基于CW32系列MCU的MPU6050姿態(tài)傳感器設(shè)計(jì)

一、簡介

1.MPU6050是一種常用的六軸姿態(tài)傳感器模塊，結(jié)合了三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)。MPU6050 對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16 位的ADC（0~65535），將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16g。并有可編程的低通濾波器。MPU6050模塊的應(yīng)用場景非常廣泛，包括但不限于以下幾個(gè)領(lǐng)域：

（1）姿態(tài)感知與控制：通過讀取陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)獲取物體的姿態(tài)信息，如傾斜角度、旋轉(zhuǎn)角度等。這在飛行器、機(jī)器人、無人車等項(xiàng)目中非常常見，用于實(shí)現(xiàn)姿態(tài)感知和控制。

（2）運(yùn)動(dòng)跟蹤與手勢(shì)識(shí)別：MPU6050可以用于捕捉人體運(yùn)動(dòng)軌跡，如手部的姿態(tài)和手勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)跟蹤、手勢(shì)識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)交互等應(yīng)用。

（3）震動(dòng)檢測(cè)與防抖：結(jié)合加速度計(jì)，MPU6050可以檢測(cè)到物體的震動(dòng)和沖擊，用于防抖技術(shù)、硬盤保護(hù)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等。

（4）步態(tài)分析與健康監(jiān)測(cè)：MPU6050可以用于分析人體的步態(tài)特征和動(dòng)作，用于健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)分析、姿勢(shì)校正等。

二、所需物料+寄存器說明

.本實(shí)驗(yàn)使用到了CW32F030C8小藍(lán)板、GY-521模塊、0.96寸OLED顯示屏Keil5開發(fā)環(huán)境

CW32F030C8小藍(lán)板

GY-521模塊

實(shí)物展示

【GY-521模塊與單片機(jī)連線】：VCC<-->+3.3V

GND<-->GND

SCL<-->PB5

SDA<-->PB4

【OLED顯示屏與單片機(jī)連線】：VCC<-->+3.3V

GND<-->GND

SCL<-->PA1

SDA<-->PA2

注：SCL和 SDA是連接MCU的 IIC接口，MCU通過這個(gè)IIC 接口來控制MPU6050，另外還有一個(gè) IIC 接口： XCL和XDA ，這個(gè)接口可用來連外部從設(shè)備比如磁力計(jì)，這樣就可以組成一個(gè)九軸傳感器。AD0是MPU6050的地址控制引腳，該引腳控制的是IIC 地址的最低位。MPU6050的默認(rèn)IIC地址是：0X68，如果AD0接VDD，則是0X69。需要注意的是：這里的地址0x68（110 1000）和0x69（110 1001）是不包含最低位的7位數(shù)據(jù)，通常最低位用于表示IIC主機(jī)的讀取數(shù)據(jù)/寫數(shù)據(jù)模式。如默認(rèn)情況下對(duì)MPU6050進(jìn)行寫操作，則發(fā)送地址0xD0（1101 0000），讀操作則發(fā)送地址0xD1（1101 0001）。

寄存器說明：

該寄存器是配置陀螺儀輸出速率的分頻器，用于為MPU-6050生成采樣速率。這里有個(gè)公式：采樣頻率=陀螺儀輸出頻率/（1+采樣分頻數(shù)）。當(dāng) DLPF（數(shù)字低通濾波器，見寄存器Configuration）禁用時(shí)，陀螺儀輸出頻率為8kHz；當(dāng) DLPF 使能，陀螺儀輸出頻率=1KHz。

該寄存器為陀螺儀和加速度計(jì)配置外部幀同步(FSYNC) 管腳的采樣和數(shù)字低通濾波(DLPF)設(shè)置。其中，數(shù)字低通濾波器DLPF由DLPF_CFG配置。根據(jù)下表所示的DLPF_CFG值對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀進(jìn)行濾波。

