助残鼠标1.docx
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助残鼠标1.docx
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助残鼠标1
基于物联网的助残鼠标设计
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目录
摘要…………………………………………………………………………………I
ABSTRACT……………………………………………………………………………II
1绪论…………………………………………………………………………………1
1.1国内外研究现状…………………………………………………………………1
1.2研究目的………………………………………………………………………2
1.3基本思路………………………………………………………………………2
2物联网的内涵……………………………………………………………………3
3作品的创新点……………………………………………………………………3
3.1丰富残疾人的日常生活………………………………………………………4
3.2保障残疾人的基本生活………………………………………………………5
3.3性价比高………………………………………………………………………6
4关键技术和主要技术指标………………………………………………………7
4.1关键技术………………………………………………………………………7
4.2主要技术指标…………………………………………………………………7
5作品的先进性和科学性…………………………………………………………8
5.1作品的先进性…………………………………………………………………8
5.2作品的科学性…………………………………………………………………8
6作品设计…………………………………………………………………………9
6.1整体设计………………………………………………………………………9
6.2硬件设计………………………………………………………………………10
6.2.1MC9S12XS128单片机系统设计……………………………………………10
6.2.2角度传感器电路设计………………………………………………………11
6.2.3鼠标驱动模块电路设计……………………………………………………11
6.2.4电源模块电路设计…………………………………………………………12
6.3软件设计………………………………………………………………………13
6.3.1程序流程框图………………………………………………………………13
6.3.2鼠标功能集成工具…………………………………………………………14
6.3.3物联网通信软件设计………………………………………………………14
7调试与功能测试………………………………………………………………16
7.1角度传感器的安装与布局……………………………………………………16
7.2鼠标按键的安装与布局………………………………………………………16
7.3软件在线调试…………………………………………………………………16
7.4实际运行调试…………………………………………………………………16
7.5调试结果与改进………………………………………………………………17
8适用范围和前景预测……………………………………………………………17
9市场分析和经济效益预测………………………………………………………17
10总结………………………………………………………………………………17
参考文献…………………………………………………………………………18
致谢……………………………………………………………………………19
附录……………………………………………………………………………20
摘要
随着互联网的飞速发展,电脑走进了千家万户,因为电脑的存在我们足不出户就可以了解外界的信息或进行网购等系列交易活动,而对那些失去双手的残疾人来说使用电脑是那么的可望而不可及,为了解决失去双手的残疾人使用电脑难的问题,我们设计并制作了助残鼠标。
该助残鼠标采用飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128作为主控制器,利用耳机外壳作为载体,并且通过相应的功能模块传送给单片机,从而控制电脑光标的各种功能。
助残鼠标通过角度传感器测得角度信号的大小,并将其反馈给单片机,单片机对采集到的角度值进行对比,从而判断出方向,发出相应的PWM去控制电脑光标的上、下、左、右移动。
助残鼠标配备VisualBasic编写的鼠标功能集成工具和物联网通信软件,来帮助无臂残疾人轻松的实现上网冲浪、浏览各种文档、观看视频等基本的电脑操作,并且能够利用物联网技术通过电脑的上位机软件来控制家用电器,还可以控制窗户和门等家具的开关情况,使无臂残疾人在无人看护的状况下能够解决最基本的生活问题,另外对于正常人来说,在使用普通鼠标不方便的情况下也可以使用本设计。
经过反复的实验与测试,本人所设计的助残鼠标能够按照鼠标各种功能快速稳定的运行,本设计达到了预期目标。
关键词:
飞思卡尔;MC9S12XS128;助残鼠标;物联网
ABSTRACT
WiththerapiddevelopmentofInternet,computerenteredinnumberablefamilies,becauseoftheexistenceofcomputerweneverleavehomecanunderstandtheoutsideworldofinformationoronlineshopping,etc.Seriesoftradingactivities,andfordisabledpeoplewholosttheirhandstousethecomputersocanonlydreamof,inordertosolvetheproblemoflosinghandsdisabledpeopletousecomputers,wedesigntheassistivemouse.
