07三等奖基于三轴加速度计的无键多功能电视遥控器

基于加速度计的无键多功能电视遥控器学校:中北大学参赛人：王正通杨波赵军摘要：本设计项目是在美新公司的大力支持下，通过调研分析和查阅资料，设计的一款绝对无键化的多功能智能电视遥控器。本项目充分利用了美新公司的加速度计体积小、精度高的性能，以及单片机的多功能、功耗小的特点。该产品操作方便，只要对遥控器进行三维的摆动就可以控制电视，满足了很多特殊人群的需要，真正实现了简单的控制，同时还特别增加了灵敏度可调的功能，提高了智能化程度。本项目具有广阔的市场前景和发展潜力，是加速度计在家电行业的典型应用。关键词：加速度计无键化遥控一项目构思随着科技的高速发展，我们日常所用的物品也不断向着更易操作，易携带，智能化的方向发展。目的无怪乎想让更多的人更方便的，更自由的生活，使其在繁忙的工作之后可以享受生活；为有不便之处的人获得更多的生活乐趣。而电视作为我们当今生活最重要的生活必需品之一，其易操作、无键化、智能化的发展也更是势在必行。本设计项目充分满足以上社会趋势，利用了美新公司器件的各种优越性能，主要应用美新MEMS加速度器件的体积小、精度高的性能，以及单片机的多功能、体积小的特点，在线仿真的方便快捷的特性，再加上美新的一些其他芯片的组合（例如RF收发芯片、电源管理芯片），从而组成本项目的产品。本设计采用完全无键化的设计模型，利用三轴加速度计的特点，可以通过准确测量定出控制方向，也就是可以有三维的六个方向，即六个功能键。经实践分析，六个键完全可以满足对电视机的操作。以坐标轴来描述，在正常状态下，X轴做音量调节，Y轴做频道调节，Z轴负方向做菜单键；在进入菜单选择后，XY轴做方向的调节杆，Z轴负方向做确定键，Z轴正方向做退出键，如图一所示。同时针对不同人群的使用要求，我们还增加对操作灵敏度的调节。本系统采用电池组供电，使用时体积小，只需要三维摆动即可轻松操作，采用电视遥控通用编码，实用方便，适用于社会不同人群的操作方式和习惯，其简易、多功能、低功耗的特点，必然是未来电视遥控发展的方向。图一系统功能示意图本设计的创新点：[1]实现控制系统的无键化，用三轴加速度计的方向量及在各方向量上的大小完成遥控要求的实现；[2]该产品体积小，外观设计灵活，电池供电，电路设计独特，完全符合加速度计性能的设计特点，尽可能大的挖掘加速度计的应用能力，是针对加速度计设计的电路；[3]在软件上采用新的算法实现加速度计的误差消除和测量算法。[4]在发送时采用市面上电视遥控的通用编码，使其具有完全的通用性能，可适用于任何一台电视机；[5]本产品充分从人性化的角度入手，对不同人群的使用中，都进行了不同的灵敏度，速度反应度的设置，诸如儿童的所需反映的G值就要大一些，而成人力大G值则小，老人的操作速度慢，灵敏度就要大一些，感应周期就要大一些。本设计项目是基于加速度计做传感器，单片机为控制器设计的绝对无键化的电视遥控器，该项目将使我们的电视操作更简单，更易学。由于现在的电视机功能越来越多，从而使其遥控器也越来越复杂，给人们在电视的使用时出现诸多不便，其中就包括以下几点：[1]随着电视技术的智能化，接口越来越丰富，按键趋于简单化的呼声越来越大，而中国很大部分观众都是这类人群，这也阻止了多功能电视市场的应用和推广；[2]对于一些身体有残疾的人群来说，真正实现遥控无键化才是他们生活的福音，对于双手有残疾的人群或有眼疾的人群来说，按键不便于他们的使用，只要通过对遥控器进行三维的摆动就可以控制电视，会给他们的生活带来极大的便利；对于我们正常人来说，这样会使我们的使用更方便，何乐而不为。设计者倾向于做这个项目的初衷和灵感就是外婆无法使用现代的机顶盒，就是因为文化不高和眼睛不好使得很多喜欢的节目在没人帮助的情况下无法看到，在产品越来越人性化的今天，我们更需要把技术用在我们最需要关心的弱势群体，为他们服务才会使我们感到学有所用。参赛只是真心想做好这个产品，使其投入市场，让所有人都受益，为2008特奥会作一点贡献。本项目有广阔的市场前景和无限发展潜力，可以说是遥控设备及电视技术的又一次革命，在显示技术登峰造极的今天，在人性化产品开始走俏的今天，这样的产品无疑会是引领时代的又一个浪潮。同时在后续的开发当中，我们还可以通过对射频方式稍加改进，使其遥控性能更强，可以达到对高空飞行器，航模及无人机等设备的控制，真正做到姿态控制，随心所愿。二项目方案设计就整个系统而言，主要包括信号的采集、信号的处理、信号的发送三个部分。每一个模块设计的好坏都直接影响着系统功能的实现。一般来说，加速度计输出的模拟信号比较微弱，在整个系统中，由于内部和X轴音量大小调节Y轴频道调节Z轴确定或退出外部干扰的影响,在被测信号上叠加着干扰信号,当被测信号很微弱时,就会被干扰噪声“淹没”,导致很大的数据采集误差。