引 言
传感器技能是丈量技能、半导体技能和信息处理技能等很多学科彼此穿插的综合性高新技能密集的前沿技能之一，也是今世科学技能开展的一个重要标志。假如说核算机是人类大脑的扩展，那么传感器便是人类五官的延伸。跟着传感器技能的开展，人机接口的品种越来越丰厚，从前期最简略的机械式按钮、电位器旋钮到现在的电容式触摸感应、电场非触摸传感、人脸辨认及语音辨认等，人机接口的智能性、易用性及可靠性也明显进步。本文经过运用Freescale公司的MC33794电场传感器，规划了一种新式的模拟游戏操控器。该模拟游戏操控器经过电场传感器的电极，非触摸感知手掌的姿势，然后操控模拟游戏中各个方向上的力度，完结对“模拟量”操控的功用。
模拟游戏中，一般需求操控游戏中上、下、左、右各个方向上的力度。例如轿车模拟游戏中，一般需求操控游戏中轿车的油门及方向，这2个参数是确认轿车行进的重要参数，而这些参数的改动是接连的，并且在不同的操控力度下轿车的行进会有不同的体现。在以往的低本钱游戏操控器中，不能感知这些强度接连改动的模拟量。在本规划中，将手掌放置于模拟游戏操控器电极上方，操控时只须改动手掌相对于游戏操控板电极平面的姿势，就能够将游戏玩家需求的操控强度转化为对游戏的操控强度，输出到游戏操控中心，完结对游戏中被控物体的操控功用。
1、 电场传感器MC33794
电场是指存在于带电物体的周围，使带电物体能够遭到力的效果的空间。电场遍及存在于自然界中，物体的冲突会搬运电荷发生电场，鲨鱼等鱼类经过电场侦测猎物，电子范畴的电容器中存在穿过带电电容极板的电场。只需物体能够看作是电容板，那么都能够成为电场感应器的一部分。简直一切的物体在其本身的电容和电场改动时都能够被感应，电场和电容是物体问彼此效果的固有现象。经过一个自动电极就能够发生和调度一个电场；具有必定介电常数的物体接近电容的南北极，经过感应电极就能够丈量到电容的改动。这样就能够经过非触摸感应技能丈量物体的三维空间方位改动。
FTeescale公司的电场传感器MC33794适用于需求对物体进行非触摸感应的运用。它包含了发生电场所必需的电路，能够发生低水平电场，丈量因为物体在电场中移动形成的电场负载。MC33794还可用于检测与电极相关的电场中的物体。集成电路能够发生一个低频正弦波。其频率可经过运用外部电阻进行调度，并优化到125kHz。正弦波的谐波含量十分低，能够防止发生谐波搅扰。内部发生器能够发生5．0V的峰一峰输出电压，并经过大约22Ω的内部电阻。MC33794与MCU的衔接示意图如图1所示。
MC33794能够衔接9个电极和2个参阅电极，经过一个屏蔽驱动以减小线缆电容回路对丈量发生的影响。MC33794还带有+5V的电压调度器，可向外部单片机体系供电，一起还供给了一个灯驱动输出。
2、 游戏操控器体系规划
2.1 组合型方向操控电极规划
电场传感器能够感知电场中物体在三维空间内的移动，物体感知原理如图2所示。当手掌进入电极发生的电场区域今后。电极卜的电流会有相应的改动，然后感知手掌距电极的间隔。
依据此物体原理，能够经过运用MC33794的5个电极在同一平面内组成“十”字组合型方向操控电极，如图3所示。该组合型方向操控电极能够感知电极上方5个笔直方向上的物体高度改动，将手掌置于组合电极上即可方便地对游戏中被控物体的方向进行操控。单个电极选用八角型铜板，面积约为30 cm2（5cm×6cm）；整个“十”字组合型方向操控电极所占面积约为270cm2（15cm×18cm），合适大部分成年人手掌掩盖在此组合电极区域。针对儿童商场，须运用更小尺度的电极。
在运用时，1～4号电极表明游戏中的4个方向，手掌相对这些电极的高度表明需求对这些方向上操控的强度，高度越低，表明需求操控的强度越大；因为在规划游戏操控器时考虑到假如手掌曲折，那么将呈现需求一起操控相反两个方向的状况（这种操控方法在实践状况中不存在），因而在1～4号电极中心加入了5号电极，以检测手掌曲折状况。又因为手掌不可能坚持肯定水平，因而引进水平差错系数ε。该参数使得操控平面答应有必定的曲折度。
