目前市場(chǎng)上的指尖壓敏鼠標(biāo)極少。本設(shè)計(jì)采用可配戴式且便攜式的指尖壓敏制作了一款鍵盤(pán)鼠標(biāo)。該鍵盤(pán)鼠標(biāo)的使用將會(huì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍵盤(pán)一些繁瑣指令，使電子計(jì)算機(jī)的操作更加方便簡(jiǎn)捷。

該款指尖壓敏可配戴式的鍵盤(pán)鼠標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)合手機(jī)九宮格的輸入方法，依據(jù)不同手指的敲擊次數(shù)來(lái)輸入10個(gè)數(shù)字、26個(gè)英文字母及其大小寫(xiě)等，能較好地滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化設(shè)計(jì)的需求。

1 工作原理

該款指尖壓敏可配戴式鍵盤(pán)鼠標(biāo)主要由USB接收板和主控板組成。下面主要介紹這兩塊板的工作原理。

1.1 USB接收板和主控板工作原理

USB接收板工作原理：USB接收板通過(guò)USB協(xié)議控制電腦鍵盤(pán)鼠標(biāo)的操作，其中USB接收板上的藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)將手表模塊采集到的操作數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收，并將數(shù)據(jù)傳遞給USB接收板上的STC15F2K60S2單片機(jī)，STC15F2K60S2單片機(jī)通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，USB接收板利用PDIUSBD12芯片用規(guī)范的USB協(xié)議與電腦進(jìn)行通信，STC15F2K60S2單片機(jī)負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并控制改變關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過(guò)USB協(xié)議將操作數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再向電腦發(fā)送鍵盤(pán)鼠標(biāo)上的命令。

主控板工作原理：主控板上的OLED用來(lái)實(shí)時(shí)顯示時(shí)間。在人按壓壓敏傳感器后，所檢測(cè)到的按壓信息被傳遞給主控板，壓敏傳感器映射九宮格輸入法中的8個(gè)按鍵的字母排列，并獲取陀螺儀的速度信息，將其傳遞給主控板上的單片機(jī)，通過(guò)陀螺儀的速度控制電腦上鼠標(biāo)光標(biāo)移動(dòng)，主控板上STC15F2K60S2單片機(jī)將接收到的傳感器的按壓信息和陀螺儀的移動(dòng)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并控制主控板上的藍(lán)牙，將獲取到的各種傳感器信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸給USB接收板。

1.2 硬件模塊

本設(shè)計(jì)作品包括顯示部分、軟硬件的轉(zhuǎn)換電路、檢測(cè)人體多種加速度變化、近距離的無(wú)線(xiàn)、發(fā)射、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和邏輯傳輸?shù)炔糠帧Ｋ秒娐纺K主要包括MPU6050加速度傳感器、OLED顯示屏、STC15F2K60S2單片機(jī)、PDIUSBD12芯片和HC-05藍(lán)牙。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1模塊設(shè)計(jì)

基于以上所述的USB接收板和主控板的工作原理，利用各個(gè)模塊信息傳輸途徑進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

• 1）MPU6050加速度傳感器：①具有數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理功能；②感受加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)；③集成可程序控制，測(cè)量范圍為±250°/s、±500°/s、±1000°/s與±2000°/s的3軸角速度感測(cè)器，范圍為±2g、±4g、±8g和±16g的3軸加速度傳感器。
• 2）OLED顯示屏：顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。
• 3）STC15F2K60S2單片機(jī)：SPI通信，串口通信，GPIO。①SPI與陀螺儀通信，獲取加速度與角度信息；②串口通信用于主控板和USB接收板的通信；③GPIO用于獲取按鍵信號(hào)。
• 4）PDIUSBD12芯片：內(nèi)部集成有串行接口引擎（SIE）、320 b FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器（transceiver）和電壓調(diào)節(jié)。
• 5）HC-05藍(lán)牙：當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，用于主控板和USB接收板之間的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

主控板電路如圖1所示。STC15在此作為主控芯片，與陀螺儀和按鍵相連，輪詢(xún)按鈕被按下的情況。當(dāng)按鈕被按下時(shí)，將信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給USB接收板，并且以固定的頻率將陀螺儀的速度數(shù)據(jù)發(fā)送至USB接收板。

圖1 主控板電路

USB接收電路如圖2所示。STC15單片機(jī)與USBD12芯片、藍(lán)牙模塊相連。作為核心控制芯片，USBD12是單片機(jī)與電腦通信的橋梁，負(fù)責(zé)把電腦發(fā)送的USB協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給STC15，并將STC15的應(yīng)答數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)接收主控板的用戶(hù)動(dòng)作數(shù)據(jù)，STC15將其處理后通過(guò)USBD12控制電腦的鼠標(biāo)光標(biāo)和鍵盤(pán)。

圖2 USB接收電路

3 組裝與調(diào)試

3.1 組裝及調(diào)試

組裝主要包括兩部分：①硬件電路板的設(shè)計(jì)與功能測(cè)試；②系統(tǒng)外觀(guān)模型的搭建。

在完成電路設(shè)計(jì)與焊接的基礎(chǔ)上，首先對(duì)電路板進(jìn)行功能測(cè)試，通過(guò)測(cè)試之后將系統(tǒng)按照預(yù)期的外觀(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行組裝，對(duì)信號(hào)線(xiàn)處理：

