自制3D鼠標——讓鼠標脫離桌面實(shí)現控制

相信喜歡玩游戲的人對在計算機上玩CS等射擊游戲一定不會(huì )陌生，但是大家在玩的時(shí)候是否常感覺(jué)到操作不夠真實(shí)、使用不夠方便呢？因為對槍的移動(dòng)、射擊等操作是利用“趴”在桌面上鼠標的移動(dòng)和點(diǎn)擊實(shí)現的，然而真實(shí)的場(chǎng)面并不是這樣。于是筆者就想，能否做一種鼠標出來(lái)，它不僅能夠在水平方向上來(lái)回移動(dòng)控制，而且還能在垂直平面上操作呢？經(jīng)過(guò)翻查大量的資料，筆者想出了一種利用加速度傳感器設計的方法來(lái)實(shí)現這種功能，讀者只需把做好的“鼠標”電路放進(jìn)仿真槍中，扳機連上鼠標的左鍵開(kāi)關(guān)就能夠在計算機前玩真人CS啦。

我們平時(shí)用的鼠標只能夠在桌子平面上運動(dòng)，而3D鼠標是一種新型的鼠標器，它不僅可以當作普通的鼠標使用，而且具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）具有全方位立體控制能力。具有前、后、左、右、上、下6個(gè)移動(dòng)方向，而且可以組合出前右、左下等的移動(dòng)方向。
（2）功耗很低，外形可以比普通鼠標更小巧，使用更靈活。
本電路主要采用的是MMA7260加速度傳感器，這是一個(gè)3軸的加速度傳感器，當傳感器感受到外界加速度的變化時(shí)便會(huì )輸出3組3維與加速度大小成正比的電壓信號。這3電壓信號進(jìn)入單片機AD轉換器，轉換成數字信號，然后經(jīng)單片機處理產(chǎn)生鼠標移動(dòng)的時(shí)序信號，通過(guò)PS/2接口傳給計算機。

一、3D鼠標電路構成
本電路主要分成3部分，一部分是加速度傳感器的外圍電路，另一部分是3.3V供電電源以及鼠標與計算機的PS/2接口電路，最后一部分是MSP430F2013單片機的最小系統。MSP430系列的單片機可以說(shuō)是微控制器中的“環(huán)保之星”了，之所以說(shuō)環(huán)保是因為它能夠節省我們寶貴的電能，是業(yè)界上功耗最低的單片機之一。
MSP430單片機不僅有超低的功耗和出色的運算性能，而且有一個(gè)高精度AD轉換器，這是3D鼠標能夠準確快速把傳感器的輸出信號轉換成數字量進(jìn)行處理的基礎是本電路設計的關(guān)鍵。電路如圖1所示。

二、MCU最小系統設計
MSP430中的F2xx系列具有靈活的時(shí)鐘系統，其芯片內部集成增強型的DCO（數字控制振蕩器），并且其頻率可以被設定為0～16MHz之間任一數值，這樣單片機電路便可在沒(méi)有外了電路的穩定性和抗干擾能力。只需要分別給Vcc接上+3.3V和Vss接上地，MCU的最小系統便可按照設定的程序運行。

三、加速度傳感器電路設計
本電路采用MMA7260加速度傳感器，由于MMA7260的集成度很高，芯片內部已經(jīng)集成了溫度補償、信號調理等電路，因此芯片外圍電路也十分簡(jiǎn)單。X-out、Y-out、Z-out分別為加速度傳感器的3個(gè)輸出端，輸出信號大小與其對應軸上的加速度成線(xiàn)性關(guān)系。為了防止高頻干擾信號進(jìn)入單片機的AD轉換器，筆者特意在信號輸出端分別加上了一階RC低通濾波器。另外，MMA7260還有2個(gè)引腳可以設置不同的量程，電路中此功能是由一個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現的，用戶(hù)可以根據實(shí)際情況來(lái)選擇不同的量程與靈敏度，設定方法如表1所示。

