本设计通过铜极板感应不同手势的电容变化，转换成相应数字信号，通过显示模块显示手势结果，主要由FDC2214芯片，STM32单片机，OLED显示屏三大模块组成。 手势识别系统通过铜极板作为感应区感应不同手势产生不同的电容变化，然后利用FDC2214芯片将感应到的电容变化转变为数字信号，输入给stm32f103开发板，然后stm32f103芯片将信号通过内部程序的处理转化为“石头、剪刀、布”等题目所需要的信号输出给OLED显示屏，从而实现了对不同手势的准确判决，并通过外部按键实现了训练功能。
摘 要
本设计通过铜极板感应不同手势的电容变化，转换成相应数字信号，通过显示模块显示手势结果，主要由三大模块组成：FDC2214芯片，STM32单片机，OLED显示屏组成。
手势识别系统通过铜极板作为感应区感应不同手势产生不同的电容变化，然后利用FDC2214芯片将感应到的电容变化转变为数字信号，输入给stm32f103开发板，然后stm32f103芯片将信号通过内部程序的处理转化为“石头、剪刀、布”等题目所需要的信号输出给OLED显示屏，从而实现了对不同手势的准确判决。并通过外部按键实现了训练功能。
经过测试，本设计系统制作完善，测试结果理想，很好的完成了各项任务要求。
关键词：电容变化数字化；信号转换；FDC2214; STM32F103；OLED显示屏
1 方案设计与论证
1.1系统基本方案
1.1.1判决模式方案设计
根据题目要求，基本需要一块焊接好的FDC2214芯片，一块stm32f103开发板、一块OLED显示屏已经用亚克力板、硬纸板和铜基板搭建好的测试平台。根据题目描述的要求，手势共分为8个，既用来划拳的一、二、三、四、五5种手势，和用来猜拳的剪刀、石头、布三种手势。其中二与剪刀、五与布手势相同。
通过不同手势在亚克力板上的覆盖面积不同（从剪刀到布逐渐递增），将会导致传感端的电容发生不同的变化，从而导致LC电路振荡频率的变化，进而反映出了手势接近以及手势的判定。
1.1.2训练模式方案设计
单片机使用外部按键输入PB13,PB14进入训练模式，和确认按键。训练模式开始，首先读取一个手势输入值，按下确认按键采集数据值，并进入下一次训练，三次训练结束后，将采集到的数值取均值RES1，再次按下训练按键，进入下一个手势的训练，同样取三次采集数值取平均值RES2,以此类推，最后采集到三组数据对应石头剪刀布，训练模式结束，进入判断程序，做采集到的均值和设定数值中间值之差，用判决时的电容数值减去这个差，所得到的结果，作为判决数值，进行手势判定。公式为(以第一个手势剪刀为例)：
同理，用同样的逻辑实现划拳手势的判定。
1.2 各部分方案选择与论证
1.2.1 单片机的选择
方案一：采用stm32f103单片机。操作简单，与显示屏连接方便，只需要4个接口，可精确显示出测试区电容的变化。并且开发环境容易搭建，单片机可控制不同电容变化对应显示屏显示的信息，同时可通过按键控制实现训练模式，符合本题目要求，故选择此单片机。
方案二；采用MSP430F5529开发板。MSP430F5529具有功耗较低，性能强大，用有独特的创新特能的特点，MSP430单片机的应用领域，适合用于一些电池供电的低功耗产品，以及需要较高运算性能的智能仪器设备。其开发环境为ccs软件，其写位操作相对复杂，在对某字节使用“=”进行写操作时，所有位的值都将被改变。对于新手做程序开发具有较大的难度。
总结：综合比较上述两种方案，发现stm32f103单片机更能满足题目的要求，并且我们有配套的OLED显示屏，故选择stm32f103单片机。
2 系统理论分析与计算
2.1 电容传感原理解析
电容是表示其储存电荷能力的基本电特性，电容器是用于在电场中存储电能的部件，最简单的模型由两个由绝缘介质隔开的电导体或极板组成。
将电容器转换为传感器，首先要了解电容传感器的三种拓扑结构（a）使用手指作为接地板的接近传感器，（b）带有并行传感器和接地的液位传感，（c）材料检测和分析。
通过在电路板上的导电区域中构造隔离的传感器并对其充电来形成接近传感器，只要接地的导电物质或者介电常数与空气不同的物体靠近传感器板，就会形成电容器。手指接近传感器的时候电容增加。尽管变化是非线性的，但是可检测的差异足以用于接近检测。（如图1）
