這篇文章來源于DevicePlus.com英語網站的翻譯稿。

今天，我們介紹一款由洛加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）電氣和電子工程師協會（IEEE）學生分會一群聰明的工程師研發的3D AirMouse。AirMouse的功能與傳統電腦鼠標非常類似，但是能夠檢測三維運動。

Device Plus已經與100多所美國頂尖大學展開合作，希望通過資助一些缺乏資金或資源的項目來促進學生創新。目前，Device Plus正在提供硬件贊助計劃，并希望與活躍的學生工程組織合作，以構建我們的“連接”部分。

加州大學洛杉磯分校IEEE

加州大學洛杉磯分校IEEE（UCLA IEEE）是一個IEEE學生分會，致力于“為全校工程學生帶來親身實踐體驗”。該項目完全由學生們自己開展，高年級學生負責指導參與項目計劃的新成員。高級項目（Advanced Projects）是UCLA IEEE為期四年的項目之一，旨在讓具有中等硬件和軟件經驗的學生學習微控制器硬件、通信協議、原理圖和電路板設計等高級主題。

參與高級項目（Advanced Projects）的學生組成多個2-4人的團隊，在學年的三個季度中研發兩個項目。通過第一個項目——AirMouse，學生將學習不同的通信協議、硬件寄存器和寄存器使用等概念。有了這些知識，學生們將在接下來的兩個季度中繼續構建自己的四軸飛行器，同時還會學習其他概念，比如使用MOSFET作為開關以及PWM速度控制等。

作為UCLA IEEE高級項目（Advanced Projects）計劃的一部分，最初的AirMouse由Rahul Iyer、Aaron和Andrew Wilhelm研發。

AirMouse概述

我們都用過電腦鼠標，但是它們只能在桌面之類的平面上工作。在本教程中，我們將制作一個“AirMouse”——一個能夠在3D空間中運行的計算機鼠標！用戶通過傾斜鼠標就可以讓屏幕上的光標移動，從而可以進行大范圍自定義動作。我們首先展示構建AirMouse的基礎知識，然后介紹如何擴展其功能！

AirMouse主要由兩個部分組成：戴在手上的鼠標發射器和連接用戶計算機的接收器。發射器收集鼠標的方向和按鈕狀態信息；而接收器轉換這些信息，從而在計算機屏幕上執行相應操作。

為了易用性和簡潔性，我們最初利用Arduino Pro Mini和Teensy 3.2微控制器——市場上深受業余愛好者歡迎的兩種最小的微控制器——構建AirMouse。兩個微控制器通過一對nRF24L01 RF模塊進行無線通信，AirMouse使用MPU6050加速度計檢測運動。

然而，在本教程中，我們將向您展示一種更簡單的AirMouse構建方法：Arduino Uno結合ROHM傳感器開發板上的加速度計。由于該ROHM傳感器開發板結構緊湊，而且附帶的庫可以處理I2C 通信，因此大大簡化了設計。

硬件：

發射器：

1 x Arduino Uno微控制器

1 x ROHM傳感器評估套件

1 x ROHM加速度計 (KX022-1020)

1 x nRF24L01+ RF模塊

排母

滑動開關

1 x 可焊接試驗電路板，足夠大，能焊接微控制器和所有電子器件

2 x 按鍵

1 x 1s LiPo電池

1 x 1k?電阻

1 x 3.3k?電阻

接收器：

1 x Teensy 3.2微控制器

1 x NRF24L01+ RF模塊

排母

1 x 可焊接試驗電路板，足夠大，能焊接微控制器和所有電子器件

1 x 紅、黃、綠LED燈

1 x 150?電阻

硬件組裝

這一步您可以發揮自己的創造力！只要按照下圖所示的接線圖進行接線即可，各個組件的實際位置并不重要。但是請確保AirMouse使用起來非常舒適！比如，您可能需要按照姿勢舒服、暢通無阻的方式安裝左鍵和右鍵單擊按鈕。

然而，組裝這些設備之前，讓我們來看一下必須建立的不同連接。

發射器

圖1 發射器原理圖（請注意RF模塊的Vcc連至3.3V！）

圖2 Arduino Uno的面包板“蓋板” 由于Uno的接頭與面包板的孔間距（0.1〞）并不完全吻合，因此按鈕數字輸入線需要使用跳線（藍色）。

兩個RF模塊通過SPI總線分別連至各自的微控制器。要了解有關不同通信協議和SPI的更多信息，請查看我們的此處鏈接轉移至DevicePlus.com英語網站Arduino通信協議教程!SPI在RF通信等應用中非常有用，因為其數據傳輸速度快，允許兩個器件以高數據速率、低延遲和高可靠性相互傳輸大量數據。正如我們在本教程中討論的那樣，SPI通信是同步的、雙向的，這兩個特性顯著提高了數據發送和接收速度。

