2018年TI杯手势识别

2018年TI杯大学生电子设计竞赛手势识别装置（D题）2018年7月23日手势识别装置（D题）【本科组】摘要手势识别作为人机交互的重要组成部分，其研究发展影响着人机交互的自然性和灵活性。为了满足手势识别的设计要求，本次设计使用以测量电路为核心的系统。主要由五个模块组成，包括测量电路模块、传感器模块、显示模块、控制模块、电源模块组成。控制模块采用的是独立按键和MSP430F5529单片机，用以控制工作模式（训练和判决）；测量电路模块采用的是MSP430F5529单片机；传感器模块采用的是FDC2214电容传感器；显示模块采用12864LCD液晶显示屏；电源模块采用220V转5V的USB接口输出模块。本装置通过FDC2214电容传感器和MSP430F5529单片机测量频率值，再通过频率值判断手势，并显示在LCD液晶显示屏上。关键词：手势识别MSP430F5529FDC221412864LCD目录一、系统方案..........................................................11.测量电路模块的选择..............................................12.显示模块的选择..................................................13.传感器模块......................................................14.电源模块........................................................25.方案确定........................................................2二、理论分析与计算....................................................21.理论分析........................................................22.计算............................................................2三、电路与程序设计....................................................31.电路设计........................................................3（1）系统总体框图.............................................3（2）控制模块系统框图.........................................42.程序设计........................................................4（1）程序流程图...............................................4（2）判决的流程图.............................................4四、测试方案与测试结果................................................51.测试方案........................................................5（1）硬件测试.................................................5（2）软件仿真测试.............................................5（3）硬件软件联调.............................................52.测试条件与仪器..................................................5五、测试结果..........................................................61.测试结果........................................................62.误差分析........................................................6六、心得..............................................................6七、参考文献..........................................................7附录：电路原理图......................................................8一、1一、系统方案本设计主要由五个模块包括测量电路模块、传感器模块、显示模块、控制模块、电源模块。1.测量电路模块的选择方案一：采用MSP430系列单片机MSP430系列单片机采用1.8～3.6V电压，超低功耗，运行速度快，处理能力强大，具有高效的开发环境。MSP430系列单片机中CPU与模拟设备的结合，使得校准、调试都变得非常方便。