FS為陀螺儀輸出頻率。SMPLRT_DIV由預(yù)設(shè)定的采樣頻率根據(jù)上述的公式計(jì)算得出。一般情況下，DPLF濾波頻率為采樣頻率的一半，如設(shè)定采樣頻率為50Hz，由表可知當(dāng)FS為1kHz，SMPLRT_DIV的值為1000/50-1=19。

該寄存器是用來觸發(fā)陀螺儀自檢和配置陀螺儀的滿量程范圍。其中，XG_ST、YG_ST、ZG_ST分別用來設(shè)置陀螺儀X軸、Y軸、Z軸自檢，置0則不觸發(fā)自檢。FS_SEL[1:0]用于設(shè)置陀螺儀的滿量程，如下表：

我們一般設(shè)置為3，即滿量程為±2000°/s

該寄存器是用來觸發(fā)加速度計(jì)自檢和配置加速度計(jì)的滿量程范圍。同時(shí)這個(gè)寄存器也可以用于配置數(shù)字高通濾波器（DHPF）。其中，XA_ST、YA_ST、ZA_ST分別用來設(shè)置加速度計(jì)X軸、Y軸、Z軸自檢，置0則不觸發(fā)自檢。AFS_SEL[1:0]用于選擇加速度計(jì)的滿量程范圍，如下表：

我們一般設(shè)置為0，即滿量程為±2g

ACCEL_XOUT ：由 2部分組成的 16位數(shù)值存儲(chǔ)最近X 軸加速度計(jì)的測(cè)量值。ACCEL_YOUT ：由 2部分組成的 16位數(shù)值存儲(chǔ)最近Y 軸加速度計(jì)的測(cè)量值。ACCEL_ZOUT ：由 2部分組成的 16位數(shù)值存儲(chǔ)最近Z 軸加速度計(jì)的測(cè)量值。

以ACCEL_XOUT為例，若倍率設(shè)定為2g，則意味著ACC_X取最小值-32768時(shí)，當(dāng)前加速度為沿X軸正方向2倍的重力加速度；若設(shè)定為4g，取-32768時(shí)表示沿X軸正方向4倍的重力加速度，以此類推。顯然，倍率越低精度越好，倍率越高表示的范圍越大，這要根據(jù)具體的應(yīng)用來設(shè)定。以ACC_X為例，若當(dāng)前設(shè)定的加速度倍率為4g，那么將ACC_X讀數(shù)換算為加速度的公式為：

g可取當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

該寄存器存儲(chǔ)最近加陀螺儀的測(cè)量值，構(gòu)成與加速度計(jì)測(cè)量值寄存器相同，不做贅述。

以GYR_X為例，若倍率設(shè)定為250度/秒，則意味著GYR取正最大值32768時(shí)，當(dāng)前角速度為順時(shí)針250度/秒；若設(shè)定為500度/秒，取32768時(shí)表示當(dāng)前角速度為順時(shí)針500度/秒。顯然，倍率越低精度越好，倍率越高表示的范圍越大。以GYR_X為例，若當(dāng)前設(shè)定的角速度倍率為1000度/秒，那么將GRY_X讀數(shù)換算為角速度（順時(shí)針）的公式為：

該寄存器允許用戶配置電源模式和時(shí)鐘源，還提供了復(fù)位整個(gè)設(shè)備和禁用溫度傳感器的位。當(dāng)置SLEEP位為1時(shí)，MPU-60X0 可以進(jìn)入低功耗睡眠模式。該寄存器的最低三位用于設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)鐘源選擇，默認(rèn)值是0（內(nèi)部8M RC振蕩），不過一般設(shè)置為1，即選擇x軸陀螺儀PLL作為時(shí)鐘源，以獲得更高精度的時(shí)鐘。DEVICE_RESET該位置 1，重啟內(nèi)部寄存器到默認(rèn)值。復(fù)位完成后該位自動(dòng)清0。TEMP_DIS該位置 1，禁用溫度傳感器。