TheassistivemouseUSESfreescale16-bitsingle-chipcomputerMC9S12XS128asthemaincontroller,usingheadphonesshellasthecarrier,andthroughthecorrespondingfunctionmoduletransmittedtoMCU,tocontrolthevariousfunctionsofthecomputercursor.AssistivemousebyAnglesensormeasuredthesizeoftheAnglesignal,anditsfeedbacktosingle-chip,single-chipmicrocomputerAnglevalueswerecollectedbythesizeofthecomparison,thusdeterminethedirection,andacorrespondingPWMtocontrolacomputercursormoveup,down,left,right.AssistivemousewrittenwithVisualBasicmousefunctionintegrationtoolsandInternetcommunicationssoftware,easyforthedisabledtohelpwithoutarmimplementationofsurfingtheInternet,browseavarietyofdocuments,watchingvideoandotherBasiccomputeroperation;AndabletotakeadvantageoftheInternetofthingstechnologythroughthePCsoftwareofcomputertocontrolhouseholdappliances,andalsocancontroltheswitchofthefurnituresuchasWindowsanddoors;Makedisabledwhennoonecarenoarmundertheconditionofthemostbasiclifeproblems.Inadditionfornormalpeople,inthecaseofusingordinarymouseinconvenientcanalsousethisdesign.
Afterfinaltestrepeatedly,wedesignedtoaidthemousecanfollowthemousefunctionsfastandstablerunning,sothisdesignachievedtheexpectedgoal.
Keywords:
freescale;MC9S12XS128;Toaidthemouse;TheInternetofthings
1绪论
1.1研究背景国内外研究现状
目前,物联网技术的发展已成为国家战略议程之一。
为了在未来物联网技术革命中抢占绝大部分市场,部分国家和地区纷纷加大对其资金投入力度。
美国总统奥巴马对物联网技术的发展相当重视,一度与开发绿色能源技术相提并论,并已将其提上国家战略议程。
2012年世界IT巨头IBM公司CEO彭明盛提出了构建智慧地球的想法,其战略核心就是物联网。
前国务院总理温家宝在2012年首次提出感知中国这么一个概念后,我们也在积极的把握这次难得的机遇,从而使得物联网的发展在我国引起了新一轮的发展高潮。
国家工业和信息化部相关负责人对外也表示出我国物联网的标准体系已基本形成了,同国际的标准化组织也逐渐靠拢,近年提交的部分提案都给予了良好的反馈。
物联网技术早已在各个领域开枝散叶,如环保、交通、家居、农业等。
值得关注的是在一些危险程度比较高的领域,物联网的应用就更体现出其重要的科研价值和实用价值,如铁路及高速公路突发灾害预警、危险区域环境监控、抢险、救灾、防火防盗等。
其中,鼠标作为计算机的输入设备,在现代生活中已必不可少,而现有的鼠标主要是通过手来操控的,还没有针对截肢伤残人士专用的鼠标,但是对于这些伤残者来说,在很多情况下也需要使用计算机和鼠标。
近年来国外均已展开助残鼠标的研究:
韩国电子通信研究院的Jong-SungKim等人采用差分绝对平均值法提取上肢肌电特征,利用模糊最大—最小神经网络做分类器,实现了对鼠标的控制。
而国内外至今也没有针对高位截瘫及其他上肢残疾患者的特殊性,设计一种可利用其自身头部的移动信息控制的鼠标,从而解决高位截瘫及其他上肢残疾患者使用电脑的问题,相应的产品更是没有公布和投入生产。
面对这个现状,我们组成员经过商议和讨论,确定了该产品的可行性。
1.2研究目的
计算机会使人们的生活变得更加丰富。
令人遗憾的是,失去双臂的残疾人却和计算机无缘。
就拿我的同学来说吧,他是个失去双臂的残疾人,每当上计算机课时,他只能看着别人的双手在键盘上飞舞,从他流露的表情可以看得出他心里那种难受的滋味。
计算机的操作通过鼠标轻轻点击就可以完成。
然而对那些没有手的残疾人来说,这根本没有办法实现。
我想如果能有个用脚操控鼠标的仪器该多好啊!
