MPU6050 加速度计和陀螺仪传感器与 Arduino 连接

2023-10-31

MPU6050 加速度计和陀螺仪传感器与 Arduino 连接

前言

MPU6050是一款非常流行的加速度计陀螺仪芯片，具有六轴感应和 16 位测量分辨率。这种意义上的高精度和低廉的成本使其在 DIY 社区中非常受欢迎。甚至许多商业产品都配备了 MPU6050。陀螺仪和加速度计的组合通常被称为惯性测量单元或 IMU。

IMU 传感器用于各种应用，例如手机、平板电脑、卫星、航天器、无人机、无人机、机器人等。它们用于运动跟踪、方向和位置检测、飞行控制等。

MPU6050 模块引脚

MPU6050 模块共有 8 个引脚。其中至少需要 4 个引脚用于连接。MPU6050模块的管脚如下：
在这里插入图片描述 VCC==》为模块提供电源，连接到Arduino的5V引脚。

GND==》连接到 Arduino 的接地引脚。

SCL==》串行时钟用于为 I2C 通信提供时钟脉冲。

SDA==》串行数据用于通过 I2C 通信传输数据。

XDA==》辅助串行数据 - 可用于将其他 I2C 模块与 MPU6050 连接。

XCL==》辅助串行时钟 - 可用于将其他 I2C 模块与 MPU6050 连接。

ADD==》如果使用多个 MPU6050 模块，地址选择引脚。

INT==》中断引脚指示数据可供 MCU 读取。

MPU6050 模块组成

在这里插入图片描述 MPU6050 模块由 TDK InvenSense 的 MPU6050 IMU 芯片组成。它采用 24 引脚 QFN 封装，尺寸为 4mm x 4mm x 0.9mm。该模块的组件数量非常少，包括一个 AP2112K 3.3V 稳压器、I2C 上拉电阻和旁路电容。还有一个电源指示灯，指示模块的电源状态。

MPU6050陀螺仪传感器模块电路图

MPU6050模块原理图如下。如前所述，该板的组件数量非常少。功率部分围绕AP2112K-3.3稳压器设计。钽电容器和多层电容器提供了足够的滤波。带有限流电阻的 LED 用作电源指示灯。
在这里插入图片描述 MPU6050 电路非常简单。它由 MPU6050 芯片本身以及旁路电容和上拉电阻组成。

MPU6050模块如何工作？

MPU6050 是一种微机电系统 (MEMS)，内部包含一个 3 轴加速度计和 3 轴陀螺仪。这有助于我们测量系统或物体的加速度、速度、方向、位移和许多其他与运动相关的参数。该模块内部还有一个 (DMP) 数字运动处理器，该处理器功能强大，可以执行复杂的计算，从而腾出微控制器的工作量。
在这里插入图片描述该模块还有两个辅助引脚，可用于连接外部 IIC 模块，如磁力计，但它是可选的。由于模块的 IIC 地址是可配置的，因此可以使用 AD0 引脚将多个 MPU6050 传感器连接到微控制器。该模块还提供了有据可查和修订的库，因此它很容易与 Arduino 等著名平台一起使用。因此，如果您正在寻找一种传感器来控制您的遥控车、无人机、自平衡机器人、人形机器人、Biped 或类似设备的运动，那么该传感器可能是您的正确选择。

MEMS加速度计如何工作？

MEMS 加速度计用于需要测量线性运动（运动、冲击或振动）但没有固定基准的地方。它们测量它们所附着的任何物体的线性加速度。所有加速度计的工作原理都是弹簧上的质量，当它们附着的物体加速时，质量由于其惯性而想要保持静止，因此弹簧被拉伸或压缩，产生一个被检测到并对应的力施加的加速度。
在这里插入图片描述

在 MEMS 加速度计中，两个正交轴上的精确线性加速度检测是通过一对由弹簧“防护”质量形成的硅 MEMS 检测器实现的。每个质量块提供由交错的指状结构阵列形成的可变电容的移动板。当传感器沿其敏感轴受到线性加速度时，检测质量由于其惯性而趋于抵抗运动，因此质量及其指相对于固定电极指发生位移。手指之间的气体提供阻尼效果。这种位移会在移动和固定硅指之间产生一个差分电容，该电容与施加的加速度成正比。使用高分辨率 ADC 测量电容变化，然后根据电容变化率计算加速度。然后在 MPU6050 中将其转换为可读值，然后传输到 I2C 主设备。

MEMS陀螺仪如何工作？

MEMS 陀螺仪的工作基于科里奥利效应。科里奥利效应指出，当质量块以一定速度沿特定方向移动并对其施加外部角运动时，会产生力并导致质量块发生垂直位移。产生的力称为科里奥利力，这种现象称为科里奥利效应。位移速率将与所施加的角运动直接相关。

MEMS 陀螺仪包含一组四个质量块，并保持连续振荡运动。当施加角运动时，科里奥利效应会导致质量之间的电容发生变化，具体取决于角运动的轴。感测电容的这种变化，然后将其转换为读数。这是一个小动画，显示了这些质量块在应用不同轴的角运动时的运动。

