序號：編碼:

第八屆〃挑戰(zhàn)杯〃鄭州大學

大學生課外學術(shù)科技作品競賽

作品申報書

作品名稱：新概念PPT控制筆

院系名稱：電氣工程學院

個人申報者姓名

（集體名稱）：_____________________________

類別：科技制作

□自然科學類學術(shù)論文

□哲學社會科學類社會調(diào)查報告和學術(shù)論文

□科技制作

□小發(fā)明創(chuàng)造

說明

1.申報者應(yīng)在認真閱讀此說明各項內(nèi)容后按要求詳細填

寫。

2.申報者在填寫申報作品情況時只需根據(jù)個人項目或集

體項目填寫A1或A2表，根據(jù)作品類別（自然科學類學術(shù)論

文、哲學社會科學類社會調(diào)查報告和學術(shù)論文、科技制作和小

發(fā)明創(chuàng)造）分別填寫B(tài)l、B2或B3表。所有申報者可根據(jù)情

況填寫C表。

3.表內(nèi)項目填寫時一律打印或用鋼筆填寫（字跡端正）,

此申報書可復制。

4.序號和編碼由第八屆"挑戰(zhàn)杯"鄭州大學大學生課外

學術(shù)科技作品競賽組委會填寫。

5.學術(shù)論文、社會調(diào)查報告及所附的有關(guān)材料必須是中

文（若是外文，請附中文本），請以4號仿宋體打印在A4紙

上,附于申報書后；學術(shù)論文及有關(guān)材料在8000字以內(nèi)，社

會調(diào)查報告在15000字以內(nèi)（文章版面尺寸16x25cm左右工

6.科技制作、小發(fā)明創(chuàng)造類作品要有1000字以內(nèi)的作

品說明，并附相關(guān)的研究報告、圖表、曲線、試驗數(shù)據(jù)、原理

結(jié)構(gòu)圖、外觀圖（照片1鑒定證書和應(yīng)用證書等，打印或粘

1

貼到申報書后。

7.各院系通過初評的作品各一式兩份在規(guī)定時間內(nèi)報第

八屆"挑戰(zhàn)杯"鄭州大學競賽指導委員會辦公室（校團委綜合

辦公室I

8.作品申報書由各院（系）統(tǒng)一報送，同時報送電子版。

2

B3.申報作品情況（科技制作和小發(fā)明創(chuàng)造）

說明：1.必須由申報者本人填寫；

2.本表必須附有研究報告，并提供圖表、曲線、試驗數(shù)據(jù)、原理結(jié)

構(gòu)圖、外觀圖（照片），也可附鑒定證書和應(yīng)用證書；

3.作品分類請按照作品發(fā)明點或創(chuàng)新點所在類別填報。

作品全稱新概念PPT控制筆

（A）A.機械與控制（包括機械、儀器儀表、自動化控制、

工程、交通、建筑等）

B.信息技術(shù)（包括計算機、電信、通訊、電子等）

C.數(shù)理（包括數(shù)學、物理、地球與空間科學等）

作品分類D.生命科學（包括生物、農(nóng)學、藥學、醫(yī)學、健康、

衛(wèi)生、食品等）

E.能源化工（包括能源、材料、石油、化學、化工、

生態(tài)、環(huán)保等）

3

生活中，無論是公司會議、演講演示還是教師授課都活躍

著PPT這一軟件的身影，而市場上也已充斥著一大批能夠控制

PPT的器材。在實際操作中，使用者往往需要在屏幕上進行涂

寫標注，然而工作臺卻極大地局限了使用者的操作，而且傳統(tǒng)

的控制器材功能單一，使用不便，很難涉及到這一方面。如果

有一種產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)在PPT上“空中書寫”，甚至進行一些''姿

態(tài)控制”，那該給使用者帶來多少便利??！基于這一目的，我

們設(shè)計了“新概念PPT控制筆

基本思路如下：

通過6軸運動處理傳感器MPU6050進行空間運動的數(shù)據(jù)采

作品設(shè)計、集，該傳感器能夠通過自身集成的3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS

發(fā)明的目的加速度計精確地獲得控制器的3軸角速度；通過歐拉角和四元

和基本思路

數(shù)融和演算，得到橫滾角，航偏角，俯仰角，這一組數(shù)據(jù)通過

單片射頻收發(fā)器件NRF24101發(fā)送給接收板；最后接收板將數(shù)

據(jù)通過PDIUSBD12按照既定的鍵鼠通訊協(xié)議傳送給PC,并調(diào)用

畫筆功能，從而實現(xiàn)“空中書寫同時，利用MPU6050芯片

強大的運動數(shù)據(jù)采集功能，實時收集不同的運動手勢所得到的

數(shù)據(jù)。利用已有的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的計算分析，就能調(diào)用不同的