2．2 前端信号调度电路
MC33794输出端LEVEL是O～3．5V改动的模拟信号，依据不同的电极品种，输出的最大值会略有不同。当极板上方无物体时，LEVEL输出最大值；当有物体进入电极感应区域后，LEVEL输出电压将会下降，终究降至OV。因为MC33794发生的电场为低水平电场，电极较为灵敏的区域在电极上方O～2cm处，而作为游戏操控器运用时，需求用到的电极灵敏区域为电极上方2～10cm处，因而在前端信号调度部分需求扩大此高度区间内的信号。
图4为前端信号调度电路图。该电路由2个作业在反向扩大形式下的LM358D运算扩大器组成。电阻R8的滑动端输出VOFFSET偏置电压，并输入到扩大器的正输入端。MC33794的LEVEL信号接到榜首级LM358D运算扩大器的负输入端，经过扩大后，输出信号LEVEL_AMP的改动趋势与LEVEL信号共同。
经过调度VOFFSET与R7的值，能够对LEVEL信号中所感兴趣的电压区间进行扩大，一起还能够操控输出信号的起伏规模。在该规划中，经过对LEVEL信号2．9～3．5V电压区间内的信号扩大，满意了被测物体在电极上方2～10cm改动时，输出电压在0～3．4V改动的灵敏度要求。
2．3 游戏操控器硬件规划
游戏操控器的主控MCU选用Silicon Lab公司的C805lF310单片机。该单片机集成有采样频率为200ksps的10位ADC，外设有串口及SPI等常用接口。当单片机作业在25MHz时，速度町达25MIPS。
本规划中，将信号调度电路的输出接到C8051F310的ADC输入端，数据经过核算后经过RS232串口发送至PC。体系硬件框图如图5所示。
将MC33794的A、B、C、D接到C805lF310的I／O口上，经过软件操控I／O口输出，挑选需求采样的电极。MC33794共9个电极能够运用，其间E1～E5接操控方向的电极，其他电极用作其他按键。
2．4 游戏操控器软件规划
操控器的软件首要操控挑选电极、采样、滤波、运算，最终将数据经过RS-232串口送回游戏操控中心。软件的运算部分需求将方向操控电极上收集到的三维手掌姿势信息，变换为二维直角坐标平面内x轴与y轴上的数值，供游戏组成方向矢量运用。三维直角坐标系内，方向操控电极上所收集到的各点的电压为这些点在z轴上的起伏值，别离表明为zE1、zE2、…、zE5，则在二维直角坐标系内x轴上的操控力度为△x=zE2-zE4，y轴上的操控力度为△y=zE3-zE1。当手掌平面与方向操控电极平面平行时，△x与△y均为0；当手掌平面倾向1号与4号电极方向（即以1号电极为向前方向时的右前方向）时，△x与△y均为正值，此刻，在二维直角坐标系内，组成后的方向矢量将在榜首象限中。因为实践中不存在一起进行两个相反方向操控的状况。因而须事前约好手掌平面不能曲折，一起引进水平差错系数ε。核算方向矢量的一起，各个变量还须满意以下2个公式：
软件流程如图6所示。当手掌向右前方向歪斜时，依照图3所示的三维空间直角坐标系内的电极放置方向，别离对各个方向操控电极三维空问内的坐标投影至xz和yz平面，行将2号与4号电极的三维坐标在xz平面上投影，将1号与3号电极的三维坐标在yz平面投影。投影后的xz与yz坐标如图7所示。
当手掌向右前方向歪斜时，二维坐标平面内x轴与y轴上的方向操控重量在坐标系内组成的方向操控矢量如图8所示。
3、结语
本规划经过运用电场传感器完结了模拟游戏操控器，经过电场传感器对三维空间的感知才能，给游戏玩家带来了模拟游戏的全新体会。现在，该游戏操控器现已完结悉数硬件调试及软件测验。实验结果表明．其彻底完结了估计的操控功用，且作业杰出。这种经过电场进行操控的方法具有可靠性高、运用寿命长、本钱较低一级特色，一起还能够运用于各种需求操控模拟量的场合（如模型轿车操控板），具有宽广的运用远景。
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