在这里插入图片描述

常见问题

问：什么是 MPU6050？

MPU6050 是一个惯性测量单元或 IMU，具有三轴加速度计、三轴陀螺仪、数字运动处理器 (DMP) 和 16 位 ARC。

Q. MPU6050 采用什么技术？

MPU6050 是围绕微机电技术构建的，也称为 MEM。

Q. MPU6050可以倾斜测量角度吗？

是的，我们可以用 MPU6050 测量倾斜角度。

Arduino MPU6050 加速度计和陀螺仪传感器模块接口电路图

下图显示了 MPU6050 与 Arduino 接口的电路图。MPU6050 使用 I2C 模块进行通信。由于 I2C 引脚可承受 5V 电压，因此我们可以将它们与 Arduino 一起使用，而无需任何电平转换器。SCL 引脚连接到 Arduino 的 SCL 引脚 (A5)。同样，SDA 引脚连接到 Arduino 的 SDA 引脚（A4）。
在这里插入图片描述

Arduino MPU6050 模块代码

在本例中，我们将从 MPU6050 模块读取加速度计、陀螺仪和温度数据，并将其打印到串行监视器上。首先，我们需要安装必要的库。要安装库，请在 Arduino IDE 中打开库管理器。然后搜索并安装以下库：Adafruit MPU6050 库、Adafruit Unified Sensor Library和Adafruit Bus IO Library。完成后，创建一个新草图并将代码粘贴到其中。然后编译并上传到Arduino。上传后，打开串行监视器，读数将显示在那里。

在开始时，我们已经包含了 Adafruit MPU6050 库、Adafruit Sensor 库和 wire 库，它们是与 MPU6050 通信和获取读数所必需的。然后我们创建了一个名为 mpu 的新实例，它将用于从 MPU6050 IMU 获取读数。

#include <Adafruit_MPU6050.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Wire.h>
Adafruit_MPU6050 mpu;

在setup函数中，我们已经初始化了串口通信和 MPU6050 IMU。然后设置加速度计范围、陀螺仪范围和滤波器带宽参数。量程参数会影响读数的准确性。因此，如果需要，可以根据库值更改这些值。setFilterBandwidth 参数将改变低通滤波器的带宽。

void setup(void) {
  Serial.begin(115200);
  // Initializethe MPU6050 IMU
  if (!mpu.begin()) {
    Serial.println("Failed to find MPU6050 chip");
    while (1) {
      delay(10);
    }
  }
  Serial.println("MPU6050 Found!");
  // set accelerometer range to +-8G
  mpu.setAccelerometerRange(MPU6050_RANGE_8_G);
  // set gyro range to +- 500 deg/s
  mpu.setGyroRange(MPU6050_RANGE_500_DEG);
  // set filter bandwidth to 21 Hz
  mpu.setFilterBandwidth(MPU6050_BAND_21_HZ);
  delay(100);
}

在循环函数中，在 Adafruit 库的帮助下从 MPU6050 读取值，然后打印到串行监视器。这将每秒重复一次。

void loop() {
  /* Get new sensor events with the readings */
  sensors_event_t a, g, temp;
  mpu.getEvent(&a, &g, &temp);
  /* Print out the readings */
  Serial.print("Acceleration X: ");
  Serial.print(a.acceleration.x);
  Serial.print(", Y: ");
  Serial.print(a.acceleration.y);
  Serial.print(", Z: ");
  Serial.print(a.acceleration.z);
  Serial.println(" m/s^2");
  Serial.print("Rotation X: ");
  Serial.print(g.gyro.x);
  Serial.print(", Y: ");
  Serial.print(g.gyro.y);
  Serial.print(", Z: ");
  Serial.print(g.gyro.z);
  Serial.println(" rad/s");
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(temp.temperature);
  Serial.println(" degC");
  Serial.println("");
  delay(1000);
}

MPU6050 连接Arduino 测试

下面的 GIF 显示了我们如何将 MPU6050 与 Arduino 连接。您可以看到，当模块旋转时，值的变化取决于旋转轴。
在这里插入图片描述

Arduino代码

#include <Adafruit_MPU6050.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Wire.h>
Adafruit_MPU6050 mpu;
void setup(void) {
  Serial.begin(115200);
  // Try to initialize!
  if (!mpu.begin()) {
    Serial.println("Failed to find MPU6050 chip");
    while (1) {
      delay(10);
    }
  }
  Serial.println("MPU6050 Found!");
  // set accelerometer range to +-8G
  mpu.setAccelerometerRange(MPU6050_RANGE_8_G);
  // set gyro range to +- 500 deg/s
  mpu.setGyroRange(MPU6050_RANGE_500_DEG);
  // set filter bandwidth to 21 Hz
  mpu.setFilterBandwidth(MPU6050_BAND_21_HZ);
  delay(100);
}
void loop() {
  /* Get new sensor events with the readings */
  sensors_event_t a, g, temp;
  mpu.getEvent(&a, &g, &temp);
  /* Print out the readings */
  Serial.print("Acceleration X: ");
  Serial.print(a.acceleration.x);
  Serial.print(", Y: ");
  Serial.print(a.acceleration.y);
  Serial.print(", Z: ");
  Serial.print(a.acceleration.z);
  Serial.println(" m/s^2");
  Serial.print("Rotation X: ");
  Serial.print(g.gyro.x);
  Serial.print(", Y: ");
  Serial.print(g.gyro.y);
  Serial.print(", Z: ");
  Serial.print(g.gyro.z);
  Serial.println(" rad/s");
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(temp.temperature);
  Serial.println(" degC");
  Serial.println("");
  delay(1000);
}

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