PPT操作功能，這便是“姿態(tài)控制

4

該產(chǎn)品有如下創(chuàng)新點：

1.特定姿態(tài)控制調(diào)用相應(yīng)快捷功能。通過一鍵姿態(tài)控制，

搜集姿態(tài)信息，進行多種快捷功能的調(diào)用，并實現(xiàn)PPT演示中

人機無障礙交流的效果。

2.空中書寫。通過追蹤PPT控制筆在空中的運動狀態(tài)，實

現(xiàn)空中書寫，為使用者授課，演講提供方便的標注功能。

技術(shù)難點與技術(shù)關(guān)鍵：

1.實際操作中控制器對軌跡追蹤的靈敏度，姿態(tài)判定的可

靠性。

創(chuàng)新點、技2.單片機與NRF24L01組成的無線通訊系統(tǒng)的設(shè)計。

術(shù)關(guān)鍵和主

3.單片機按照USB協(xié)議與操作系統(tǒng)通訊的設(shè)計。

要技術(shù)指標

主要技術(shù)性能指標：

1.產(chǎn)品滿足使用者的握持習慣，外形美觀。

2.可控無線通訊距離不小于50米。

3.運動處理傳感器MPU6050對軌跡追蹤的準確度與靈敏

度。

4.基于USB1.0/2.0/3.0通訊協(xié)議與操作系統(tǒng)交流時，數(shù)據(jù)

傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5

作品的科學性先進性：

1.通訊按照既定的USB協(xié)議進行，對操作系統(tǒng)適用性強，

且方便快捷實用，便于推廣。

2.無線通訊模塊NRF24L01通訊距離在百米以上（無其他

干擾），可通訊范圍廣，能夠解放控制臺對操作者的束縛。與

此同時，NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作

電流也只有9mA；接收時，工作電流只有12.3mA,多種低功

作品的科學

率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計更方便。

性先進性

（必須說明3.以六軸運動傳感器MPU6050為主的運動數(shù)據(jù)采集模塊，

與現(xiàn)有技術(shù)數(shù)據(jù)采集能力強，精度高。MPU605芯片集成3軸MEMS陀螺儀，

相比、該作

3軸MEMS加速度計，以及一個可拓展的數(shù)字運動處理器DMP,

品是否具有

可通過12c通信協(xié)議傳輸原始數(shù)據(jù)。陀螺儀可測范圍±500°/

突出的實質(zhì)

性技術(shù)特點秒，加速度計可測范圍為±8g（最高可達到±16g）。

和顯著進4.響應(yīng)速度快，對操作者的手勢操作能迅速給出響應(yīng)。

步。請?zhí)峁?/p>

技術(shù)性分析5.無需各種軟硬件支持，即取即用，方便高效。

說明和參考參考文獻：

文獻資料）

[1]黃真，李艷文，高峰.空間運動構(gòu)件姿態(tài)的歐拉角表示.

機械設(shè)計與研究；2002.08.

[2]張振友，李明，田應(yīng)仲.物體空間姿態(tài)的實時測量方法

研究.機械設(shè)計與研究；2008.10

[3]宋鵬.嵌入式系統(tǒng)中USB接口技術(shù)應(yīng)用研究與開發(fā).計

算機工程與應(yīng)用；2005.04；

6

作品在何

時、何地、

何種機構(gòu)舉

行的評審、

鑒定、評比、

展示等活動

中獲獎及鑒

定結(jié)果

作品所處()A實驗室階段B中試階段C生產(chǎn)階段

階段D(自填)

技術(shù)轉(zhuǎn)讓

方式

□實物、產(chǎn)品口模型口圖紙口磁盤

作品可展示

□現(xiàn)場演示□圖片口錄像口樣品

的形式

7

在功能上，這款控制筆除了能夠?qū)崿F(xiàn)翻頁控制外，它最突出的

功能就是“隔空書寫”和“姿態(tài)控制使用時，通過開啟“畫

筆功能鍵”即可調(diào)用畫筆功能，隨后使用者手中筆的運動軌跡

就能反映在PPT中進行圈點批注等，從而實現(xiàn)“隔空書寫”；

使用說明及

該作品的技而''姿態(tài)控制”，則是在開啟該筆的姿態(tài)控制功能之后，對控

術(shù)特點和優(yōu)制筆發(fā)出一定的動作，實現(xiàn)進入/退出全屏、清屏等控制功能。

勢，提供該

這款新產(chǎn)品不僅繼承了傳統(tǒng)產(chǎn)品的功能和優(yōu)勢，又彌補了傳統(tǒng)

作品的適應(yīng)

產(chǎn)品功能單一、對控制臺依賴性強的弊端。而“空中書寫”、“姿

范圍及推廣

前景的技術(shù)態(tài)控制”功能的實現(xiàn)將進一步解放操作者，使之在完全脫離控

性說明及市制臺之后，更揮灑自如。傳統(tǒng)PPT控制器已比較普及，但它目

場分析和經(jīng)