[1]方案二：采用51系列单片机51系列单片机应用最广泛的8位单片机比较容易上手，有较为完善的按位操作系统，功能较完备。虽然I/O脚使用简单,但高电平时无输出能力，有些功能增加了硬件和软件的负担，运行速度过慢，保护能力很差，容易烧坏。通过比较，我们选择方案一，采用MSP430F5529单片机作为控制模块。2.显示模块的选择方案一：采用OLED液晶显示屏OLED液晶显示屏抗震性能更好；视角范围大；响应速度快；发光效率高，功耗低；厚度可以小于1毫米，并且重量轻；成本低；但是寿命较短。方案二：采用LCD液晶显示屏LCD液晶显示屏显示信息量大，显示质量高，低电压低功耗；使用寿命较长。通过比较，我们选择方案二，采用LCD液晶显示屏作为显示模块。3.传感器模块我们采用FDC2214作为传感器。利用FDC2214的工作原理可实现手势接近和识别的功能，如图1.1所示，黄色部分称为“FDC2214的传感平面”，该平面为导体材质，当人手接近该平面时，传感端的电容发生了变化，这就会导致LC电路振荡频率的变化，从而反映出手势接近，以及手势的判定。2图1.1传感器模块设计图4.电源模块采用220V转5VUSB接口输出的接线板作为电源模块。5.方案确定本设计采用5V电源给MSP430F5529单片机和FDC2214电容传感器供电。MSP430F5529单片机外接按键，来控制工作模式。MSP430F5529单片机外接FDC2214电容传感器，获取频率值，再通过频率值判断手势，并通过LCD液晶显示屏显示。二、理论分析与计算1.理论分析传感平面的面积越大、手势与传感平面的距离越小，感应的频率变化越大，系统会越灵敏，但同时也可能引入越多的噪声。2.计算图2.1被测电容器与LC电路图3设被测电容器的容抗为XC1,LC电路中电容器的容抗为XC，LC电路中电感器的感抗为XL,频率为f。根据振荡电路的条件有：容抗等于感抗。即XC1+XC=XL(2.1)式中XC1=1/（2πfC1），XC=1/（2πfC）,XL=2πfL，其中C1为被测电容、C为电容器电容、L为电感器的电感。因此可得1f4221LCCCπ(2.2）可见，在芯片每个检测通道的输入端连接一个电感和电容，组成LC电路，被测电容传感端（图3.1中灰色标识部分即为被测电容）与LC电路相连接，将产生一个振荡频率，根据该频率值可计算出被测电容值。三、电路与程序设计1.电路设计（1）系统总体框图图3.1系统原理图4（2）控制模块系统框图图3.2控制模块原理图2.程序设计（1）程序流程图图3.3测量电路程序流程图图3.4控制电路程序流程图（2）判决的流程图图3.5判决的流程图5根据设计要求，手势不同，测量电路能根据FDC2214传回的数据，与没有手势时的数值比较，CH1—CH6数值变化个数为z，CH7数值变化个数为x。当x=1时，z等于0、1、2、3、4、5对应的手势分别为石头、1、2/剪刀、3、4、5/布。当x=0时，表示没有手势输入。四、测试方案与测试结果1.测试方案（1）硬件测试检查各个螺丝接口和硅胶黏合物件是否连接牢固、电路焊接口有无虚焊现象。（2）软件仿真测试通过CCS软件进行程序编译，检查有无程序上的编译或语法错误。再通过软件进行仿真，检查是否达到预期结果。（3）硬件软件联调硬件测试和软件仿真测试完成并达到测试标准后，将程序写到单片机，测试并记录5组相同的手势的判决结果和每一次的判决时间，并计算判决的准确率（百分比）以及平均时间。2.测试条件与仪器测试条件：5V电源供电。测试仪器：秒表。6五、测试结果1.测试结果表5.1判断结果表2.误差分析手掌放置的位置不对是引起误差的主要来源。手掌放置的位置不对，导致通道测出的频率值异常，从而导致测出的结果出错。六、心得经过四天三夜的努力奋斗，从最初的选材，到对材料进行切割、焊接、钻孔等加工，再到程序的编写调试。小组三人齐心协力，克服了设计中的种种问题。本次设计使用到的单片机MSP430F5529对于我们来说是一个比较熟悉的单片机，也就相对的容易上手。而反观FDC2214未曾接触过，所以显得陌生，经过这些天的学习也掌握了它的使用方法，这让我们收获十分巨大。对于一些元器件的使用也更加的熟练，本次设计全方面的考验了小组的配合能力，从硬件到软件再到报告，小组三人相互配合协作，使我们三人都能在这些方面上有所提高。7七、参考文献[1]郑煊，刘萌，张鹍.MSP430单片机应用技术[M].北京:清华大学出版社,2014.[2]吴建平.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.[3]肖志红.平板式电容传感器测量电路研究[J].现代电子技术,2004(17):105-106+108.[4]蒙文舜,杨运经,刘云鹏.电容传感器的原理及应用[J].现代电子技术,2003(07):78-81.[5]陈晓东,苏宛新,邢忠宝,王化龙.基于单片机的OLED显示器的应用[J].微计算机信息,2006(05):5-6+82.[6]路凯,李小坚.手势识别研究概述[J].西安文理学院学报(自然科学版),2006(02):91-94.8附录：电路原理图1.系统总体原理图图8.1系统总体原理图2.FDC2214电容传感器图8.2FDC2214电容传感器原理图93.MSP430F5529单片机图8.3MSP430F5529单片机原理图4.12864LCD液晶显示屏图8.412864LCD液晶显示屏10