RF模塊的 MOSI, MISO, and SCK 線路必須連接 Arduino上的特定引腳。這些引腳的介紹如下：

RF模塊的CE腳表示Chip Enable（芯片使能）, 可以用來讓RF模塊進入待機/睡眠模式。RF模塊的CS腳是SPI從機選擇引腳。這兩個引腳必須連至Arduino上的兩個單獨GPIO引腳，但是不需要連至任何具體引腳。

圖3 Arduino Uno和RF模塊的接線圖

Arduino Uno工作電壓為5V，而nRF24L01+工作電壓為3.3V。兩者工作電壓存在差異，但是我們可以利用Arduino的輸出引腳為RF模塊供電，并且不會損壞RF模塊。nRF24L01+模塊的電源（Vcc）引腳應連至Uno上的Arduino穩壓3.3V輸出。切勿將Vcc引腳連至5V，否則可能會損壞模塊！在這個項目中，使用Arduino上的穩壓輸出為RF模塊供電是可行的，因為（1）RF模塊的電流消耗非常低；（2）在軟件中，我們將配置無線電的功率放大器，讓其處于較低功率模式。

無線模塊中間的nRF24L01+芯片的Nordic Semiconductor 數據表 表明，該模塊的發射和接收電流分別為11.3mA和13.5mA。而Arduino的核心Atmel芯片能夠在每個數字引腳上提供高達40mA的電流，因此在最低發射和接收功率設置下（對于這個項目來說已經足夠），Arduino能夠成功地為RF模塊供電。在Arduino代碼中，我們會通過命令setPALevel(RF24_PA_LOW)指定LOW（低）功耗模式，告訴RF模塊其功耗不能超過它的次低功率等級（設置選項包括MIN、LOW、HIGH和MAX）。

現在我們來看一下這些引腳在RF模塊上的實際位置。具體引腳位置請參見下方的引腳說明。

圖4 nRF24L01+ RF模塊的引腳排列
模塊的引腳1用正方形表示。請注意，模塊與插頭引腳并不對稱。/ ?Addicore

連接RF模塊時，您可能需要在試驗電路板上使用排母。這樣，如有必要，您可以從試驗板上拆下模塊。

此外，在焊接4×2排針的連接時要特別小心——引腳之間的距離非常小
，任何不必要的短路都會損壞模塊！請確保排針接頭周圍留有足夠空間
，以便可以輕松進行焊接工作。

鼠標左鍵和右鍵的功能按鈕連至設置為輸入的Arduino數字引腳。我們通過布置每個按鈕，使得數字引腳在單擊按鈕時讀取邏輯高電平，否則為邏輯低電平。按鈕連接的放大圖如下所示：

圖5 本項目使用的按鈕布局
按下此按鈕時，GPIO腳接通Vcc。

從上圖可以看出，單擊按鈕時，GPIO引腳直接連至Vcc。沒有按下按鈕時，GPIO引腳和地之間的電阻將GPIO引腳“拉低”到地，因此稱為下拉電阻。這種做法是為了避免數字輸入引腳的懸空邏輯電平問題。當數字輸入不確定（或者連接邏輯高或者連接邏輯低）時，會出現這種情況，即使沒有連接也會由于系統噪聲導致不可預知的行為，比如高讀數或低讀數。我們需要一個高阻值電阻（在這種情況下，10k電阻即可），因為只要點擊按鈕，將GPIO引腳接地就會導致Vcc和地之間短路。按下按鈕電路形成閉環時，電阻會降低Vcc和地之間的電流，從而防止出現危險的短路情況。

圖6 ROHM傳感器開發板上方的面包板
傳感器開發板隨附的KX022加速度計模塊可完美安裝在I2C接頭頂部和面包板下方。

幸運的是，對于我們來說，ROHM傳感器開發板已經完成了所有的I2C 硬件連接，這大大簡化了I2C硬件設置，用戶只需將加速度模塊連至I2C的一個接頭即可！要了解有關I2C工作的更多信息，請訪問我們的 Arduino通信協議教程！!

接收器

圖7 接收器原理圖（如上所示，RF模塊的Vcc連至3.3V！）

圖8 接收器模塊
GPIO引腳連接了兩個LED，以便進行調試

接收端的連接與發送端非常相似。RF模塊的不同SPI引腳連至Teensy微控制器上的匹配引腳（與Arduino相同的引腳）。您還可以添加LED，以便進行調試和信息顯示。

組裝AirMouse是構建過程中最乏味的地方，但是，您可以充分發揮您的創意！請嘗試把模塊做得更小、更符合人體工程學，并與我們分享您的想法和作品吧！

請確保在通風良好的區域進行焊接并使用高質量設備，并經常休息。您完成硬件構建之后，請參閱本文的第2部分 – 軟件部分！

審核編輯：湯梓紅