前的不足更為我們的新產(chǎn)品提供了廣闊的產(chǎn)品市場；尤其是在

濟效益預(yù)測

需要PPT控制的場合，這款產(chǎn)品的功能將發(fā)揮的更加出色，為

使用者提供最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品體驗。

□提出專利申報

申報號

申報日期年月日

專利申報

口已獲專利權(quán)批準

情況

批準號

批準日期年月日

口未提出專利申請

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C.當前國內(nèi)外同類課題研究水平概述

說明：1.申報者可根據(jù)作品類別和情況填寫；

2.填寫此欄有助于評審。

對于本團隊所研究的課題，我們進行了相關(guān)的調(diào)查分析：

目前，市場上存在的PPT控制器品牌眾多，但功能單一且質(zhì)量參差不齊，

給使用者帶來了諸多不便。另外還有一種被稱作空中鼠標的產(chǎn)品；雖集成

了無線鼠標的功能，但從功能上講，它仍然只是一個無線鼠標，而非PPT

控制的專用工具。而市場上能實現(xiàn)書寫的PPT書寫設(shè)備，主要是“交互式

電子白板”；確切地說，在使用該產(chǎn)品實際操作時，它就相當于一塊面積特

別大的手寫板；而且使用不便，需要其它軟硬件支持，價格不菲。

經(jīng)本團隊的調(diào)查我們得出以下結(jié)論，市場上現(xiàn)有的PPT控制產(chǎn)品或功能單

一，或需要其他軟硬件支持，不適合推廣為專用的PPT控制類產(chǎn)品；但就

其它方面而言，這些產(chǎn)品除了在技術(shù)和功能上給本團隊的設(shè)計與研究提供

了豐富的參考外，也為我們在其原功能升級以及新功能的加入方面提供了

一些借鑒和學習！

9

D.推薦者情況及對作品的說明

說明：1.由推薦者本人填寫；

2.推薦者必須具有高級專業(yè)技術(shù)職稱，并是與申報作品

相同或相關(guān)領(lǐng)域的專家學者或?qū)I(yè)技術(shù)人員（教研組

集體推薦亦可）；

3.推薦者填寫此部分，即視為同意推薦；

4.推薦者所在單位簽章僅被視為對推薦者身份的確認。

姓名性別年齡職稱

推

薦

工作單位

者

情通訊地址郵編

況

單位電話住宅電話手機

推薦者所在

單位簽章

（簽章）年月日

請對申報者申

報情況的真實

性作出闡述

請對作品的意

義、技術(shù)水平、

適用范圍及推

廣前景作出您

的評價

其它說明

10

姓名性別年齡職稱

推

薦工作單位

者

情通訊地址郵編

況

單位電話住宅電話手機

推薦者所在

單位簽章

（簽章）年月日

請對申報者申

報情況的真實

性作出闡述

請對作品的意

義、技術(shù)水平、

適用范圍及推

廣前景作出您

的評價

其它說明

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F.科技制僭處發(fā)明創(chuàng)造類作品說明(附件)力圓粘M處

附件1：新概念PPT控制筆工作報告(P14—P18)

附件2：新概念PPT控制筆技術(shù)報告(P19—P35)

附件3：新概念PPT控制筆調(diào)試報告(P36—P41)

附件4：新概念PPT控制筆效益分析(P42—P47)

附件5：新概念PPT控制筆圖片說明(P48—P55)

附件6：新概念PPT控制關(guān)鍵算法數(shù)學原理闡述(P56—P62)

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附件1:

新概念PPT控制筆

工作報告

新概念PPT控制筆工作報告

1、產(chǎn)品研究的背景

自上世紀九十年代早期開始，由Microsoft開發(fā)的PowerPoint

辦公工具便風靡至今。自此之后，各式各樣的PPT輔助類控制產(chǎn)品也

層出不窮。無論是商務(wù)會議、演講演示，還是教師授課，無一例外都

閃爍著PPT控制筆的身影。誠然，諸如PPT之類的辦公型軟件的出現(xiàn)

給人們的學習和工作帶來了極大地便利，而PPT控制筆的出現(xiàn)更是錦

上添花，讓人們的使用更加便捷。因此，使用PPT控制筆也成為眾多

用戶一個必要選擇。

然而，從PPT控制類產(chǎn)品誕生至今，這十幾年來它的發(fā)展卻微乎

其微:仍是那幾個簡單的按鍵，仍是一個“激光燈”加“上/下翻頁”

這樣簡單的功能組合；使得用戶在使用時對鼠標及控制臺的依賴性太

大，這樣的PPT控制類產(chǎn)品再難滿足用戶日益多元化的需求。一種能

讓人們在控制時完全脫離鼠標束縛、在遠距離之外仍操作自如、甚至

能夠?qū)崿F(xiàn)“隔空書寫”、“姿態(tài)控制”等高級功能的PPT控制筆亟待

出現(xiàn)，這也必將為用戶提供更完美的操作體驗！。目前，此類產(chǎn)品的

開發(fā)基本處于停滯狀態(tài)，大多數(shù)廠商滿足于現(xiàn)有的技術(shù)與控制器現(xiàn)有

的功能。然而，用戶的需求決定了PPT控制類產(chǎn)品必須便捷化、智能

化，才能為這一產(chǎn)品行業(yè)注入全新的生命力、用戶體驗也才能做到極

致。正基于此，我們設(shè)計并開發(fā)了具有“空中書寫”、“姿態(tài)控制”

等功能的“新概念PPT控制筆”。

2.產(chǎn)品研發(fā)的目的與意義

2.1產(chǎn)品研發(fā)的目的

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眾所周知，使用工具的最終目的在于解放人類勞動、提高勞動生