能够帮助无臂残疾人像正常人一样轻松灵活的对电脑进行操作,不仅仅如此,在正常使用电脑的基础之上,我们结合物联网技术,使无臂残疾人依托电脑操作来实现对家庭电器的灵活操作,让电脑替代双手,在无人照料的情况下帮助无臂残疾人解决很多基本的生活问题。
另外本作品也可以应用于正常人用手臂操作鼠标不方便的场合。
1.3基本思路
电脑几乎已经成为每个人的必需品,而对那些手部有缺陷的残疾人来说电脑显得那么的遥远,他们能做的或许只能是远远的凝望。
正是为了解决这个问题,我们设计了助残鼠标,下面是助残鼠标的整体设计思路。
单片机采样角度传感器检测的倾斜信号,通过头部摆动和下颚的伸缩分别实现鼠标的左右移动和单击;采用人性化的机械设计,传动部分采用伸缩式结构,此结构能够满足不同脸型用户的需求;设定有光标速度调节键,实现了光标移动速度可调节;编写并设计了上位机软件,该软件的位置可以在电脑屏幕上任意移动,通过光标点击的方法实现鼠标的左右键切换,并可以调用屏幕键盘。
通过这个软件把光标限制在一个软件本身大小的范围内,用户只需在这个很小范围内移动光标就可以水平或者垂直移动网页的滚动条,即可方便的浏览网页和阅读文档,进而减少了头部的运动;通过物联网技术,残疾人可以通过电脑对家用电器进行基本操作,解决他们的生活问题。
2物联网的内涵
物联网,简而言之就是连接物品的网络,它是互联网的应用扩展和延伸。
主要是利用各种传感设备和通讯手段,将M2M(即人与人、人与物、物与物)与互联网相连接,实现智能化的识别、定位、跟踪、远程监控和管理的一种网络。
它是整合信息管理技术变革和促进信息产业的开端和基石,被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
物联网就是通常我们说的在应用智能化感知、识别技术、普适计算、泛在网络(UbiquitousNetwork)的基础上将人与物、人与人、物与物联系起来的一种中介。
在我们平时能够看到并感觉到的世界里,“物”是普遍存在的并不断变化的个体,“物”与“物”之间的联系,必然“联”到“网”中来,这里所说的“物”是感知末梢的传感器设备、接收感知信息的智能终端或者人。
而网关就是我们平时所说的网络层上的协议转换器,它具有高效率、实时响应、高可靠性、低功耗、抗干扰能力强等特点,利用其特点有效的融合了基础通信网与无线传感器网络,这些优势使得传统的智能家居的区域监控发生了翻天覆地的产业变革,即把监控区域中的设备和无线方式有机组合,这样就可以实现一个能够全面感知与管理的系统。
3作品的创新点
3.1丰富残疾人的日常生活
我们从根本上解决了无臂残疾人使用电脑难的问题,该产品可以使无臂残疾人像我们正常人一样尽享科技带来的乐趣以及网络的浩瀚,极大的丰富了他们的生活。
该鼠标是一款为失去双臂的残疾人设计的“特殊”鼠标,其外观类似一个耳机。
使用者可将鼠标佩戴在头上,摆动头部,利用陀螺仪的空间定位原理,由陀螺仪感知平面移动,在屏幕上显示光标轨迹。
精确定位光标位置后,使用者向两边吹起触动传感器,信号传回电脑便可控制鼠标左右键按动,实现鼠标功能,简单地完成电脑操作。
为了实现鼠标的左右键切换,我们采用VisualBasic语言中自带的API函数,利用函数中的光标触发事件编写上位机软件,该软件的位置可以在电脑屏幕上任意移动,用户可以把它移动到不妨碍阅读的地方,通过光标点击的方法实现鼠标的左右键切换,调用屏幕键盘,方便快捷;并且我们通过这个软件可以把光标限制在一个软件本身大小的区域内,用户只需在这个很小范围内移动光标就可以水平或者垂直移动网页的滚动条,这种人性化的设计使用户浏览网页更加简单快捷,减少了头部的运动,使用户使用该产品不会过于疲劳。
3.2保障残疾人的基本生活
我们结合物联网技术,使无臂残疾人依托电脑操作来实现对家庭电器的灵活操作,让电脑替代双手,在无人照料的情况下帮助无臂残疾人解决很多基本的生活问题。