图1 电容传感器的三种拓扑结构
2.2 电容数字化原理解析
FDC2214是一种电容数字化传感器，因为电容不是一个数字量而是一个模拟量，然而单片机擅长处理数字量，FDC2214就是通过LC震荡的方式把电容的模拟量转化成了数字量给单片机处理。（如图2）
图2 电容参数的数字化测试原理框图
其中C-V变化器是将电容参数变化为电压量，V-T变化器是将电压量变化成时间量，逻辑控制电路负责控制模拟开关、计数器的复位等功能。
其计算公式为：
其中DATAx的结果来自于DATA-CHx register。
然后利用公式
求出传感器频率即震荡电路频率，然后根据LC震荡电路原理：
可以求出电容值
其中电感已知（18μH）
其中DATAx是x通道读出的28位数据。FREF-DIVIDER,FIN-SEL根据要求设置。
3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
FDC电容检测模块的电路图，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。（如图3）
STM32单片机的数据输入以及转化部分电路[1]，FDC2214数据从PC4,PC5端输入，经过主芯片的处理，转化成十进制数，然后通过3.3V的OLED模块，输出显示数据，再利用主芯片程序，显示判断的手势情况。（如图4）
图3 FDC2214电容检测模块
图4 STM32F103小系统板电路
3.2 程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
系统可实现手势识别的训练模式和判决模式，拨钮切换训练模式和判决模式。训练模式下，按键按顺序实现剪刀，石头，布，1,2,3,4,5的手势训练，按另一个按键决定训练的正确与错误。
判决模式下，根据电容传感器的测量值判断手势，并在OLED屏上给出结果。
2、程序设计思路
FDC2214传回的电容值跟手占极板的面积有关，根据电容值的大小给出手势结果。按键切换进入训练模式，用中断实现按键事件。训练模式结束后进入判决模式。
3.3 程序流程图
4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案
（1） 插上电源，启动手势识别装置，先测猜拳的手势识别，将剪刀的手势放置于测试区，手从轻轻接触，到逐渐增大压力，到数据稳定，分别记录该过程中的最大值与最小值，后取均值，多次测试，得到较为精确的结果。同理，测试石头和布的手势。
（2） 启动手势识别装置，测试划拳的手势识别，将1，2，3，4，5对应的手势分别置于测试区同样逐渐增大压力，直到数据稳定，分别记录最大最小值，多次测试，取平均值。
（3） 测试训练模式，按照训练模式的训练方法，测试训练结果是否可用，记录测试后的判决情况，多次测试，得到较为精确的结果。
4.2 测试条件与仪器
制作完成是试验台、连接完成的硬件设施。LCD显示屏。
4.3 测试结果及分析
（一）测试结果（如表1.2）
表1 猜拳判决测试结果
表2 划拳判决测试结果
（二）测试分析与结论
根据上述测试数据， 该手势识别系统已能达到基本部分的全部要求和性能指标，由此可得出以下结论：
不同手势电容变化参数需要大量调试与实验，找到最合适的参数区间来显示不同手势的信息。通过多次测试和调速，可以达到题目的要求。
5 总结
本系统利用FDC2214芯片实现电容变化的数字化，通过一块stm32f103开发板实现对电路和显示器的控制，配合独特的程序和算法基本实现了题目要求的判决模式和训练模式。在设计系统电路和程序的过程中，尽可能的做到简单、实用、易操作，同时发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。
参考文献
[1] 范红刚、魏学海、任思璟，《STM32单片机自学笔记》—北京：北京航空航天大学出版社，2010-01-01；
[2]钟洪声，《电子电路设计技术基础》—西安：电子科技大学出版社，2012-04-01
具体文章可以看附件。
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