數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡燕梅++王偉平

摘要： 設(shè)計(jì)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)低成本的無線數(shù)據(jù)手套設(shè)備。基于設(shè)備實(shí)用功能及價(jià)格成本考慮，設(shè)計(jì)使用小車作為控制載體，實(shí)現(xiàn)手套手勢(shì)的變化對(duì)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。手套可實(shí)現(xiàn)人類對(duì)小車的前進(jìn)后退、加速減速、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基本控制，用不同的手指以及手指的彎曲程度來控制小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小車遙控器。通過手套五指的變化將信息無線發(fā)送接收來實(shí)現(xiàn)控制小車的前后左右加速減速，人類手指能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)的掌控小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

Abstract： This article designs a wireless data glove using single chip microcomputer to achieve low cost. Considering the practical function of the device and the cost， the design uses a car as the control carrier， and realizes control of car movement state through changes of glove gestures. The glove can realize basic control of car movements such as moving forward and backward， acceleration and deceleration， turning and so on. The movement of the car can be controlled by different fingers and different bending degree of fingers， instead of the traditional car controller. By changes of glove fingers， the information can be sent and received to control the car movement， so that human finger can control the car movement accurately and timely.

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；無線發(fā)送接收；運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；傳感器

Key words： SCM；send and receive the information；movement states；sensor

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）08-0131-03

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互在多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，人與機(jī)器設(shè)備之間的交互體驗(yàn)越發(fā)簡(jiǎn)單和自然。人們不再需要調(diào)整自己的行為被動(dòng)適應(yīng)機(jī)器的要求，而是用更為智能的方式讓機(jī)器聽懂人類的語言。當(dāng)今，不論是小小的智能手機(jī)終端還是大屏幕設(shè)備都可采用觸屏技術(shù)，使人們擺脫了繁瑣的鍵盤輸入和鼠標(biāo)的控制。未來，人機(jī)交互的理想狀態(tài)可通過語言、手勢(shì)、表情等自然操作設(shè)備，而這些功能已在多種領(lǐng)域嘗試和應(yīng)用，其功能優(yōu)化和發(fā)展依賴于語音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、人臉識(shí)別技術(shù)的發(fā)展。另外，隨著物聯(lián)網(wǎng)智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能家電設(shè)備將是智能家庭空間的重要應(yīng)用，如何使家庭用戶與智能家電設(shè)備更自然地交互，是各大電廠商技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的動(dòng)力。目前，采用較廣泛的技術(shù)是在智能家電設(shè)備中嵌入無線模塊，通過無線感知、遠(yuǎn)程控制、服務(wù)的方式為家庭用戶提供操作功能，而這仍需要家庭用戶通過各種終端進(jìn)行操作?，F(xiàn)今，手勢(shì)識(shí)別技術(shù)取得較大發(fā)展。

手勢(shì)是人類最富有表現(xiàn)力的交互方法和最有力的溝通手段之一。在人類的交流當(dāng)中，手勢(shì)是經(jīng)常使用的手段，也是人機(jī)交互領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)?；谠O(shè)備實(shí)用功能及價(jià)格成本考慮，本設(shè)計(jì)使用小車作為控制載體，實(shí)現(xiàn)手套手勢(shì)的變化對(duì)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。通過手套五指的變化將信息無線發(fā)送接收實(shí)現(xiàn)控制小車的前后左右加速減速，人類手指能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)的掌控小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)利用STC12C5A60S2單片機(jī)接收經(jīng)過電阻——電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換過的彎曲傳感器的電壓信號(hào)，單片機(jī)利用片上自帶的AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到手指的彎曲程度，再根據(jù)手指不同對(duì)彎曲程度進(jìn)行分別量化并對(duì)其進(jìn)行判斷處理，最后得到手勢(shì)數(shù)據(jù)，再將手勢(shì)數(shù)據(jù)打包通過HC——12無線數(shù)據(jù)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示；接收端接收數(shù)據(jù)后比對(duì)手勢(shì)數(shù)據(jù)輸出控制信號(hào)到LM298N模塊控制小車電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)對(duì)于小車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的調(diào)節(jié)控制。電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本電路以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，以STC12C5A60S2最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)[1]。手勢(shì)識(shí)別電路以彎曲傳感器為核心獲取手指彎曲程度，手指彎曲程度以電阻形式表現(xiàn)[6]。電阻——電壓轉(zhuǎn)換電路以TL431可控精密穩(wěn)壓源為核心，組成恒流源電路，恒流源電流流經(jīng)彎曲傳感器，由于手指彎曲程度不同導(dǎo)致彎曲傳感器電阻值不同，所以流經(jīng)電流后的兩端電壓會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化；即手指越彎曲，彎曲傳感器兩端電壓越高。彎曲傳感器兩端電壓經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成相應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取手勢(shì)。無線通訊模塊采用CC2530模塊，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到小車控制端，小車控制端按照手勢(shì)數(shù)據(jù)對(duì)以L298N芯片為核心的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行相應(yīng)操作進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)[5]。

總體電路設(shè)計(jì)如圖3所示，由單片機(jī)最小系統(tǒng)、傳感器應(yīng)用電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三部分組成。