產(chǎn)率、增強人類認識世界和改造世界的能力。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，

未來將出現(xiàn)越來越多的工具方便人類的生活。本團隊所開發(fā)的新概念

PPT控制筆作為一種控制工具，具體來說，它的開發(fā)目的在于方便地

實現(xiàn)對辦公軟件的控制，解放人的肢體，使用戶的操作更自如便捷，

力爭為用戶提供最有效率的學習工作平臺。

2.2產(chǎn)品設(shè)計標準

目前國內(nèi)該領(lǐng)域產(chǎn)品市場魚龍混雜，沒有具體的行業(yè)標準；針對

這一現(xiàn)狀和本團隊的研發(fā)目的，我們對所設(shè)計的產(chǎn)品制定具體的要求

與基本的標準：

（一）操作實用性：產(chǎn)品的操作者是用戶，只有將用戶的需求放

在第一位，充分發(fā)揮產(chǎn)品的功用才算完成了我們研發(fā)目的的第一步。

而這一步其根本在于實用性。針對這一點，作為開發(fā)者的我們將盡可

能多的集成常用的快捷功能，例如PPT上/下翻頁、全屏及退出、畫筆

調(diào)用等，從而方便用戶的操作。

（二）產(chǎn)品的可靠性：可靠性包括對精度和耐用性能。只有精度

高，產(chǎn)品才更好的滿足用戶的需求，只有耐用性強才能適合作為商品

推廣。

（三）節(jié)能環(huán)保性：一個優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品不僅要有良好的產(chǎn)品體驗，更要

有長遠的發(fā)展眼光?？茖W的發(fā)展要求我們，作為一個有責任的團隊，

我們開發(fā)的產(chǎn)品雖小，但所進行的每一步操作都要充分考慮它與環(huán)境

“可持續(xù)性”。這就要求我們，降低產(chǎn)品能耗，采用盡可能省耗的元

器件；同時合理安排程序時序，優(yōu)化產(chǎn)品軟硬件設(shè)計。

（三）兼容性：當前各大系統(tǒng)平臺都有PPT軟件，解決好控制器

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與各平臺的兼容性是提高產(chǎn)品性能的重要一環(huán)。

2.2產(chǎn)品研發(fā)的意義

新概念PPT控制筆在功能上滿足絕大多數(shù)用戶最基本的使用需

求，在此基礎(chǔ)上，其“隔空書寫”、“姿態(tài)控制”等功能更顯出眾。

用戶可以在沒有鼠標、鍵盤甚至在百米之外的情況下通過簡單的手勢

操作調(diào)取功能，完成操作。這種設(shè)計不僅使操作更簡單，也更使用戶

的操作過程變得揮灑自如，甚至使用戶的使用過程變得妙趣橫生、事

半功倍。

從當前國內(nèi)外此類產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀來看，本產(chǎn)品的出現(xiàn)勢必給此

類行業(yè)注入新鮮血液，引發(fā)新一輪投資及創(chuàng)新熱潮。由于其采用的“姿

態(tài)控制”尚未被廣泛應(yīng)用于控制器類產(chǎn)品，此產(chǎn)品的開發(fā)也將為控制

器類產(chǎn)品的開發(fā)提供新的參考，從而引發(fā)一系列新的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品

改進熱潮。

3.產(chǎn)品的研發(fā)情況

項目確定之初，我們通過技術(shù)資料的收集及現(xiàn)有同類產(chǎn)品的對比,

制定了詳細的方法標準和初步的研發(fā)方案。在進行必要的市場調(diào)研、

走訪大量用戶的過程中，我們虛心學習，積極探索，以客戶的需求為

目標，遵循可靠、穩(wěn)定、節(jié)能的原則，修訂產(chǎn)品研發(fā)方案，優(yōu)化產(chǎn)品

標準，確定了主要的研發(fā)內(nèi)容。具體如下：

（一）姿態(tài)控制功能的實現(xiàn)。利用6軸運動處理傳感器MPU6050芯

片強大的運動數(shù)據(jù)收集功能，采集不同的運動手勢所得到的數(shù)據(jù)；通

過單片射頻收發(fā)器件NRF24101發(fā)送給接收板，接收板將數(shù)據(jù)通過

PDIUSBD12按照既定的鍵鼠通訊協(xié)議傳送給PC,調(diào)用相應(yīng)姿態(tài)對應(yīng)的功

能，最終實現(xiàn)“姿態(tài)控制

（二）空中書寫功能的實現(xiàn)。6軸運動處理傳感器MPU6050芯片數(shù)

據(jù)處理能力強大，通過采集到的數(shù)據(jù)進行歐拉角和四元數(shù)融和演算，

16

得到橫滾角、航偏角、俯仰角，得到移動軌跡并調(diào)用畫筆功能，追蹤

并顯示軌跡，從而完成操作。

（三）集成必要的鍵盤操作。通過單片射頻收發(fā)器件NRF24101按

照既定的鍵鼠通訊協(xié)議，判定用戶操作所對應(yīng)的按鍵選項，調(diào)用相應(yīng)

的功能。

（四）可靠性的提高。對應(yīng)于產(chǎn)品的功能，優(yōu)化程序設(shè)置、選取

最適宜的功率配置，提高軌跡追蹤的靈敏度及精確度，使其在盡可能

遠的范圍內(nèi)傳輸最可靠的數(shù)據(jù)信息，滿足最基本的功能需求。

（五）后期優(yōu)化任務(wù)。產(chǎn)品研發(fā)后期，在各項功能運行穩(wěn)定的情

況下，進行優(yōu)化調(diào)整，主要包括節(jié)能性、程序優(yōu)化、硬件電路布置調(diào)

