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MSP430F5529FDC2214 12864LCD
目录
一、系统方案 (1)
1.测量电路模块的选择 (1)
2.显示模块的选择 (1)
3.传感器模块 (1)
4.电源模块 (2)
5.方案确定 (2)
二、理论分析与计算 (2)
1.理论分析 (2)
2.计算 (2)
三、电路与程序设计 (3)
1.电路设计 (3)
（1）系统总体框图 (3)
（2）控制模块系统框图 (4)
2.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 (5)
1.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 (5)
2.测试条件与仪器 (5)
五、测试结果 (6)
1.测试结果 (6)
2.误差分析 (6)
六、心得 (6)
七、参考文献 (7)
附录：电路原理图 (8)
一、
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。
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
设被测电容器的容抗为X C1,LC 电路中电容器的容抗为X C ，LC 电路中电感器的感抗为X L ,频率为f 。
根据振荡电路的条件有：容抗等于感抗。
即 X C1+X C =X L (2.1)
式中X C1=1/（2πfC 1），X C =1/（2πfC ）,X L =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
1
f 42
21-=LC C
C π (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
（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
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。
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。
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.
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8.2 FDC2214电容传感器原理图
3.MSP430F5529单片机
图8.3 MSP430F5529单片机原理图4.12864LCD液晶显示屏
图8.4 12864LCD液晶显示屏。