四電源及PS/2接口電路設計
由于在PS/2接口中有提供+5V的接部晶振或時(shí)鐘下正常工作，既降低了成本，又減少了電路的體積，并增強口電源，同樣的，與電腦通信的信號線(xiàn)也是+5V電平信號，但是MSP430和MMA7260都是3.3V供電和3.3V電平通信的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者采用了以下方法：
在電源上采用LDO芯片AS1117和若干個(gè)電容構成一個(gè)5V轉3V的線(xiàn)性穩壓電源，而電平轉換方面則是是采用一對三極管來(lái)實(shí)現此功能，原理如圖2所示。圖中左邊是3.3V電平的MSP430單片機的兩個(gè)IO口，分別設置成輸出和輸入，右邊是電腦5V的PS/2接口。當單片機的IO1輸出高電平3.3V時(shí)，三極管的Ube遠遠大于三極管的飽和壓降，于是此時(shí)三級管VT1飽和導通，DATA端的電壓接近于0V，所以輸出的是低電平。如果IO1輸出的是低電平，Ube為0V，三極管處于截止狀態(tài)，這時(shí)DATA端就相當于接上一個(gè)10kΩ的上拉電阻，其電壓處于5V，是高電平。
由上面分析可知，這個(gè)電平轉換器其實(shí)是一個(gè)反相器，因此在對單片機編程時(shí)需要注意這點(diǎn)，要把電平信號取反才會(huì )得到原來(lái)的信號。同理，當DATA端為輸出時(shí)，首先把IO1設置成低電平，把IO2設置成輸入，就可以通過(guò)IO2來(lái)判斷DATA的電平信號了。

五、元件的選用
電路中的IC1、IC2分別是芯片AS1117-3.3和MMA7260，筆者都采用的是貼片封裝，尤其是MMA7260，采用的是QFN封裝，如圖3所示。
這種封裝并沒(méi)有一根根的引腳引出芯片外部，它采用的是焊盤(pán)結構，把一個(gè)個(gè)的焊盤(pán)放在芯片下方，所以很難在萬(wàn)用板上焊接，為此筆者特意設計了一個(gè)加速度傳感器的模塊（電路見(jiàn)圖3，實(shí)物圖見(jiàn)圖4）。這樣，一來(lái)方便焊接，二來(lái)這個(gè)模塊日后還能運用到其他制作中去。
本電路所有的電阻和小電容都是采用0805封裝的貼片電阻和電容（見(jiàn)圖5），而10μF的電容采用的是1206封裝的鉭電容。這些電容、電阻無(wú)論焊接到萬(wàn)用板還是自己做的PCB上都十分容易，而且體積適中，非常節省板上位置。至于電路中的4個(gè)三極管VT1~VT4選用直插的、較高β值NPN型三極管即可，例如2N3904、9014等。輕觸開(kāi)關(guān)S1、S2和PS/2接線(xiàn)都是筆者從廢舊鼠標中拆下的，十分環(huán)保。單片機MSP430F2013有兩種封裝，為了焊接方便，筆者選用的是DIP雙列直插的封裝，見(jiàn)圖6。

六、安裝與調試

MMA7260的焊接是本制作的一大難點(diǎn)，像這種QFN封裝的芯片最好用熱風(fēng)槍來(lái)焊接，在焊接前要在芯片焊盤(pán)上用烙鐵均勻地焊上少量焊錫，焊錫不能太多，而且要均勻，高度一致，否則當芯片放在PCB上時(shí)會(huì )傾斜，影響焊接效果。其次，需要注意用熱風(fēng)槍對芯片加熱時(shí)要均勻受熱，風(fēng)口要在芯片上方不斷搖動(dòng)，直到焊錫溶解。
當加速度傳感器模塊上所有元塊，如果輸出的電壓有變化，則模塊工作正常。如果加速度模塊工作正常，就可以把所有的元件都按照電路圖在洞洞板上焊接起來(lái)，并向單片機燒寫(xiě)程序。制作好的電路實(shí)物見(jiàn)圖7。因為F2XX系列的單片機支持SPY_BY_WIRE的兩線(xiàn)下載調試方式，所以程序下載調試都十分方便，通過(guò)IAR公司的IDE環(huán)境，可以很輕松地完成程序的編寫(xiě)，編譯、下載、調試等的所有工作。
如果你把上面所介紹的步驟都順利完成了，那就恭喜你啦，你可以把鼠標插入電腦的PS/2接口，并打開(kāi)電腦，開(kāi)始享受3D鼠標所給你帶來(lái)全新操作體驗了。
后記：筆者制作的這個(gè)3D鼠標打破了鼠標只能在桌面上的2D范圍內運動(dòng)的局限，把鼠標的運動(dòng)范圍擴展到空間，使鼠標的操作方式更加多樣、更加靈活、更加方便。有興趣的讀者歡迎一試！本制作所需相關(guān)程序可到《無(wú)線(xiàn)電》網(wǎng)站下載。