基于電容式傳感器的手勢(shì)識(shí)別裝置

王俊程

（山東省臨沂市臨沭縣第一中學(xué)，山東 臨沂276799）

1 系統(tǒng)方案

人臉識(shí)別的門鎖、指紋識(shí)別的保險(xiǎn)柜都已經(jīng)進(jìn)入尋常百姓家，這些高科技的產(chǎn)品的原理是什么?怎么樣的技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)？這些問(wèn)題讓我思考，是否可以制作一個(gè)手勢(shì)識(shí)別的裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)剪刀石頭布、一二三四五手勢(shì)的識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)對(duì)任意人員手勢(shì)信息的處理及識(shí)別。在科技老師的指導(dǎo)下，我設(shè)計(jì)的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、FDC2214 傳感芯片、電源模塊等組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

1.1 主控制器件的論證與選擇

方案一：采用STC51 系列單片機(jī)

傳統(tǒng)的51 單片機(jī)為8 位機(jī)，價(jià)格便宜，控制簡(jiǎn)單，但是運(yùn)算速度慢，片內(nèi)資源少，存儲(chǔ)容量小，難以存儲(chǔ)大體積的程序和實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的反應(yīng)控制。并且受時(shí)鐘限制，計(jì)時(shí)精度不高，外圍電路也增加了系統(tǒng)的不可靠性。

方案二：采用STM32F103ZET6 單片機(jī)

ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103ZET6 控制芯片，擁有11 個(gè)定時(shí)器，3 個(gè)ADC，13 個(gè)通信接口，多達(dá)112 個(gè)快速I/0 口，計(jì)時(shí)精度高，反應(yīng)速度快，價(jià)格中等，功耗低，操作也較為簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)環(huán)境非常容易搭建。

通過(guò)比較，我選擇方案二，采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103ZET6 控制芯片。同時(shí)包含主控芯片在內(nèi)的控制系統(tǒng)包含了顯示、傳感器等模塊，能夠減少外圍電路的設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本作品使用ALIENTEK公司出品的精英開(kāi)發(fā)板直接作為主控板。

1.2 傳感器的選擇

方案：采用FDC2214。FDC2214 是一個(gè)噪聲多通道系列，抗EMI，高分辨率，高速電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于實(shí)現(xiàn)電容式傳感解決方案。采用了提供創(chuàng)新的基于窄帶的架構(gòu)，可抑制噪聲和干擾，同時(shí)提供高速分辨率。器件支持寬激勵(lì)頻率范圍，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活性。電容式傳感是一種低功耗，低成本，高分辨率的非接觸式傳感技術(shù)，可應(yīng)用于各種應(yīng)用，范圍從接近檢測(cè)和手勢(shì)識(shí)別到遠(yuǎn)程液位傳感。電容式傳感系統(tǒng)中的傳感器是任何金屬或?qū)w，允許低成本和高度靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本作品設(shè)計(jì)的FDC2214 模塊板。

1.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇

基于FDC2214 實(shí)現(xiàn)手勢(shì)接近和判決的實(shí)驗(yàn)中存在如下的特征：傳感平面的面積越大、手勢(shì)與傳感平面的距離越小，感應(yīng)的頻率變化越大，系統(tǒng)會(huì)越靈敏，但同時(shí)也可能引入越多的噪聲。

方案一：采用單金屬板進(jìn)行信號(hào)采集。單金屬板信號(hào)采集雖然簡(jiǎn)單，只需要使用FDC2214 芯片的一個(gè)通道，但對(duì)手掌這樣大小的金屬板來(lái)說(shuō)，感應(yīng)頻率變化值大，系統(tǒng)過(guò)于靈敏，但采用單通道在使用時(shí)誤差較大，電容變化值過(guò)大，數(shù)據(jù)處理難度較大。

方案二：采用四個(gè)金屬板分布式進(jìn)行信號(hào)采集。采集多傳感平面信號(hào)的原理是利用FDC2214 的多通道特性，每一個(gè)通道都有相同的外圍電路，所以每個(gè)通道的采樣特性是相同的。多傳感平面不僅有單傳感平面的所有優(yōu)點(diǎn)，而且能夠降低采集數(shù)據(jù)的誤差和干擾，數(shù)據(jù)處理難度降低。