因此，为了减小采集的误差，我们把信号在放大之前进行滤波。滤波之后，再将信号放大，把信号放大到适当的量程内，以获得尽可能高的分辨率。另外,该模块应尽可能靠近信号源,这样信号在受环境影响之前即被放大,使信噪比得到改善。这里我们选用的是零漂移、精密度高的仪表放大器AD8230。再将经过放大以后的模拟信号传到AD转换器中，转换成数字信号，由于单片机自身带有AD转换的功能，因此整个转换过程是在单片机内部实现的，而不需要添加额外的AD转换芯片。同时利用单片机对信号进行分析、处理；然后通过射频收发模块无限通讯的功能；最后在上位机端实现对控制结果的显示和表达。系统框图如图二所示：图二系统框图软件设计流程：单片机上电复位以后，首先判断输入端口是否有模拟信号输入，如果没有则重复检测、判断，如果有，则对端口信号进行循环采集。采集之后，接着在单片机中对采集的信号进行AD转换，对转换后的数字信号进行大小标定。由于加速度计在使用的过程中难免会受到干扰，因此对所采集的信号要进行分析，若加速度小于某一特定值，则认为是干扰或抖动，可以不予理睬，若大于特定值，则认为是正常输入。由于种种原因，输入的加速度信号不可能是单一方向的，因此，我们进行了简化处理，假定输入信号始终是单一方向的，若同时检测到多个方向有输入，我们将各个输入进行比较，然后选择一个最大值作为其唯一输入。最后通过对输入进行分析，设计各个输入的处理子程序，设定其功能。由于三轴加速度计能输出三个不同方向的加速度值，因此我们可以对不同的输入设定其不同的功能，每一种输入对应一种功能，并通过各自的子程序体现出来。例如:我们可以将X方向的加速度设置为调节电视机音量的大小，而Y方向的加速度可以设置为电视节目的转换，等等。由于每个人的习惯不同，操作时动作的快慢不一样，我们还可以调节器件的灵敏度，以适应不同人群的需要。动作快的人可以将灵敏度调低一点，而动作慢的人可以将灵敏度调高一点。为了便于后面的处理，我们将信号编制成二进制码输出，这样便于调制器调制，最终通过红外脉冲进行发射。其软件设计流程如图三所示。加速度计模拟信号滤波放大AD转换单片机（信号分析与处理）射频输出测试接收检测是否有信号输入有开始无图三软件设计流程图信号发射方案信号发射完全采用通用电视机遥控的发射原理，微处理器芯片内部的振荡器与外部的振荡晶体组成一个高频振荡器，产生高频振荡信号。此信号送入定时信号发生器后产生的正弦信号和定时脉冲信号。正弦信号送入编码调制器作为载波信号；定时脉冲信号送至指令编码器作为这些调制信号待发送，然后在调制器中进行调制后送到红外线发光二极管D发射出脉冲调制信号，具体流程如图四所示。采集标定测定值与规定最小值比较同时有多个输入时，比较，取最大者小于消除抖动大于或等于AD转换查看输入信号的功能，确定灵敏度信号1应用子程序信号2应用子程序信号3应用子程序输出通用编码CPU发出指令信号指令编码调制器进行调制红外脉冲发射高频信号发生图四射频发射流程图关键模块分析在本设计项目中，加速度计传感器传输信号的误差分析和解决是关系到设计成败与否的关键，MEMS加速度计的误差源于结构性的误差外，还包括各种各样的噪声干扰、温度干扰。面对这些干扰，需要用以下几点解决：[1]采用调制解调型前置放的电路；[2]通过带通或低通滤波器来去除热噪声；[3]合理布线和采用屏蔽措施方式来避免电磁的干扰；[4]要用一定的温度补偿网络来消除温度变化带来的误差；[5]通过软件编程来消除各种噪声，平滑数据。所以在电路的设计当中，要结合这几点作电路，来保证后期控制信号的准确无误。在单片机控制模块，用自带的AD来采集数据达到采集和数据处理的无缝结合，并且编码出不同的指令传到发射器件上。采用平滑算法取出噪声信号，来获得最好的接收数据。同时采用软件消抖，来防止误操作，其中为两层消抖方式，一种是对小信号消抖，一种是对正交信号的比较消抖。在发送时采用特殊编码，达到防止噪声干扰和控制混乱，同时在特殊情况下起到一定的保密作用。本设计中最关键的和最具特色的模块是关于灵敏度调节的模块，我们会用坚持实践出真知的原则，通过多次试验来测试出不同人群所需的操作时间和操作力度，得出它们与G值的相应关系，从而通过软件编程来实现对灵敏度的调节和实现。在测试产品模块，我们除了采用通用的电视遥控编码与电视接口相吻合，我们还将采用VB设计显示平台来实现本遥控装置的全面的功能。对于功耗问题的解决，为了节省功耗，我们采用中断方式，当检测到Z轴正轴方向时，整个系统从休眠状态恢复到正常状态，进行工作。在一定时长没用命令时，软件控制自动进入休眠低功耗状态，这样实现了低功耗电源模式。