山东省__D题__山东英才学院__葛凤佩、邵林林、宋陆飞

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本系统以电容式传感器FDC2214 EVM板与STM32F1系列为核心部件，实现对猜拳游戏和划拳游戏的判决。在FDC2214芯片的每个检测通道的输入端安置LC谐振电路，连接测试区，测试区平面选用有机玻璃板为导体介质，当人手接近该导体传感平面时，传感端的电容就会发生变化，进而引起LC电路振荡频率的变化，变化通过FDC2214芯片传输至STM32单片机，由单片机程序判断不同的信号，从而在显示屏上得到不同的手势。

参赛感想：一次最磨砺自己的机会，真的特别庆幸自己遇到了2018TI杯！这次大赛是我参加的第一个比赛，也是最用心的一场比赛！一连几天的赛事。48小时只眯了两个小时。这就是电赛给予的动力，我也深切明白了：只要肯努力，就一定！是一定会有回报的！比赛前准备的日子是艰苦的，比赛期间的日子更考验自己！那天到凌晨四点眼睛已经飘的不能再飘了。突然眼角瞥到程序编译零错误，那一刻我直接整个人都呆在那里了。真的不知所措的感觉！想告诉全世界，又想笑他个三天三夜！难忘的日子啊，激动的等待结果的日子啊。嘿呀，那天，老师突然告诉我，不要在意奖项。你的付出是你最大的收获，你的能力的提升是对你最大的回报。我知道啦，老师说得对丫，不过是没拿奖而已，你要把目光放的更长远！自己收获的是奖项比不来的，不是吗？加油吧，自己！

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(D题本科三组)基于FDC2214电容式传感器的手势识别与控制系统.zip (99.48 KB, 下载次数: 19)

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摘要：基于TI公司传感芯片FDC2214设计制作的手势识别装置，实现对猜拳游戏和划拳游戏的判决。该装置主要由FDC2214 EVM板和STM32单片机组成。在FDC2214芯片的每个检测通道的输入端安置LC谐振电路，连接测试区，测试区平面选用有机玻璃板为导体介质，当人手接近该导体传感平面时，传感端的电容就会发生变化，进而引起LC电路振荡频率的变化，变化通过FDC2214芯片传输至STM32单片机，由单片机程序判断不同的信号，从而在显示屏上得到不同的手势。

关键词：FDC2214传感芯片；STM32单片机；LC谐振电路；有机玻璃板

1.系统方案设计

1.1.1 方案的选择

用两个25*25的导体铜板，让两极板相隔一段缝隙，水平放在我们用有机玻璃板搭建好的支架上，两极板间的介质由空气变更为有机玻璃板，检测装置外接的是LC谐振电路，LC谐振电路产生不同的振动频率由FDC2214芯片采集并转化为信号。FDC2214芯片连接STM32单片机。单片机通过接受信号并由程序判定在显示屏上显示相应的手势。该方案优点在于便于操作手势，装置容易安装固定，由于有机玻璃板的存在能让检测装置获得最灵敏的检测状态。

1.1.2方案的描述

本方案采用了FDC2214电容传感器，在芯片的每个检测通道的并联入电容和电感，组成LC谐振电路，被测电容传感端LC谐振电路相连接，将产生一个振荡频率根据该频率值可计算出被测电容的值，不同的手势在检测区域会产生不同的电容值。传感平面的面积越大、手势与传感平面的距离越小，感应到频率变化越大，系统就会越灵敏。FDC2214采用创新型抗 EMI 架构，抗干扰能力强。对于测试区的材料选择，经过多方比对我们最终确定选用有机玻璃板搭建测试区。电容的极板我们选择的是传输和屏蔽性能较好的覆铜板。如图1所示：

图1 总体设计图

1.2硬件及数据采集模块的选择

1.2.1单片机的选择

STM32单片机运算速度快，外围接口功能强大，外围电路简单，能够满足相对的指标要求。

1.2.2 电容极板形式的选择

同样用两个25cm*25cm 的导体铜板，但不同的是两极板放置在同一平面上，在其上方放入有机玻璃板，改变其介质，增加两极板间电容值，电容值增大，检测装置就会更加的灵敏。当检测装置检测手势时，能够第一时间发送不同的信号，供后续装置判别。

