2023年ti杯大學生電子設計競賽
手勢識別裝置（d題）
2023年7月23日
手勢識別裝置（d題）
【本科組】
摘要手勢識別作為人機互動的重要組成部分，其研究發展影響著人機互動的自然性和靈活性。
為了滿足手勢識別的設計要求，本次設計使用以測量電路為核心的系統。主要由五個模組組成，包括測量電路模組、感測器模組、顯示模組、控制模組、電源模組組成。控制模組採用的是獨立按鍵和msp430f5529微控制器，用以控制工作模式（訓練和判決）；測量電路模組採用的是msp430f5529微控制器；感測器模組採用的是fdc2214電容感測器；顯示模組採用12864lcd液晶顯示屏；電源模組採用220v轉5v的usb介面輸出模組。
本裝置通過fdc2214電容感測器和msp430f5529微控制器測量頻率值，再通過頻率值判斷手勢，並顯示在lcd液晶顯示屏上。
關鍵詞：手勢識別 msp430f5529 fdc2214 12864lcd
目錄toc \o "1-3" \h \u 一、系統方案 1
1.測量電路模組的選擇 1
2.顯示模組的選擇 1
3.感測器模組 1
4.電源模組 2
5.方案確定 2
二、理論分析與計算 2
1.理論分析 2
2.計算 2
三、電路與程式設計 3
1.電路設計 3
（1）系統總體框圖 3
（2）控制模組系統框圖 4
2.程式設計 4
（1）程式流程圖 4
（2）判決的流程圖 4
四、測試方案與測試結果 5
1.測試方案 5
（1）硬體測試 5
（2）軟體**測試 5
（3）硬體軟體聯調 5
2.測試條件與儀器 5
五、測試結果 6
1.測試結果 6
2.誤差分析 6
六、心得 6
七、參考文獻 7
附錄：電路原理圖 8
本設計主要由五個模組包括測量電路模組、感測器模組、顯示模組、控制模組、電源模組。
方案一：採用msp430系列微控制器
msp430系列微控制器採用1.8～3.6v電壓，超低功耗，執行速度快，處理能力強大，具有高效的開發環境。
msp430系列微控制器中cpu與模擬裝置的結合，使得校準、除錯都變得非常方便。[1]
方案二：採用51系列微控制器
51系列微控制器應用最廣泛的8位微控制器比較容易上手，有較為完善的按位作業系統，功能較完備。雖然 i/o 腳使用簡單,但高電平時無輸出能力，有些功能增加了硬體和軟體的負擔，執行速度過慢，保護能力很差，容易燒壞。
通過比較，我們選擇方案一，採用msp430f5529微控制器作為控制模組。
方案一：採用oled液晶顯示屏
oled液晶顯示屏抗震效能更好；視角範圍大；響應速度快；發光效率高，功耗低；厚度可以小於1公釐，並且重量輕；成本低；但是壽命較短。
方案二：採用lcd液晶顯示屏
lcd液晶顯示屏顯示資訊量大，顯示質量高，低電壓低功耗；使用壽命較長。
通過比較，我們選擇方案二，採用lcd液晶顯示屏作為顯示模組。
我們採用fdc2214作為感測器。 利用fdc2214的工作原理可實現手勢接近和識別的功能，如圖1.1所示，黃色部分稱為°fdc2214的感測平面±，該平面為導體材質，當人手接近該平面時，感測端的電容發生了變化，這就會導致lc電路振盪頻率的變化，從而反映出手勢接近，以及手勢的判定。
圖1.1 感測器模組設計圖
採用220v轉5vusb介面輸出的接線板作為電源模組。
本設計採用5v電源給msp430f5529微控制器和fdc2214電容感測器供電。msp430f5529微控制器外接按鍵，來控制工作模式。msp430f5529微控制器外接fdc2214電容感測器，獲取頻率值，再通過頻率值判斷手勢，並通過lcd液晶顯示屏顯示。
感測平面的面積越大、手勢與感測平面的距離越小，感應的頻率變化越大，系統會越靈敏，但同時也可能引入越多的雜訊。
圖2.1 被測電容器與lc電路圖
設被測電容器的容抗為xc1,lc電路中電容器的容抗為xc，lc電路中電感器的感抗為xl,頻率為f。
根據振盪電路的條件有：容抗等於感抗。即
xc1+xc=xl2.1)
式中xc1=1/（2πfc1），xc=1/（2πfc）,xl=2πfl，其中c1為被測電容、c為電容器電容、l為電感器的電感。
因此可得
2.2）
可見，在晶元每個檢測通道的輸入端連線乙個電感和電容，組成lc電路，被測電容感測端（圖3.1中灰色標識部分即為被測電容）與lc電路相連線，將產生乙個振盪頻率，根據該頻率值可計算出被測電容值。
圖3.1 系統原理圖
圖3.2 控制模組原理圖
圖3.3 測量電路程式流程圖
圖3.4 控制電路程式流程圖
圖3.5 判決的流程圖
根據設計要求，手勢不同，測量電路能根據fdc2214傳回的資料，與沒有手勢時的數值比較，ch1—ch6數值變化個數為z，ch7數值變化個數為x。
當x=1時，z等於0、1、2、3、4、5對應的手勢分別為石頭、1、2/剪刀、3、4、5/布。
當x=0時，表示沒有手勢輸入。
檢查各個螺絲介面和矽膠黏合物件是否連線牢固、電路焊介面有無虛焊現象。
通過ccs軟體進行程式編譯，檢查有無程式上的編譯或語法錯誤。再通過軟體進行**，檢查是否達到預期結果。
硬體測試和軟體**測試完成並達到測試標準後，將程式寫到微控制器，測試並記錄5組相同的手勢的判決結果和每一次的判決時間，並計算判決的準確率（百分比）以及平均時間。
測試條件：5v電源供電。
測試儀器：秒錶。
表5.1 判斷結果表
手掌放置的位置不對是引起誤差的主要**。手掌放置的位置不對，導致通道測出的頻率值異常，從而導致測出的結果出錯。
經過四天三夜的努力奮鬥，從最初的選材，到對材料進行切割、焊接、鑽孔等加工，再到程式的編寫除錯。小組三人齊心協力，克服了設計中的種種問題。本次設計使用到的微控制器msp430f5529對於我們來說是乙個比較熟悉的微控制器，也就相對的容易上手。
而反觀fdc2214未曾接觸過，所以顯得陌生，經過這些天的學習也掌握了它的使用方法，這讓我們收穫十分巨大。對於一些元器件的使用也更加的熟練，本次設計全方面的考驗了小組的配合能力，從硬體到軟體再到報告，小組三人相互配合協作，使我們三人都能在這些方面上有所提高。
[1]鄭煊，劉萌，張鵾.msp430微控制器應用技術[m].北京:清華大學出版社,2014.
[2]吳建平.感測器原理及應用[m].北京：機械工業出版社，2009.
1. 系統總體原理圖
圖8.1 系統總體原理圖
電容感測器
圖8.2 fdc2214電容感測器原理圖
微控制器圖8.3 msp430f5529微控制器原理圖
4.12864lcd液晶顯示屏
圖8.4 12864lcd液晶顯示屏
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