整、外觀尺寸等方面的改善提高。

4.研發(fā)進程安排表

序號研發(fā)內(nèi)容時間安排

a關(guān)鍵技術(shù)研究與功能分析2014.6-2014.7

b實驗驗證、樣機設(shè)計加工及分步調(diào)試2014.7-2014.9

c樣機組裝與總體調(diào)試2014.10~2014.12

d完善功能，針對所發(fā)現(xiàn)的問題優(yōu)化性能2015.1

e產(chǎn)品最終定型，項目總結(jié)2015.2

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附件2：

新概念PPT控制筆

技術(shù)報告

新概念PPT控制筆技術(shù)報告

摘要：隨著多媒體的迅速普及，各種演講、授課中PPT的應(yīng)用已

經(jīng)成為不可或缺的一部分。作為PPT的手持控制設(shè)備，新概念PPT控

制筆擺脫了傳統(tǒng)控制筆功能單一，使用不便，造成使用者對多媒體控

制臺依賴性強的缺點。該控制筆采用姿態(tài)控制方便的調(diào)用演講，授課

中所需的快捷功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)空中書寫，直接在PPT上圈寫標注。

這些功能的設(shè)置，開啟了PPT控制的一種全新體驗，極大地方便了使

用者。

PPT控制筆的設(shè)計提出了一種低成本的解決方案，詳細的論述

了系統(tǒng)的組成及實現(xiàn)原理?？刂贫瞬捎玫凸牡腟TC12C5A60S2作為

主控微處理器，使用NRF24L01進行無線通信，接收器使用PDIUSBD12

進行USB通訊。傳感器采用MPU6050芯片，配合卡爾曼濾波算法，姿

態(tài)解算算法，姿態(tài)判定算法及歐拉公式，實現(xiàn)姿態(tài)控制和軌跡追蹤。

具有成本低，可靠性高，使用方便，功能強大的特點。并且程序后期

可擴展性強，可以提供豐富的人機交互功能。

PPT控制筆最大的特點是采用全新的設(shè)計思路，改變了傳統(tǒng)控

制筆的操作方式，采用姿態(tài)控制和軌跡追蹤，將會極大地方便使用者。

一、新概念PPT控制筆系統(tǒng)的概述

新概念PPT控制筆是以傳統(tǒng)PPT控制筆為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶已有的

操作習慣，設(shè)計的更便捷的控制方式。該控制筆利用航空芯片的姿態(tài)

解算技術(shù)，無線通信技術(shù)，USB協(xié)議等，實現(xiàn)了單筆控制PPT演講，

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授課常用功能，極大地方便了使用者。

1、課題研究的目的及意義

應(yīng)用新概念PPT控制筆，您可以通過相應(yīng)的姿態(tài)命令調(diào)用演

講、授課過程中常用的快捷功能。既包括傳統(tǒng)的上下翻頁，全屏

退出等，又包括創(chuàng)新的畫筆調(diào)用，實現(xiàn)空中書寫，在演講、授課

的過程中真正實現(xiàn)一筆控制，脫離多媒體控制臺的束縛。

新概念PPT控制筆的無線傳輸范圍大于50米，這意味著您使

用該控制筆演講的時候可以直接走進聽眾，拉進與聽眾之間的距

離，真正融入演講中。

從目前多媒體的普及程度及PPT的使用情況來看，更全面更

便捷的PPT控制方式將會很容易得到普及，并在演講中開啟一種

全新的人機交互體驗。

二、系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)

本系統(tǒng)應(yīng)用STC12C5A60S2作為主控芯片，使用三軸加速度陀螺

儀集成傳感器MPU6050采集姿態(tài)及運動數(shù)據(jù)，通過NRF24L01

進行無線通訊，用PDIUSBD12進行USB通訊，從而構(gòu)建出了一

個實驗樣機。實驗樣機的設(shè)計包括：系統(tǒng)硬件的設(shè)計與調(diào)試和

控制程序的編寫與調(diào)試。最終該系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

1、產(chǎn)品滿足使用者的握持習慣，外形美觀。

2,可控無線通訊距離不小于50米。

3、基于USB2.0協(xié)議與操作系統(tǒng)通信，保證數(shù)據(jù)交互的可

20

靠性及與多種操作系統(tǒng)的兼容性。

4、姿態(tài)控制命令的算法解算的可靠性，便于快捷調(diào)用功

能。

5、軌跡追蹤傳感器捕捉的靈敏度，可以實現(xiàn)精確的空中書

寫。

6、各模塊調(diào)用與休眠的切換判定，既保證實時的快速響

應(yīng)，又能夠使控制筆的耗電量降到最低。

7、主程序的設(shè)定使控制筆的功能有很強的擴展性。同時可

以根據(jù)用戶操作習慣的不同定制相應(yīng)的功能。

三、系統(tǒng)的總體設(shè)計

新概念PPT控制筆的設(shè)計分為兩部分，分別為手持控制發(fā)射模

塊及在多媒體控制臺USB接收模塊。

手持控制模塊主要由運動傳感器MPU6050芯片完成運動參數(shù)的

采集，用單片機運行姿態(tài)判定算法和軌跡追蹤算法完成數(shù)據(jù)處理，并

進一步進行數(shù)據(jù)傳輸封裝，傳遞給NRF24L01進行無線通訊。人工控

制命令有對應(yīng)的按鍵啟動。

無線接收模塊由NRF24L01接收無線信號，傳送給單片機進行數(shù)