• ①將從主控板上引出的兩排主控信號(hào)線(xiàn)使用軟排線(xiàn)進(jìn)行連接，并且采用即拔即插的方式，方便用戶(hù)配戴；
• ②根據(jù)設(shè)計(jì)模型，從軟排線(xiàn)的另一端將信號(hào)線(xiàn)分別引到雙手的每根手指，與手指端傳感器進(jìn)行連接，通過(guò)指尖按壓將信號(hào)傳輸至主控板；
• ③對(duì)主板手表模型進(jìn)行3D模型設(shè)計(jì)與搭建，此模型可按需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。

3.2 作品

USB接收模塊如圖3所示。最終設(shè)計(jì)的作品實(shí)物如圖4所示。

圖3 USB接收模塊

圖4 作品實(shí)物圖

3.3 調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題

在對(duì)該作品不斷調(diào)試的過(guò)程中，出現(xiàn)的問(wèn)題如下：

• 1）向MCU下載程序后，單片機(jī)工作出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象。在將USB接收板插入電腦后，電腦顯示為“無(wú)法識(shí)別USB設(shè)備”。
• 2）在陀螺儀工作進(jìn)行接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)異常。
• 3）按鍵檢測(cè)問(wèn)題：一直檢測(cè)為“按下”狀態(tài)，有時(shí)會(huì)將“未按下”狀態(tài)識(shí)別為“按下”。
• 4）按鍵預(yù)設(shè)功能與實(shí)際按下功能不符。
• 5）在工作一段時(shí)間后，USB模塊向電腦發(fā)送亂碼。
• 6）USB模塊與主控板無(wú)法進(jìn)行通信。
• 7）程序代碼太大，超過(guò)ROM空間，無(wú)法下載。

3.4 問(wèn)題解決方案

針對(duì)以上調(diào)試程序中所遇到的問(wèn)題，不斷進(jìn)行測(cè)試，最終制作出了較為完美的作品。以下為上述問(wèn)題的解決方案。

• 1）程序邏輯錯(cuò)誤，重新檢查USB模塊向主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行程序修改，再多次與電腦進(jìn)行連接，顯示正常。
• 2）檢查連線(xiàn)問(wèn)題，若連線(xiàn)正確，則更正SPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)的代碼。
• 3）測(cè)量電源電壓，部分原因是電壓過(guò)低造成按鍵檢測(cè)錯(cuò)誤，在程序中加入延遲消抖。
• 4）部分引線(xiàn)與傳感器連接錯(cuò)誤，對(duì)程序中按鍵定義進(jìn)行重新修改。
• 5）首先檢測(cè)電源電壓是否正常，也可能為串口傳輸存在出錯(cuò)的幾率，在其中加入校驗(yàn)字節(jié)后便可正常傳輸。
• 6）檢查藍(lán)牙是否連接完成，如果連接完成，可能是串口未開(kāi)的原因。
• 7）對(duì)程序部分指令進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

3.5 升級(jí)和包裝

1）傳感器和單片機(jī)的升級(jí)

• （1）傳感器。本設(shè)計(jì)最初采用的是輕觸按鍵傳感器，通過(guò)資料搜集，發(fā)現(xiàn)了更加實(shí)用的壓敏傳感器。對(duì)于鼠標(biāo)光標(biāo)的控制，本設(shè)計(jì)采用了MPU6050傳感器，它能很好地獲取手掌移動(dòng)信息，從而準(zhǔn)確地控制鼠標(biāo)光標(biāo)的移動(dòng)。
• （2）單片機(jī)。本設(shè)計(jì)第一代產(chǎn)品采用的是插針式的51單片機(jī)，后考慮要把產(chǎn)品做的更小而采用了貼片式的STC15單片機(jī)。15單片機(jī)相比于51單片機(jī)，其性能更加優(yōu)越。

2）包裝

通過(guò)3D畫(huà)圖設(shè)計(jì)了本作品的外包裝，并通過(guò)3D打印將模型打印出來(lái)進(jìn)行包裝。對(duì)主控板進(jìn)行包裝是為了獲得更佳的體驗(yàn)感，將電源隱藏在塑料殼內(nèi)部，如圖4所示。對(duì)于每個(gè)手指上的指圈，為更利于配戴，利用中通的軟管將引線(xiàn)進(jìn)行隱藏，得到了更簡(jiǎn)潔的外觀(guān)，凸顯作品特色。

4 軟件流程設(shè)計(jì)

在本作品的軟件設(shè)計(jì)中，USB接收板程序流程和主控板程序流程分別如圖5和圖6所示。

圖5 USB接收板程序流程圖

圖6 主控板程序流程圖

5 結(jié)論

本作品通過(guò)采用MPU6050傳感器及壓敏電阻傳感器進(jìn)行智能化數(shù)據(jù)采集，對(duì)手指運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合手機(jī)九宮格的輸入法，可以實(shí)現(xiàn)將26個(gè)英文字母及鼠標(biāo)左右鍵在10個(gè)手指上進(jìn)行有機(jī)的分配。同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)鍵盤(pán)鼠標(biāo)進(jìn)行外觀(guān)個(gè)性化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)便攜式和可配戴式，不受使用場(chǎng)合的限制，還可使鍵盤(pán)鍵位宏定義可變，演變?yōu)槎喾N設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)用戶(hù)的個(gè)性化需求。