自制3D鼠標(biāo)——讓鼠標(biāo)脫離桌面實(shí)現(xiàn)控制

相信喜歡玩游戲的人對在計(jì)算機(jī)上玩CS等射擊游戲一定不會陌生，但是大家在玩的時候是否常感覺到操作不夠真實(shí)、使用不夠方便呢？因?yàn)閷尩囊苿?、射擊等操作是利用“趴”在桌面上鼠?biāo)的移動和點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)的，然而真實(shí)的場面并不是這樣。于是筆者就想，能否做一種鼠標(biāo)出來，它不僅能夠在水平方向上來回移動控制，而且還能在垂直平面上操作呢？經(jīng)過翻查大量的資料，筆者想出了一種利用加速度傳感器設(shè)計(jì)的方法來實(shí)現(xiàn)這種功能，讀者只需把做好的“鼠標(biāo)”電路放進(jìn)仿真槍中，扳機(jī)連上鼠標(biāo)的左鍵開關(guān)就能夠在計(jì)算機(jī)前玩真人CS啦。

我們平時用的鼠標(biāo)只能夠在桌子平面上運(yùn)動，而3D鼠標(biāo)是一種新型的鼠標(biāo)器，它不僅可以當(dāng)作普通的鼠標(biāo)使用，而且具有以下幾個特點(diǎn)：
（1）具有全方位立體控制能力。具有前、后、左、右、上、下6個移動方向，而且可以組合出前右、左下等的移動方向。
（2）功耗很低，外形可以比普通鼠標(biāo)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3軸的加速度傳感器，當(dāng)傳感器感受到外界加速度的變化時便會輸出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(jī)AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后經(jīng)單片機(jī)處理產(chǎn)生鼠標(biāo)移動的時序信號，通過PS/2接口傳給計(jì)算機(jī)。

一、3D鼠標(biāo)電路構(gòu)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(biāo)與計(jì)算機(jī)的PS/2接口電路，最后一部分是MSP430F2013單片機(jī)的最小系統(tǒng)。MSP430系列的單片機(jī)可以說是微控制器中的“環(huán)保之星”了，之所以說環(huán)保是因?yàn)樗軌蚬?jié)省我們寶貴的電能，是業(yè)界上功耗最低的單片機(jī)之一。
MSP430單片機(jī)不僅有超低的功耗和出色的運(yùn)算性能，而且有一個高精度AD轉(zhuǎn)換器，這是3D鼠標(biāo)能夠準(zhǔn)確快速把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理的基礎(chǔ)是本電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。電路如圖1所示。

二、MCU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)
MSP430中的F2xx系列具有靈活的時鐘系統(tǒng)，其芯片內(nèi)部集成增強(qiáng)型的DCO（數(shù)字控制振蕩器），并且其頻率可以被設(shè)定為0～16MHz之間任一數(shù)值，這樣單片機(jī)電路便可在沒有外了電路的穩(wěn)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(tǒng)便可按照設(shè)定的程序運(yùn)行。

三、加速度傳感器電路設(shè)計(jì)
本電路采用MMA7260加速度傳感器，由于MMA7260的集成度很高，芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了溫度補(bǔ)償、信號調(diào)理等電路，因此芯片外圍電路也十分簡單。X-out、Y-out、Z-out分別為加速度傳感器的3個輸出端，輸出信號大小與其對應(yīng)軸上的加速度成線性關(guān)系。為了防止高頻干擾信號進(jìn)入單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)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個引腳可以設(shè)置不同的量程，電路中此功能是由一個撥動開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇不同的量程與靈敏度，設(shè)定方法如表1所示。

四電源及PS/2接口電路設(shè)計(jì)
由于在PS/2接口中有提供+5V的接部晶振或時鐘下正常工作，既降低了成本，又減少了電路的體積，并增強(qiáng)口電源，同樣的，與電腦通信的信號線也是+5V電平信號，但是MSP430和MMA7260都是3.3V供電和3.3V電平通信的。為了解決這個問題，筆者采用了以下方法：
在電源上采用LDO芯片AS1117和若干個電容構(gòu)成一個5V轉(zhuǎn)3V的線性穩(wěn)壓電源，而電平轉(zhuǎn)換方面則是是采用一對三極管來實(shí)現(xiàn)此功能，原理如圖2所示。圖中左邊是3.3V電平的MSP430單片機(jī)的兩個IO口，分別設(shè)置成輸出和輸入，右邊是電腦5V的PS/2接口。當(dāng)單片機(jī)的IO1輸出高電平3.3V時，三極管的Ube遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三極管的飽和壓降，于是此時三級管VT1飽和導(dǎo)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?fàn)顟B(tài)，這時DATA端就相當(dāng)于接上一個10kΩ的上拉電阻，其電壓處于5V，是高電平。
由上面分析可知，這個電平轉(zhuǎn)換器其實(shí)是一個反相器，因此在對單片機(jī)編程時需要注意這點(diǎn)，要把電平信號取反才會得到原來的信號。同理，當(dāng)DATA端為輸出時，首先把IO1設(shè)置成低電平，把IO2設(shè)置成輸入，就可以通過IO2來判斷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。
這種封裝并沒有一根根的引腳引出芯片外部，它采用的是焊盤結(jié)構(gòu)，把一個個的焊盤放在芯片下方，所以很難在萬用板上焊接，為此筆者特意設(shè)計(jì)了一個加速度傳感器的模塊（電路見圖3，實(shí)物圖見圖4）。這樣，一來方便焊接，二來這個模塊日后還能運(yùn)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、電阻無論焊接到萬用板還是自己做的PCB上都十分容易，而且體積適中，非常節(jié)省板上位置。至于電路中的4個三極管VT1~VT4選用直插的、較高β值NPN型三極管即可，例如2N3904、9014等。輕觸開關(guān)S1、S2和PS/2接線都是筆者從廢舊鼠標(biāo)中拆下的，十分環(huán)保。單片機(jī)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，見圖6。

六、安裝與調(diào)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)槍來焊接，在焊接前要在芯片焊盤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(dāng)芯片放在PCB上時會傾斜，影響焊接效果。其次，需要注意用熱風(fēng)槍對芯片加熱時要均勻受熱，風(fēng)口要在芯片上方不斷搖動，直到焊錫溶解。
當(dāng)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，并向單片機(jī)燒寫程序。制作好的電路實(shí)物見圖7。因?yàn)镕2XX系列的單片機(jī)支持SPY_BY_WIRE的兩線下載調(diào)試方式，所以程序下載調(diào)試都十分方便，通過IAR公司的IDE環(huán)境，可以很輕松地完成程序的編寫，編譯、下載、調(diào)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(biāo)插入電腦的PS/2接口，并打開電腦，開始享受3D鼠標(biāo)所給你帶來全新操作體驗(yàn)了。
后記：筆者制作的這個3D鼠標(biāo)打破了鼠標(biāo)只能在桌面上的2D范圍內(nèi)運(yùn)動的局限，把鼠標(biāo)的運(yùn)動范圍擴(kuò)展到空間，使鼠標(biāo)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《無線電》網(wǎng)站下載。