據(jù)拆封處理，并按照USB通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成操作系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)格式，交

由PDIUSBD12進行USB通訊，最終完成對操作系統(tǒng)及操作軟件的控制。

21

圖1.1系統(tǒng)總體設(shè)計

手持控制部分

USB串口

接收部分

3

圖1.1系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1硬件電路設(shè)計

3.1.1MPU6050模塊

MPU6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方

案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包

裝空間。

MPU6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個12c

端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運動

處理(DMP：DigitalMotionProcessor)硬件加速引擎,由主要12c

端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)

InvenSense的運動處理資料庫，可處理運動感測的復雜數(shù)據(jù)，降低

了運動處理運算對操作系統(tǒng)的負荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API。

22

圖3.1.1MPU6050模塊

3.1.2MPU6050數(shù)據(jù)處理通訊模塊

1、姿態(tài)解算時所用的是東北天坐標系，正向放置模塊向左為x

軸，向前為y軸，向上為z軸。歐拉角表示姿態(tài)時的坐標旋轉(zhuǎn)順序定

義為z-y-x,即先旋轉(zhuǎn)z軸，再旋轉(zhuǎn)y軸，最后旋轉(zhuǎn)x軸。

2、由于三軸是耦合的，所以只有小角度時會出現(xiàn)獨立的變化，

在大角度時姿態(tài)角會耦合變化。

-VGG-

VCC

4WC—

TXDr-i”"r

RXDTX

GND

GND

圖3.1.2MPU6050模塊與單片機的連接

23

3.1.3STC12c5A60s2簡介

1、芯片性能

1）增強型8051CPU,IT,單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼

容傳統(tǒng)8051。

2）片上集成1280字節(jié)RAM,60KFLASHROM。

3）外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,

并新增支持上升沿中斷的PCA模塊。PowerDown模式可由外部中斷

喚醒。

4）A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC,共8路，轉(zhuǎn)換速度可達250K/S（每

秒鐘25萬次）；支持通用全雙工異步串行口（UART）。

2、省電模式

STC12C5A60S2系列單片機可運行三種省電模式以降低功能，STC

正常工作電流是2mA~7mA,而掉電模式下＜0.luA,空閑模式下〈0.1mA。

1）空閑模式：由電源控制寄存器PCON控制，進入空閑（IDLE）

模式后，CPU無時鐘停止工作，但外部中斷、外部低壓檢測、定時器、

AD轉(zhuǎn)換、串行口等仍正常運行?？撮T狗在空閑模式下不計數(shù)。中斷

的產(chǎn)生貨外部RST復位都會導致退出空閑模式。

2）低速模式：低速模式通過對系統(tǒng)時鐘進行分頻，從而降低工

作的時鐘頻率，減低功耗和EMI。低速模式的分頻倍數(shù)由時鐘分頻寄

存器CLK_DIV決定?？梢詮南到y(tǒng)時鐘的1/2到l/128o

3）掉電模式：掉電模式也為停機模式，無時鐘源。僅外部中斷

繼續(xù)工作。

24

3.1.4NRF24L01通訊模塊

1、NRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM

頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型

“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和

解調(diào)器。廣泛用于無線鍵盤鼠標，智能運動設(shè)備，工業(yè)傳感器等。

圖3.1.3-1NRF24L01收發(fā)電路圖

2、基本電氣特性

參數(shù)數(shù)值單位

供電電壓1.9?3.6VV

最大發(fā)射功率0dBm

最大數(shù)據(jù)傳輸率2000kbps

發(fā)射模式下，電流消耗(OdBm)11.3mA

接收模式下電流消耗(2000kbps)12.3mA

溫度范圍-40?+85℃

數(shù)據(jù)傳輸率為1000kbps下的靈敏度-85dBm

掉電模式下電流消耗900nA

—L-U-./=￡L，l.

圖3.1.3-2NRF24L01電氣特性

25

3、PCB布線圖

圖3.1.3-3NRF24L01PCB布線圖

4、工作方式

(1)配置模式

(2)空閑模式

(3)關(guān)機模式

工作方式由CE和內(nèi)部寄存器PWR_UP和PRIM_RX共同控制,

見下表:

模式P\VR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)