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1 FDC2214 電容值識(shí)別的分析

FDC2214 是基于LC 諧振電路原理的一個(gè)電容檢測(cè)傳感器。其基本原理如圖1 所示，在芯片每個(gè)檢測(cè)通道的輸入端連接一個(gè)電感和電容，組成LC 電路，被測(cè)電容傳感端（圖1 中灰色標(biāo)識(shí)部分即為被測(cè)電容）與LC 電路相連接，將產(chǎn)生一個(gè)振蕩頻率，根據(jù)該頻率值可計(jì)算出被測(cè)電容值。利用FDC2214 的工作原理可實(shí)現(xiàn)手勢(shì)接近和識(shí)別的功能，如上圖所示，黃色部分稱為“FDC2214 的傳感平面”，該平面為導(dǎo)體材質(zhì)，當(dāng)人手接近該導(dǎo)體傳感平面時(shí)，傳感端的電容發(fā)生了變化，這就會(huì)導(dǎo)致LC電路振蕩頻率的變化，從而反映出手勢(shì)接近，以及手勢(shì)的判定。

2.2 程序的設(shè)計(jì)

程序功能描述與設(shè)計(jì)思路:

2.2.1 程序功能描述

根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)手勢(shì)的識(shí)別和顯示:a.手勢(shì)識(shí)別：能將FDC2214 反饋的不同手勢(shì)的信號(hào)正確的表達(dá)出來(lái)。b.顯示部分：顯示不同的手勢(shì)，如：剪刀石頭布。

2.2.2 程序設(shè)計(jì)思路

使用迪文公司出品的工業(yè)串口屏(如右圖所示)作為顯示模塊，其特點(diǎn)是使用其專門的界面繪制工具進(jìn)行界面編程，我將每個(gè)題目需求制作了若干張圖片，方便調(diào)試和演示。在MCU(STM32F103ZET6，以下簡(jiǎn)稱MCU)的程序設(shè)計(jì)中，我將工業(yè)串口屏的串口接到了MCU 的串口三（TX:PB10,RX:PB11）,在每個(gè)界面上的按鈕樣式處安置觸摸反饋，作用是觸摸該按鈕時(shí)串口屏?xí)l(fā)送一個(gè)指令到串口，使MCU 能夠識(shí)別到測(cè)試人員觸摸到了相關(guān)位置能信息。

圖1 顯示面板

我使用TI 公司出品的FDC2214 芯片作為該作品的傳感核心部件，使用FDC2214，可以檢測(cè)到測(cè)試人員與傳感平面的交互信息。MCU 將FDC2214 通過(guò)IIC 傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

1 判決模式：a.我將MCU 通過(guò)FDC2214 得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波，對(duì)噪聲進(jìn)行有效抑制，得到data1。b.將data_1（濾波后的數(shù)據(jù)）和data_0（通過(guò)訓(xùn)練或者默認(rèn)的數(shù)據(jù)）進(jìn)行比對(duì)，如果data_1 在data_0 的+/- 5%的范圍內(nèi)，則認(rèn)定data_1 就是data_0所代表的手勢(shì)。c.將數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果進(jìn)行反饋（傳輸?shù)酱谄粒寽y(cè)試人員得知測(cè)試結(jié)果。

2 訓(xùn)練模式

a.首先MCU 檢測(cè)當(dāng)前訓(xùn)練模式：訓(xùn)練模式分為劃拳訓(xùn)練和猜拳訓(xùn)練，劃拳訓(xùn)練又分為1、2、3、4、5 五個(gè)手勢(shì)，猜拳訓(xùn)練則分為剪刀、石頭、布三個(gè)手勢(shì)。測(cè)試人員將欲要訓(xùn)練的手勢(shì)在串口屏上進(jìn)行選擇，選擇后的數(shù)據(jù)串口屏?xí)ㄟ^(guò)串口傳輸?shù)組CU上。

b.具體訓(xùn)練步驟:MCU 得到訓(xùn)練模式后，告知FDC2214 進(jìn)行工作，開(kāi)始采樣，如果采樣數(shù)據(jù)過(guò)小，說(shuō)明測(cè)試人員并沒(méi)有開(kāi)始進(jìn)行收拾訓(xùn)練。一般情況下，MCU 會(huì)對(duì)每個(gè)手勢(shì)進(jìn)行三次采樣，每次采樣采100 個(gè)值（濾波后），在進(jìn)行去平均數(shù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，每一次采樣成功后MCU 會(huì)使能蜂鳴器，提醒測(cè)試人員采樣成功，三次采樣成功后，MCU 會(huì)通過(guò)串口與串口屏進(jìn)行通信，告知串口屏采樣完成，并進(jìn)行顯示。

3 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試方案

3.1.1 硬件測(cè)試

電路搭建，連接，焊接完成后，檢驗(yàn)各元件，顯示器等的功能3.1.2 硬件軟件聯(lián)調(diào)

編寫軟件可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)的自動(dòng)識(shí)別，能夠滿足題目的基本要求，驗(yàn)證軟硬件的基本部分沒(méi)有問(wèn)題，后續(xù)再進(jìn)行算法的優(yōu)化，提升識(shí)別速度。

3.2 測(cè)試條件與儀器

測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，指針式萬(wàn)用表。