资讯详情

嵌入式课程 之 陀螺仪传感器实验

版权属于以下公司，禁止非授权转载：

  • 北京西普阳光教育科技有限公司（https://www.simpleware.com.cn）
  • 维周机器人科技有限公司（http://www.vejoe.com)

文章目录

    • 实验目的
    • 【实验原理】
      • 一、陀螺仪简介
      • 二、MPU6050简介
    • 【实验环境】
      • 硬件设备：
      • 软件环境：
    • 【实验步骤】
      • 第一步 工程环境的配置
      • 第二步 陀螺仪寄存器读取函数和初始函数
      • 第三步 编写main.c文件
      • 第四步 编译下载，观察实验现象
    • 【思考题】
      • 1、选择题
      • 2、简答题

【实验目的】

熟悉陀螺仪的工作原理，了解不同类型陀螺仪的差异； 熟悉MPU6050输出形式，熟悉MPU6050通信方式； 掌握STM32F10xx陀螺仪在系列微控制器上的接口配置和数据采集过程；

【实验原理】

一、陀螺仪简介

陀螺仪（gyroscope）它是一种角运动检测装置，传统陀螺仪是一种或两个角运动装置，通过检测高速旋转体的动量矩敏感壳体的相对惯性空间。一般来说，旋转物体的旋转轴所指的方向不受外力影响。人们根据这个道理，用它来保持方向。然后读取轴指示的方向，并自动将数据信号传输到控制系统。由其他原理制成的角运动检测装置也称陀螺仪。

传统陀螺仪是机械陀螺仪，但机械陀螺仪制造工艺要求高，精度低，体积大。因此，人们开始寻找更好的方法，利用物理进步，开发激光陀螺仪、光纤陀螺仪和微机电陀螺仪（MEMS）。虽然这些东西也叫陀螺仪，但它们的原理与传统的机械陀螺仪完全不同。目前，传统的机械陀螺仪正在被淘汰。激光陀螺仪用于高精度需求，微机电陀螺仪用于普及。

二、MPU6050简介

本实验采用MPU6050运动传感器是集成3轴的集成6轴运动传感器MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计和可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor）。MPU6050传输最高可达400kHz的IIC也可以通过通信I2C接口连接其他非惯性的数字传感器。IIC通信协议要求每个装载在总线上的设备都有一个独特的7位设备地址来区分信号传输对象。MPU6050设备地址的前六已由厂家决定(1101000B），而MPU6050提供一个AD如果0引脚用于确定第7位电平，AD0接地，设备地址为0x68H（1101000B），再加上第八个读写方向，构成了IIC传输设备地址0xD0(11010000B)。

硬件连接图和库函数介绍 在这里插入图片描述 图1.1 硬件连接示意图 本实验中使用的库函数包括IICwriteBits函数的参数含义如下：

  1. dev，这里是设备地址MPU6050设备地址(mpu6050.h给出宏定义)；
  2. reg，这里指的是目标寄存器地址PWR电池管理寄存器地址0x6B；
  3. bitStart，由于配置时钟源的标志位为寄存器上的[2:0]位，因此寄存器上的功能标志位起始地址为2；
  4. length，由于配置时钟源的标志位为寄存器上的[2:0]位，长度为3，因此这里的值为3；
  5. data，存储在寄存器标志位的值由函数入口的时钟源参数给出。

I2C_ReadOneByte函数的参数含义如下：

  1. I2C_Addr ，这里是目标设备地址MPU6050设备地址(mpu6050.h给出宏定义)；
  2. addr，寄存器地址 四、软件流程图 由于MPU6050通过IIC通信，所以可以通过IIC访问数据寄存器对应的地址，获取陀螺仪加速度计信息。各功能寄存器的寄存器地址已经存在mpu6050.h程序中预先给出的库函数包括：oled.c显示屏库函数，delay.c延迟库函数，IOI2C模拟IIC库函数等，程序流程简要说明图如图1所示.2所示：

图1.2 程序流程示意图

【实验环境】

硬件设备：

双轮自平衡机器人。.3.在平衡车的电路板上集成MPU6050模块。 ST-Link下载器(包括USB线路和下载线.4所示。 操作系统： Windows7/8/10，32bit/64bit