接收模式111-

發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在IXFIFO寄存器中

發(fā)射模式101-0停留在發(fā)射模式，直.至數(shù)據(jù)發(fā)送完

待機模式II101TXFIFO為空

待機模式I1-0無正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

抻電模式0---

圖3,1.3-4NRF24L01工作模式選擇

3.1.4NRF24L01通訊模塊與MCU的連接

VCC引腳的工作電壓為1.9V-3.6V,超過3.6V芯片將會燒毀,

推薦電壓3.3V。其余引腳可以直接和51單片機引腳相連。

26

圖3.1.4NRF24L01通信模塊與MCU的連接

3.1.5PDIUSBD12模塊

1、PDIUSBD12芯片是是荷蘭飛利浦(Philips)半導體公司的

一顆通用USB接口芯片。它支持USB2.0的全速模式(12Mb/s),具

有軟連接功能和數(shù)據(jù)流指示燈，使用8位并行的數(shù)據(jù)口與MCU連接。

N

N—

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aaaaaas

圖3.1.5-1PDIUSBD12引腳圖

27

+5V

RP2lOkD

LED10

葉

3.3V]|C5+C2

110.1|1FT22gF

JI

R222Q

U3xR422Q4

POO1

DOD+3

POl215~~

DID-2

卻23

D2Voum

\P0345i.1

D3GND

\P046

<7D4Cl5,122pF

D5R61kf

、P068^2當酌,

D6XI

\P079IT-

D7GL_N1巴EDU

28尹DF

AORST二N

~io19J

ALEEOT二NIT-R5

葉CSNDMACK-NCO-

12,LL

HSUSPENDDMREQikn

CLKOUTWR_N16

14INTNRD-N15

6MHzY2

USBD12

圖3.1.5-2PDIUSBD12外圍電路圖

1、PDIUSBD12與MCU連接構(gòu)成USB模塊，負責與操作系統(tǒng)

圖3.1.5-3PDIUSBD12和單片機連接

3.1.6USB通訊協(xié)議簡介

USB是一種支持在USB主機和USB設(shè)備之間進行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

通信協(xié)議。主機作為總線的主叫方，采用兩種信令模式：全速模式

12Mb/s和低速模式1.5Mb/soUSB使用四種數(shù)據(jù)傳輸方式：控制傳輸

28

(control)中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)及等時傳

輸(isochronous)。其中控制模式主要用于控制指令傳輸及USB規(guī)

范的實現(xiàn)，等時傳輸主要用于音頻及視頻傳輸。USB通過兩次總線列

舉(EnumerationandRenumertion)來實現(xiàn)設(shè)備識別以及驅(qū)動程序

析加載。其具體過程為：USB設(shè)備連到主機后，主機依據(jù)USB規(guī)范在

特定地址通過端口0(endpoint。)與外設(shè)通信，并將外設(shè)視為默認

設(shè)備。外設(shè)與主機通信將其6設(shè)備標識(DID、PID、VID)發(fā)給主機

進行第二次總線列舉。主機根據(jù)設(shè)備標識，加載相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動程序，

重新分配地址，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給外設(shè)固件(firmware),通過固件

與設(shè)備驅(qū)動程序及主機應(yīng)用程序的交互通信，來實現(xiàn)外設(shè)的功能。

USB通訊協(xié)議具有速度快，連接方便，支持熱插拔等特性，如

今在各種PC與外設(shè)的通訊中獲得了廣泛的應(yīng)用。

圖3.1.6-1USB金字塔型拓撲結(jié)構(gòu)

29

（a）USBA型插頭（b）USBA型插座（c）USBB型插頭(d)USBB型插座

圖3.1.6-2各種USB插座和插頭

3.2軟件部分實際

3.2.1系統(tǒng)主程序流程圖

30

3.2.2NRF24L01程序流程圖

接收部分發(fā)射部分

V

31

3.2.3USB協(xié)議通訊流程圖

□表示主機輸出：□表示設(shè)備返回

圖3.2.37中斷事務(wù)流程圖

空閑

空閑

□表示主機輸出：□表示設(shè)備返回

圖3.2.3-2等時事務(wù)流程圖

32

PID類型P1D名PID[3：0]說明

OUT0001B通知設(shè)備將要輸出數(shù)據(jù)

IN1001B通知設(shè)笛將要輸入數(shù)據(jù)

令牌類

SOF0101B通知設(shè)爸這是一個幀起始包

SETUP1101B通知設(shè)備將要開始一個控制傳輸

DATAO001IB

DATA11011B

數(shù)據(jù)類不同類的數(shù)據(jù)包

DATA2*01UB

MDATA*HUB

ACK0010B確認

NAK1010B不確認

握手類

STALL1110B掛起

NYET*0110B未準備好

PRE1100B前導（這是一個令牌包）

ERR*1100B錯誤（這是一個握手包）

特殊類SPLIT*1000B分裂事務(wù)（這是一個令牌包）

PING*0100BPING測底（這是一個令牌包）

—0000B保的?未使用

圖3.2.3-3USB2.0定義的各種PID

4.可靠性與便捷性研究

無線傳輸控制中對于控制信號的打包，傳輸，解壓有著可靠性的

要求。

NRF24L01是一款單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4GHz?2.5GHz

ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功

能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻

道可通過程序進行配置。廣泛應(yīng)用于無線鼠標鍵盤等設(shè)備，具有極高

的工作穩(wěn)定性。NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電

流也只有9mA；接收時，工作電流只有12.3mA,多種低功率工作模式

（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計更方便。

33

USB是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通

訊。USB接口即插即用和熱插拔功能。USB接口可連接127種外設(shè)，

如鼠標和鍵盤等。USB是在1994年底由英特爾等多家公司聯(lián)合在1996

年推出后，已成功替代串口和并口，已成為當今電腦與大量智能設(shè)備

的必配接口。USB版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，到如今已經(jīng)發(fā)展為3.0版