單片機(jī)最小系統(tǒng)包含電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、片內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇電路、輸入/輸出接口電路這五個(gè)部分，其中電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路是保證單片機(jī)系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的三部分電路，缺一不可[2][3]。

傳感器應(yīng)用電路使用TL431三端可調(diào)穩(wěn)壓管，構(gòu)成恒壓電路為PNP三極管Q1～Q5提供恒定的基極電壓，傳感器對(duì)地電壓信號(hào)要進(jìn)入單片機(jī)中進(jìn)行處理，本設(shè)計(jì)使用的是電源為DC5V的STC12C5A60S2單片機(jī)，因此傳感器對(duì)地電壓不能超過5V，而且需要在0～5V范圍內(nèi)越大越好，越大取樣精度越高，對(duì)手指彎曲程度判斷的精確性越高[4]。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用L298N作為主控芯片，L298N有兩路電動(dòng)機(jī)控制，以第一路為例，L298N的IN1、IN2分別接的是單片機(jī)的P2.1、P2.0腳，由單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向及啟停進(jìn)行控制。當(dāng)IN1、IN2都為高電平或都為低電平時(shí)電動(dòng)機(jī)停止；當(dāng)IN1為高電平，IN2為低電平時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)IN1為低電平，IN2為高電平時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。并且，L298N的使能端ENA連接單片機(jī)的脈沖輸出端P2.2，由脈沖輸出端輸出的脈沖寬度對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，脈沖輸出端輸出的脈沖寬度越大電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，脈沖輸出端輸出的脈沖寬度越小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越小。同理，第二路控制原理與第一路相同。兩路電動(dòng)機(jī)配合動(dòng)作做到上述前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等。例如當(dāng)發(fā)出左轉(zhuǎn)指令時(shí)左邊電動(dòng)機(jī)停止，右邊電動(dòng)機(jī)前進(jìn)實(shí)現(xiàn)小車向左的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

手套程序是對(duì)現(xiàn)在使用者的手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且生成實(shí)時(shí)手勢(shì)數(shù)據(jù)調(diào)用串口中斷服務(wù)程序?qū)⑹謩?shì)數(shù)據(jù)發(fā)送出去，以達(dá)到手勢(shì)控制小車的目的。在生成手勢(shì)數(shù)據(jù)的過程中，首先將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果根據(jù)每個(gè)手指的彎曲程度進(jìn)行獨(dú)立劃段分類，劃分出每個(gè)手指伸直、半彎、全彎三種狀態(tài)，再對(duì)五個(gè)手指姿態(tài)進(jìn)行綜合比較，識(shí)別出手勢(shì)代表的阿拉伯?dāng)?shù)字；在編程過程中采用阿拉伯?dāng)?shù)字1-7的手勢(shì)分別代表前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速、減速其中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的改變。合成數(shù)字后就將數(shù)字發(fā)送到小車端由小車端進(jìn)行電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，手套軟件主流程圖如圖4所示。

小車子程序是接收到手套發(fā)出的數(shù)據(jù)之后對(duì)小車上的兩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)小車的各運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化。在接收到阿拉伯?dāng)?shù)字1-7后按照程序映射關(guān)系對(duì)L298N模塊進(jìn)行控制，小車軟件主流程圖如圖5所示。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)是在可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)中的一個(gè)全新嘗試，設(shè)計(jì)了一種還未在市場(chǎng)上見到的可用于商業(yè)領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備。本設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，推翻了人們對(duì)于可穿戴設(shè)備可望不可及的固有理念，使低成本成為可能。CES展上，大眾展出的高爾夫R Touch概念車非?？犰拧Ｔ谲囃鈱?duì)著后視鏡擺擺手就自動(dòng)展開；坐進(jìn)車?yán)铮鹗衷陬^頂旁邊掃一下，天窗自動(dòng)打開；手對(duì)著中控臺(tái)往上劃一下，音量就變大……也許這些夸張了點(diǎn)，但是最基本的如在車內(nèi)用手勢(shì)來控制車?yán)锔鞴δ艿氖褂?，一系列近距離傳感器，能探測(cè)到車內(nèi)人的手勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)、選擇、控制等一系列功能，甚至能自動(dòng)獲取周圍關(guān)于商業(yè)和景點(diǎn)的信息、手勢(shì)感應(yīng)與近旁朋友聯(lián)絡(luò)、手勢(shì)感應(yīng)控制音樂播放和導(dǎo)航功能、調(diào)整車內(nèi)溫度、調(diào)整車載音樂音量、選擇歌曲、調(diào)整座椅位置及改變巡航控制系統(tǒng)的速度等。該設(shè)計(jì)僅僅基于利用小車做載體實(shí)現(xiàn)人機(jī)的控制，在未來的發(fā)展中，人類的手勢(shì)控制將應(yīng)用于人們娛樂生活、智能醫(yī)療、智能交通手勢(shì)指揮、工業(yè)生產(chǎn)及特殊環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁向榮.STC系列增強(qiáng)型8051單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2011.

[2]STC數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL]，2010.

[3]王東峰.單片機(jī)C語言教程[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[4]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]433M芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，2008.

[6]楊幫文.新編傳感器實(shí)用寶典[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.