该产品可以帮助无臂残疾人在无人照料的情况下完成最基本的生活需求。
(1)打开空调或电视机,就可以点击物联网通信软件服务器端上的遥控器按钮,就会弹出空调、电视机遥控器界面。
随后就可以打开空调或电视,可以任意调节温度或切换频道。
(2)开门就只需要点击物联网通信软件服务器端的房门,房门就会自动打开,见附图8智能家居模型;开窗户也是只需要点击物联网通信软件画面上的窗户,窗户就会自动打开;另外开灯,开热水器,开电饭煲,拨打电话等等都可以在物联网通信软件服务器端生实现操作,在无人照料的情况下使他们的基本生活得到了保障。
(3)我们正常人还可以通过物联网通信软件客户端,控制家中的电器。
(4)本设计应用广泛,除应用于残疾人外,对于正常人来说,在使用普通鼠标不方便的情况下也可以使用本设计。
3.3性价比高
该产品的开发成本较低,性价比较高,与同类产品相比有较大优势,助残鼠标的角度检测模块、电脑光标驱动模块等所有的模块总成本(包括上位机监控界面)约几十元人民币,有很大的市场前景,利于推广。
4关键技术和主要技术指标
4.1关键技术
实现光标的移动和左右单击,光标移动速度可调节。
编写上位机软件,通过上位机软件实现鼠标的左右键切换和调用屏幕键盘,并且在这个很小范围内移动光标就可实现水平或者垂直移动文档或网页的滚动条,减少头部的运动。
采用人性化的机械设计,能够满足不同脸型用户的需求。
通过物联网技术将家用电器组网,通过电脑可以直接控制家用电器。
通过远程监控技术,可以实时了解家中情况。
4.2主要技术指标
角度传感器测量精度为0.1度,使用电脑USB口直接供电,光标移动速度可调节,加减速键的调节精度为1厘米,鼠标上位机软件控制滚动条移动速度最大为20厘米/秒。
5作品的先进性和科学性
5.1作品的先进性
该作品为实现解决残疾人用电脑难的问题而设计,在实现鼠标基本功能基础上,设计了独特的上位机软件,实现了鼠标的左右键切换和调用电脑键盘,并且可以调节光标的移动速度,物联网技术的应用解决了残疾人很多基本的生活问题,具有如此丰富功能的助残鼠标在国内还是空白。
另外利用光标在上位机软件内小范围移动就可以实现移动文档或网页的滚动条是本作品的一大创新点。
5.2作品的科学性
本作品充分考虑到残疾人实际需求,鼠标的基本操作是通过头部摆动和下颚的伸缩实现的,解决了残疾人身体不方便的生理问题。
为了方便残疾人使用,设计了独特的上位机软件,该软件可以实现在光标在电脑屏幕上任意移动,鼠标的左右键切换和调用屏幕键盘,另外这个软件通过把光标在一个软件本身大小的范围内移动就可以水平或者垂直移动网页的滚动条,这一独特的设计减少了头部的运动,减轻了由于使用本鼠标带来的颈部疲劳。
本作品采用人性化的机械设计,传动部分采用伸缩设计,可以满足不同脸型用户的需求。
并且光标移动速度是可以调节的,更加方便了鼠标的使用。
6作品设计
6.1整体设计
本设计通过单片机采样角度传感器倾斜信号,通过头部摆动和下颚的伸缩分别实现鼠标的左右移动和单击;我们采用人性化的机械设计,传动部分采用伸缩设计,能够满足不同脸型用户的需求;设定有光标速度调节键,实现了光标移动速度可调节;编写了上位机软件,该软件可以在电脑屏幕上任意移动,通过光标点击的方法实现鼠标的左右键切换,并可以调用屏幕键盘。
通过这个软件把光标限制在一个软件本身大小的范围内,用户只需在这个很小范围内移动光标就可以水平或者垂直移动网页的滚动条,减少了头部的运动。
总体设计框图见下图6.1。
图6.1助残鼠标设计总体框图
6.2硬件设计
6.2.1MC9S12XS128单片机系统设计
单片机最小系统是整个助残鼠标系统的核心部分,它是至关重要的,其稳定与否直接影响系统的好坏[1]。
所以在设计助残鼠标最小系统时一定要保证单片机最小系统符合电路设计要求,并且最小系统的设计要尽量减小所占空间,电路板布线密度高,满足电气规则。
根据单片机的相关功能以及注意事项,经过分析研究,最终将助残鼠标的单片机最小系统原理图设计为图6.2所示。