本。具有極高的通用性和便捷性。

此外，控制筆中所使用的MPU6050模塊近年來研究應(yīng)用勢頭強

勁。MPU6050的角速度全格感測范圍為？d250、?a500,?d1000與？

a2000??/sec(dps),可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程

式控制的加速器全格感測范圍為？G2g、？G4g?48g與？d16g。產(chǎn)品

傳輸可透過最高至400kHz的12c或最高達20MHz的SPI(MPU-6050

沒有SPI)。MPU-6050可在不同電壓下工作，VDD供電電壓為2.5V?

a5%.3.0V?45%或3.3V?65%,邏輯接口VVDI0供電為1.8V?a5%。

其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測器、包含在運作環(huán)境中僅有？4現(xiàn)變

動的振蕩器。在四軸飛行器，智能運動控制等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用。

通過采用以上成熟的芯片和技術(shù)，保證了產(chǎn)品的可靠應(yīng)與設(shè)計生

產(chǎn)的通用性。

5、結(jié)論

本設(shè)計簡要闡述了新概念PPT控制筆姿態(tài)控制，軌跡追蹤的軟件

和硬件實現(xiàn)。主程序的設(shè)計中充分考慮了產(chǎn)品使用的實際情況，合理

安排各個模塊的時序與工作狀態(tài)，保證了控制筆的使用熟悉性和低功

耗性。

34

附件3：

新概念PPT控制筆

調(diào)試報告

新概念PPT控制器調(diào)試報告

1、概述

此控制器在設(shè)計制作過程中的調(diào)試包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和聯(lián)

機調(diào)試三大部分。

為加快進度，調(diào)試工作與分析設(shè)計工作經(jīng)過同時展開；整個電路

設(shè)計及功能實現(xiàn)的過程無不穿插著調(diào)試工作。這種工作安排也幫助我

們更高效地發(fā)現(xiàn)問題、排除故障、優(yōu)化方案。軟件調(diào)試，主要是對各

功能模塊的調(diào)試；由于分模塊調(diào)試的方法更便捷高效，也為后來的整

體調(diào)試節(jié)省了不少時間。最后聯(lián)機調(diào)試是我們調(diào)試工作的最后一步，

也是核心部分；它主要包括對實驗電路的整體運行記錄與分析。最終,

由于進度安排得當，調(diào)試工作在保證質(zhì)量的前提下提前完成。

2.使用的儀器儀表及工具

主要設(shè)備：

（-）STC51實驗板

（二）PC

（三）相序儀

（四）示波器

（五）其它：萬用表、手持式電烙鐵等

3.硬件制作與調(diào)試

3.1系統(tǒng)PCB板的設(shè)計

PCB線路板即印刷電路板，是電子元器件電氣連接的提供者。采

用PCB板使我們的產(chǎn)品布線更少、裝配更快捷，便于提高效率。在設(shè)

36

計時，我們以電路原理圖為藍本，同時借助計算機輔助設(shè)計軟件

一一Altium公司的PROTEL系列軟件完成從SCH到PCB的設(shè)計；并由

主要負責人員完成對了電路的焊接以及整機的裝配工作。優(yōu)秀的PCB

板能夠承載良好的電路性能，因此在線路設(shè)計中我們也充分考慮了外

部連接的布局、電磁保護、熱耗散、串音等各種因素；力求達到最好

的電路性能和散熱性能。

3.2硬件調(diào)試

本文硬件調(diào)試分析，針對調(diào)試過程中體現(xiàn)出來的突出問題，詳細

論述如下：

(1)電源調(diào)試

電源的選擇是最基礎(chǔ)的電路調(diào)試過程，不適當?shù)碾娫闯３２荒苁?/p>

樣機正常工作，甚至損壞器件。調(diào)試過程中，充分考慮電源選擇時常

有的問題一一電壓值不符合設(shè)計要求，電源引出線和插座不對應(yīng)，電

源功率不足、負載能力差等，選出最合適的電源供電。

盡管如此，在對NRF24L01模塊進行調(diào)試時，也還是因為分析不到

位，導致芯片損壞；這一分析失誤導致問題的過程也提醒了我們在后

面的調(diào)試工作。圖ITMPU6050的調(diào)試

(2)器件調(diào)試

本產(chǎn)品的器件調(diào)試，只要

是對NRF24L01芯片以及

MPU6050芯片的元器件進行的。

37

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，部分芯片偶有失效現(xiàn)象。后得知元器件失效一方面

可能是器件本身損壞或性能不符合要求造成的；另一方面也可能是由

于組裝錯誤造成的，如電解電容、二極管的極性錯誤，集成塊安裝方

向錯誤等。在經(jīng)過上述分析之后，本團隊重新分析并調(diào)試，最終確定

了如下失效原因：對于NRF24L01模塊，由于距離設(shè)置不當導致數(shù)據(jù)

包丟失；MPU6050則是因為波特率設(shè)置不對，致使不能正常工作。圖

示為各模塊的調(diào)試過程:

Data.txt-記事率

文件(￡)MlfL修式(QMiY)

BtartTinei2014年4月3日1:25:28

Time(s)axayazwxFAngleXAngleYAngleZT

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