要连续执行，这些操作消耗了大量的系统资源。互补滤波（CF）算法通过融合陀螺仪和加速度计的数据，可以有效地改善传感器数据的漂移。互补滤波的计算量较小，但需要额外的数据来参与计算。启发式漂移减少（HDR）来实现线性加速处理的良好结果，可以用HDR算法来处理传感器数据的随机漂移现象。经过测试，在一定参数条件下，HDR算法可以有效地减小传感器的数据漂移，但在运动情况变化的情况下，参数就很难确定了。便携式智能终端具有多种微机系统传感器，但它们准确性是有限的。针对便携式智能终端，设计了一种基于MEMS惯性传感器的鼠标。由于系微机系统传感器的精度有限，传感器的输出数据需要通过滤波算法进行处理，系统的精度和稳定性得以提高。当用卡尔曼滤波器来跟踪系统时，需要等待滤波器达到稳定状态，以便获得良好的滤波效果。互补滤波器不用经历过渡阶段即可直接处理信息，所以适合于普遍的空中鼠标的信息处理。然而，传统的互补滤波算法引入了传感器在滤波过程中产生的漂移误差。因此，提出一种改进的启发式漂移减少互补滤波器来处理传感器的数据。启发式漂移减少互补滤波器使用互补滤波器来融合陀螺仪、加速度计的数据输出。针对互补滤波中引入的传感器数据误差，在互补滤波部分引入HDR算法，为了确定了载波的状态，使用一个陀螺仪输出作为误差来对HDR算法的补偿系数进行动态更新，这样就有效地减小陀螺仪数据的误差。经过测试，改进后的算法有效地克服了传感器的漂移，有效提高了空中鼠标系统的定位精度和稳定性等数据。这样设计的空中鼠标摆脱了传统鼠标对平面的依赖，可以自由使用。^[2]

1.3设计内容

本文的主要任务是设计一个低成本，良好效果的空中无线鼠标。基于任务目标进行以下几方面内容研究：了解陀螺仪，控制系统，无线收发，USB的相关知识，确定设计方案及相关芯片的选取。根据选择的芯片，进行电路的设计，画出电路图，购买相关元件，焊接电路。确定姿态算解方案及数据融合方案，进行程序的编写。最后对鼠标进行测试，看是否能实现目的功能。

1．4论文安排

第1章：绪论，介绍研究背景及各种空中无线鼠标所使用用的技术方案，目前国内外最先进的相关设备，对于遇到的一些困难的解决方案。本设计的流程及内容。

第2章：介绍相关原理，包括设计原理，鼠标的姿态解算原理，芯片的工作方式，并对几种算法比较。