按照这种设计方案设计的单片机最小系统,不仅结构紧凑,而且性能稳定,在实际运行中没有发生紊乱。
图6.2单片机最小系统原理图
6.2.2角度传感器电路设计
MMA7361是低功耗、低轮廓电容、微机械型加速度计,信号可调节,一级低通滤波器具有温度补偿,可自我测试,0g-Detect可检测线性自由落体,G-Select允许选择两种敏感度[2]。
零偏移和灵敏度是出厂设置的,不需要外部设备。
MMA7361包括睡眠模式,使得它非常适合用于手持蝙蝠电池供电的电子产品。
我们在角度传感器信号的输出端,分别串联了一个电阻,并且在信号线与地线之间分别加上一个电容,电阻和电容具有对角度传感器输出的信号进行了整合和过滤的作用,使得角度传感器输出的信号更加的清晰、稳定。
角度传感器电路设计原理图如图6.3所示。
图6.3MMA7361电路图
6.2.3鼠标驱动模块电路设计
由于机械鼠标是靠橡胶球带动光栅轮,用两套光电对管是因为鼠标有X、Y轴两个运动方向[3]。
设仅横向移动鼠标,此时只有X轴方向的运动,那么存在需要识别X轴的光栅轮是顺时针还是逆时针转动(也就是你的鼠标是向左移还是向右移)。
这就只能够依靠一套光电对管来探测(光电对管指的是发射和接收两个元件),在光电接收管中按上下方位封装好两个光电三极管就能通过判断两个光电三极管的导通次序来得知光栅轮的转动方向。
我们通过四路PWM来模拟两对光栅产生的信号波,从而控制电脑光标的移动方向。
鼠标驱动模块电路设计原理图如图6.4所示。
图6.4鼠标驱动电路图
6.2.4电源模块电路设计
助残鼠标控制系统的所有的电源,都是由鼠标数据线提供,通过鼠标数据线把电脑的USB口的电源接入到单片机、角度传感器、鼠标驱动电路。
这样可以保证助残鼠标系统有稳定的电源,电路结构见下图6.5。
图6.5电源模块电路原理图
6.3软件设计
6.3.1程序流程框图
助残鼠标的程序编写十分复杂,它设计到各个模块的初始化以及许多模块输出环节的控制,因此编写的助残鼠标程序需要进行模块化设计,将各模块之间的耦合度降到最低,而且程序的可读性要强,方便修改调试。
助残鼠标主程序是一个循环体,在循环中单片机对助残鼠标的硬件进行控制。
程序设计流程图如图6.6所示。
图6.6程序设计流程图
6.3.2鼠标功能集成工具
结合残疾人行动不便这一特点,我们将鼠标的移动范围缩小在一个很小的矩形框内,只需简单的滑动就能进行网页的浏览和文档的翻阅。
界面上还设计了鼠标左右键切换和虚拟键盘功能,人性化的设计让残疾人也能感受快捷方便的上网体验。
鼠标集成工具见下图6.7.
图6.7鼠标功能集成工具
6.3.3物联网通信软件设计
物联网通信软件调用了VB的MSComm和Winsock控件,分别实现了上位机界面与下位机的串口通信和客户端与服务器端的互相通信功能[4]。
客户端与服务器端软件根据其功能进行分开设计,根据其联网的类型分别可实现局域网和远程的互联,客户端和服务器界面分别见下图6.8和6.9。
美观的界面设计是该软件的一大亮点,电器的开关量控制采用图片取热点的方式,操作时只需点击图片上相应的电器就能对实际的电器进行控制,右边显示界面会将电器的状态实时反映出来,减少了误操作的可能性,遥控器控制界面如图6.10所示。
图6.8物联网通信软件服务器端
图6.9物联网通信软件客户端
图6.10遥控器界面
7调试与功能测试
7.1角度传感器的安装与布局
在传感器的选择方案中已经选好角度传感器,角度传感器的安装位置是在物体的正上方和正中间的位置,这样安装反应是最灵敏的,发出的角度信号也是最稳定、清晰的。
所以我们把MMA7361放置在外壳上方的正中间,这样大大提高了角度测量的精度。
7.2鼠标按键的安装与布局
为了实现光标单击的功
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