基于SLH89F5162单片机的游戏手柄设计

        一、项目背景概述

　　在智能手机随处可见的今天，各式各样的APP层出不穷。由于手机有重力感应功能，手机游戏自然也不会错过这个，相比八、九十年代的小游戏，如今的游戏不再只是用眼去看，用手指操作，更多的是让玩家用身体去体验游戏。赛车类、飞机类、游艇类等游戏，通过控制手机的姿态就能控制游戏对象，这种体验使的很多人着迷。

　　但是，在游戏体验得到大幅度提升的同时，也存在一些问题。重力传感器与手机是一体的，手机屏幕也是手机的一部分，当敌机快速朝我方冲来时，我们会最大限度的倾斜手机来躲避敌机。但是此时由于手机倾斜，我们要么看不见屏幕内容，要么头也随手机倾斜。

　　为了解决这个问题，我想把传感器与屏幕分离出来，即使控制与显示独立。正值"深联华杯单片机应用设计大赛"如火如荼的进行，我就借此机会将我的计划实现。制作一款具有重力感应的游戏手柄。

　　虽然带重力感应的游戏手柄在市场上也有，但是上百元的价格并不是人人都会购买的。深联华SLH89F5162单片机是增强型51单片机，兼容传统的51单片机，又添加了许多实用的周边模块，使得单片机真正成为"单片微机"。同时因其低廉的价格，使得制作出来的重力游戏手柄的成本也极低，属于平民级的消费电子，市场竞争力不言而喻。

　　二、项目设计原理

　　1、 原理概述

　　SLH89F5162单片机从传感器MPU6050获取游戏手柄的实时2轴加速度值，经过运算可得到游戏手柄的倾斜角度，将这个角度信息通过串口发送到电脑上的接收程序，由接收程序经过简单的数据打包，就能把游戏手柄的姿态传递给游戏对象，从而达到与智能手机重力感应游戏一样的游戏效果。

　　2、 硬件设计原理

　　SLH89F5162单片机有内部16.6MHz振荡器，所以不接外部晶振也可正常工作。用其产生115200波特率，通讯速度快，误差极小，可忽略不计，测试了数万个数据，没发现出错的数据。同时，产生的波特率越小，误差越大。单片机内部有复位电路，可省去外部复位电路，因此一片单片机芯片就是一个最小系统。

　　控制器SLH89F5162单片机为主控制器，负责传感器的控制，传感器信息的读取、矩阵键盘扫描、独立按键输入、与电脑的串口通讯。

　　传感器MPU6050内部集成了3轴陀螺仪、3轴加速度计、温度传感器和数字运动处理器，并支持外接其他辅助传感器。I2C通讯接口，数字量输出，体积小。

　　115200波特率的分频系数 = 16.6M / 16 / 115200 = 9.00608

　　38400波特率的分频系数 = 16.6M / 16 / 38400= 27.0182

　　19200波特率的分频系数 = 16.6M / 16 / 19200 = 54.0365

　　9600波特率的分频系数 = 16.6M / 16 / 9600 = 108.073

　　3、 软件设计原理

　　软件开发环境采用Keil3，编程语言采用汇编。采用模块化方法，将I2C读写函数、MPU6050操作函数、键盘扫描函数、数学运算、表格分开在不同的文件，编译时再链接在一起。

　　MPU6050只支持I2C通讯，最大I2C时钟为400KHz，采用汇编语言编写，可最大限度的满足其时钟要求，这是高级语言无法做到的。重力传感器输出的是某一轴的加速度大小，该值与重力加速度g的比值，就是传感器绕该轴与竖直方向夹角的正弦值，只要求其反正弦就可得到相应的角度大小。

　　angleX = arcsin（accelX / g）

　　angleY = arcsin（accelY / g）

　　采集的数据具有噪声，采用数字低通滤波器可有效减小噪声干扰。某一轴上不仅存在重力加速度的分量，同时也存在运动加速度的分量，这会对倾角的计算带来误差。运动加速度的分量比重力加速度小很多，持续时间也很短，采用低通滤波算法也能较小运动带来的误差。

　　低通滤波算法：y = a * y + （1 - a） * x; x：输入， y：输出， a：系数

　　由于8位的51单片机先天不足，对浮点数据运算的支持很差，尤其是涉及三角函数、反三角函数。所以我采用空间换时间的方法，即通过查表得到arcsin（accel）的值，这样运算非常快，而且精度没有打任何折扣。SLH89F5162具有片内62K Flash ROM，而accel = -8192 ~ 8192，存储8192个浮点数据需要8192 * 4 = 32K字节，采用SLH89F5162单片机没有任何压力。

　　三、项目设计框图

　　1、硬件设计框图

　　2、软件设计框图

　　四、测试结果

　　一、作品展示

　　图一

　　图二

　　图三

　　二、作品演示

　　演示视频链接：http://pan.baidu.com/s/1i35JhVR

　　（注：视频分辨率为1024×768，为了保证画面清晰，建议全屏或者下载观看。）