三、核心代碼

main.c:
#include "main.h"
#include "OLED.h"
#include "GY_521.h"
#include "MYI2C.h"
#include "Delay.h"


typedef struct{
  int16_t AX;
  int16_t AY;
  int16_t AZ;  
}MPU6050_Adata;  //MPU6050加速度計(jì)三軸數(shù)據(jù)


typedef struct{
  int16_t GX;
  int16_t GY;
  int16_t GZ;  
}MPU6050_Gdata;  //MPU6050陀螺儀三軸數(shù)據(jù)


MPU6050_Adata Adata;  //結(jié)構(gòu)體變量
MPU6050_Gdata Gdata;


void GY_521_Init(void)  //GY-521初始化
{
  GY521_GPIO_Init();  //GPIO初始化
  //解除睡眠，失能溫度傳感器，選擇X軸的陀螺儀時(shí)鐘
  WriteData(GY521_ADDR, MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x09); 
  WriteData(GY521_ADDR, MPU6050_CONFIG, 0x06); //低通濾波
  WriteData(GY521_ADDR, MPU6050_SMPRT_DIV, 0x09); //1KHz十分頻為100Hz
  WriteData(GY521_ADDR, MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);//陀螺儀最大量程
  WriteData(GY521_ADDR, MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);//加速度計(jì)最大量程
}


void MPU6050_GetData()  //獲取MPU6050六軸數(shù)據(jù)
{
  uint8_t MPU6050_Raw_Data[14]={0};
  //以MPU6050_ACCEL_XOUT_H為起始地址，連續(xù)讀取14字節(jié)的數(shù)據(jù)
  ReadData(GY521_ADDR,MPU6050_ACCEL_XOUT_H,MPU6050_Raw_Data,14);
  //數(shù)據(jù)處理
  Adata.AX=(MPU6050_Raw_Data[0]<<8)|MPU6050_Raw_Data[1];
  Adata.AY=(MPU6050_Raw_Data[2]<<8)|MPU6050_Raw_Data[3];
  Adata.AZ=(MPU6050_Raw_Data[4]<<8)|MPU6050_Raw_Data[5];
  Gdata.GX=(MPU6050_Raw_Data[8]<<8)|MPU6050_Raw_Data[9];
  Gdata.GY=(MPU6050_Raw_Data[10]<<8)|MPU6050_Raw_Data[11];
  Gdata.GZ=(MPU6050_Raw_Data[12]<<8)|MPU6050_Raw_Data[13];
}


int main()
{
  OLED_Init();   //OLED初始化
  GY_521_Init(); //GY-521初始化
  OLED_ShowString(1,1,"A:      G:");//提示：左列顯示加速度計(jì)數(shù)據(jù)；右列顯示陀螺儀數(shù)據(jù)
  while(1)
  {
    MPU6050_GetData(); //獲取六軸數(shù)據(jù)
    OLED_ShowSignedNum(2,1,Adata.AX,5);
    OLED_ShowSignedNum(3,1,Adata.AY,5);
    OLED_ShowSignedNum(4,1,Adata.AZ,5);
    
    OLED_ShowSignedNum(2,9,Gdata.GX,5);
    OLED_ShowSignedNum(3,9,Gdata.GY,5);
    OLED_ShowSignedNum(4,9,Gdata.GZ,5);
    Delay_ms(100); //延時(shí)刷新
  }
}

四、效果演示

平放	向下傾斜
左傾斜向	直立

讀到的原始數(shù)據(jù)還不能直接使用，要轉(zhuǎn)化成四元數(shù)，歐拉角后，獲得器件的姿態(tài)角才有用，而 MPU6050 自帶了數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，即 DMP，并且，InvenSense 提供了一個(gè) MPU6050 的嵌入式運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)庫，結(jié)合 MPU6050 的 DMP，可以將我們的原始數(shù)據(jù)，直接轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出，而得到四元數(shù)之后，就可以很方便的計(jì)算出歐拉角，從而得到y(tǒng)aw、roll和pitch。

審核編輯：湯梓紅