图1.3 双轮自平衡机器人 图1.4 ST-Link下载器和下载线

软件环境：

Keil 5

【实验步骤】

第一步 工程环境的配置

打开已建立的工程模板，在新建的工程模板中加入五个文件夹，分别命名为USER、HARDWARE、SYSTEM、CORE、FWLib如图1所示，文件夹.5所示。其中USER主函数存储在文件夹中，HARDWARE本实验对应的硬件设备函数存储在文件夹中，SYSTEM存储本课程所有实验通用函数，CORE启动文件存储在文件夹中，FWLib底层驱动函数存储在文件夹中。 图1.5 工程模板对应的文件夹 在HARDWARE文件夹下新建的文件命名为mpu6050.c，并在工程目录下加载准备好的并加载HARDWARE文件夹里的MPU6050文件夹内的MPU6050.h文件，文件存储MPU相应数据位的宏定义已经定义了6050寄存器地址。mpu6050.c则存放MPU6050的配置文件，如图1.6所示。 图1.6 在HARDWARE建立文件夹mpu6050.c与mpu6050.h文件

第二步 陀螺仪寄存器读取函数和初始函数

在程序中打开mpu6050.c文件，先将mpu6050.h和IOI2C.h文件包含在内。其次，编写。MPU时钟源配置函数6050MPU6050_setClockSource。

#include "MPU6050.h" #include "IOI2C.h"  /**************************************************************** 函数功能：设置MPU6050的时钟源 入口参数：时钟源参数： 返回值：无 ****************************************************************/ void MPU6050_setClockSource(uint8_t source) { 
         IICwriteBits(devAddr, MPU6050_RA_PWR_MGMT_1,  MPU6050_PWR1_CLKSEL_BIT, MPU6050_PWR1_CLKSEL_LENGTH
       
        , source
        )
        ; 
        }

同理，编写陀螺仪加速度计量程设置函数、睡眠唤醒函数、主从机设置函数

/**************************************************************** 函数功能：设置MPU6050的陀螺仪最大量程 入口参数：陀螺仪最大量程参数 返回值：无 ****************************************************************/
void MPU6050_setFullScaleGyroRange(uint8_t range) 
{ 
        
IICwriteBits(devAddr, MPU6050_RA_GYRO_CONFIG, 	MPU6050_GCONFIG_FS_SEL_BIT,MPU6050_GCONFIG_FS_SEL_LENGTH, range);
}
/**************************************************************** 函数功能：设置MPU6050的加速度计最大量程 入口参数：加速度计最大量程参数 返回值：无 ****************************************************************/
void MPU6050_setFullScaleAccelRange(uint8_t range) 
{ 
        
IICwriteBits(devAddr, MPU6050_RA_ACCEL_CONFIG, 	MPU6050_ACONFIG_AFS_SEL_BIT,MPU6050_ACONFIG_AFS_SEL_LENGTH, range);
}
/**************************************************************** 函数功能：设置MPU6050是否进入睡眠模式 入口参数：0否 1是 返回值：无 ****************************************************************/
void MPU6050_setSleepEnabled(uint8_t enabled) 
{ 
        
IICwriteBit(devAddr, MPU6050_RA_PWR_MGMT_1, 										MPU6050_PWR1_SLEEP_BIT, enabled);
}
/**************************************************************** 函数功能：设置MPU6050是否为主机模式 入口参数：0否 1是 返回值：无 ****************************************************************/
void MPU6050_setI2CMasterModeEnabled(uint8_t enabled) 
{ 
        
IICwriteBit(devAddr, MPU6050_RA_USER_CTRL, 									MPU6050_USERCTRL_I2C_MST_EN_BIT, enabled);
}
/**************************************************************** 函数功能：设置MPU6050是否允许IIC通信 入口参数：0否 1是 返回值：无 ****************************************************************/
void MPU6050_setI2CBypassEnabled(uint8_t enabled) 
{ 
        
IICwriteBit(devAddr, MPU6050_RA_INT_PIN_CFG, 										MPU6050_INTCFG_I2C_BYPASS_EN_BIT, enabled);
}

编写MPU6050初始化函数，在初始化函数中调用以上定义的函数完成初始化。

/************************************************************* 函数功能：初始化MPU6050以进入可用状态 入口参数：无 返回值：无 ************************************************************/
void MPU6050_initialize(void) 
{ 
        