2.理论分析与计算

2.1外部电容信号接收的原理

FDC2214 电容数字化传感器，是根据电容的公式：C=εS/4πkd（决定式）其中ε是相对电介质常数，k 代表静电力常量（是不会变的，是一个定值 k=9.0×10^9N·m^2/C^2）。根据公式可以看出来电容不是一个数字量而是一个模拟量，就像温度一样，而在单片机的世界不喜欢模拟量，数字量是他的最爱，也是最擅长处理的，FDC2214 就是通过LC振荡的方式把电容的模拟量转化成了数字量给单片机处理。

最简单的电容器模型包括带电板，电介质和地，电介质位于两个板之间。电容是极板面积，导电材料和它们之间的距离的函数，取决于上面的公式。如图2所示

  图2 感应电容原理图

2.2通讯方法

第一：利用外部电路将外部铜片电容与谐振电路板链接，然后按照相应的管脚把所用的STM32单片机与FDC2214探测器相连。

第二：FDC2214探测器与外部的谐振电路相连接，实现总体线路的链接。

第三：将STM32单片机和FDC2214探测器里面的程序进行修改、整合、调试、实现两个功能模块的通讯，通过改变手和铜片的距离观察记录电脑上的数据，确定FDC2214反馈的数据的精确性。

第四：将相应的数据记录确定相应取值范围，通过用STM32的数据处理功能，通过编写一定的程序把数字所代表的真实内容（石头、剪刀、布）在LED现实屏上的现实完成STM32单片机与LED显示屏的通讯。

整体连接完成后，电路能够实现信息的传输、转化、显示畅通无阻，通过多次的实验确保整个电路的畅通无阻。如图3所示：

图3 通讯流程图

2.3抗干扰方法     

本装置采用用了信号传输线，在传输过程中可抑制共模干扰，通过内部差分放大器自然地抵消掉，从而起到抗干扰的作用。

2.4系统与测量误差解决

通过大量的实验确定一定的范围，建立一个上下限，确保手势判定的准确性。

通过选择精度比较高的测量仪器减小绝对误差，测量时制定专门的测量人员减小人为误差，对每一个点进行多次测量求取平均值减小相对误差。

3电路与程序设计

3.1电路设计：硬件设计

手势的变化会引起铜片电容值的变化，电容的变化又会引起谐振电路的反应，然后FDC2214通过 A/D转换形成数字信号，最终显示在显示屏上。如图4所示：

图4手势识别电路

3.2程序设计

STM32F103上电后开机便进入初始化程序。初始化完毕便立即循环扫描。如果此时将手放与检测装置上，单片机就会扫描到信号并产生一个定值。每一种手势都会在程序中设定一定的数值范围。在单片机检测到数值后，会自动的将该定值与程序中的数值范围相匹配。而匹配的每一个结果都能将会产生一种现象，在显示屏中显示“石头”、“剪刀”、“布”的字样。如图5所示：

图5 程序流程图

4.测试与测试结果

在判决模式下，由指定的人员在测试区分别伸出“石头”，“剪刀”，“布”的手势，这时在显示屏上就能显示出“石头”，“剪刀”，“布”的字样。当作出1,2,3,4,5的手势时，同样能够显示正确。说明在判决模式下该装置能够正常工作。在训练模式下，有另外的人员在检测区域做出手势以便系统学习，在学习未超过三次的情况下，再判定显示屏也显示正确，说明该装置的所有功能已成功实现。测试结果如表1所示：

表1 测试数据结果

测试项目 测试值	1	2	3	4	5
剪刀	078645	078347	078119	078453	078249
石头	082364	083732	082117	083402	082779
布	079620	080633	080759	079415	078482
1	075252	075243	075349	075446	075172
2	075873	075876	075897	075439	075449
3	076023	076221	076342	076425	076779
4	077842	077732	079754	077853	076844
5	078843	078942	078979	080452	080241

总结

通过手势判定装置的设计和制作，对电容传感技术和STM32编程技术有了深刻的认识和理解，本装置实现了基本的判别以及显示功能。通过本次设计，锻炼了自主学习、克服困难的能力，遇到不懂的查资料，出现问题相互讨论，实际操作中锻炼了动手能力。同时对于电容传感器的应用以及STM32的编程理解得更加透彻。并且在赛后，我们对该系统进行了更深层的优化与重大改进，对手势识别及控制系统的理解更加深刻。