	//设置时钟
	MPU6050_setClockSource(MPU6050_CLOCK_PLL_YGYRO);
	//陀螺仪最大量程+-1000度每秒
	MPU6050_setFullScaleGyroRange(MPU6050_GYRO_FS_2000);
	//加速度计最大量程+-2G
	MPU6050_setFullScaleAccelRange(MPU6050_ACCEL_FS_2);	
	//进入工作状态
	MPU6050_setSleepEnabled(0);
	//不让MPU6050控制AUX IIC
	MPU6050_setI2CMasterModeEnabled(0);
	//主控制器的IIC与MPU6050的AUX IIC 直通
	MPU6050_setI2CBypassEnabled(0);
}

打开encoder.h，设置MPU6050设备地址宏定义。

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_H

#include "sys.h"
#define devAddr 0xD0
……

第三步 编写main.c文件

将工程编译需要用到的头文件包含进来，并预定义显示函数和全局变量。

#include "mpu6050.h" //包含mpu6050函数头文件
#include "sys.h" //包含系统头文件
#include "stm32f10x.h" //包含系统寄存器定义声明的头文件

void oled_show(void);
int Gyro_X,Gyro_Z;  // X、Z轴的陀螺仪变量

在主函数中调用延时函数、显示函数、IIC函数和MPU6050的初始化函数。

int main(void)
{ 
         
delay_init();	    //延时函数初始化
delay_ms(500);
	OLED_Init();     //OLED初始化
		IIC_Init ();            //IIC初始化
	MPU6050_initialize ();            //MPU6050初始化
//在主循环中调用超声波读取函数和显示函数
	while(1)
	{ 
        
Gyro_X=(I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_GYRO_XOUT_H)<<8)+I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_GYRO_XOUT_L);   //读取X轴陀螺仪数据
Gyro_Z=(I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_GYRO_ZOUT_H)<<8)+I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_GYRO_ZOUT_L);   //读取Z轴陀螺仪数据
	
		if(Gyro_X>32768)  Gyro_X-=65536;      //数据类型转换
		if(Gyro_Z>32768)  Gyro_Z-=65536;       //数据类型转换
		oled_show();          //显示屏打开
		delay_ms(50); 
	}

编写OLED显示函数

void oled_show(void)
{ 
        
//显示右侧编码器返回值
	OLED_ShowString(0,10," Gyro_X ");
	if(Gyro_X >=0)OLED_ShowString(20,20," "),
		OLED_ShowNumber(45,20, Gyro_X,4,12);	
	else OLED_ShowString(20,20,"-"),
		OLED_ShowNumber(45,20,4- Gyro_X,4,12);
//显示左侧编码器返回值
	OLED_ShowString(0,40," Gyro_Z ");
	if(Gyro_Z >=0)OLED_ShowString(10,50," "),
		OLED_ShowNumber(45,50, Gyro_Z,4,12);
	else OLED_ShowString(10,50,"-"),
		OLED_ShowNumber(45,50,- Gyro_Z,4,12); 
	//=============刷新======================//
	OLED_Refresh_Gram();	
}

第四步 编译并下载，观察实验现象

本实验采用仿真器为STLink V2，将仿真器与小车相连，注意正负极不要接反，如图1.7所示。 图1.7 仿真器与下载线连接图 编译程序：点击如图1.8所示的编译按键。 图1.8Keil编译环境下的编译按键 当编译完成后，如果没有问题，Build Output栏会出现无错误、无警告的提示，如图1.9所示。 图1.9 编译通过后Build Output栏提示信息 下载程序：点击如图所示的下载按键，程序就会下载到STM32的芯片中。下载按键如图1.10所示。 图1.10 Keil编译环境下的下载按键 观察实验现象，OLED显示屏上显示出当前陀螺仪的读数，用手轻轻晃动车身，观察数值的变化。 图1.11 平衡车上的陀螺仪测量数据

【思考题】

1、选择题

题目1：若AD0引脚接高电平，MPU6050的7位设备地址是（B） A：0x68 B：0x69 C：0xD0 D：0xD1 题目2：同一条IIC总线上最多挂在几个MPU6050设备（B） A：1 B：2 C：127 D：128

2、简答题

题目1：简要阐述机械陀螺仪的工作原理。

一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫做陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

标签： 陀螺仪传感器mpu陀螺仪力传感器

锐单商城拥有海量元器件数据手册、 IC替代型号，打造 电子元器件IC百科大全！

锐单商城 - 一站式电子元器件采购平台