基于CW32系列MCU的MPU6050姿态传感器设计

2023-09-27

一、简介
1.MPU6050是一种常用的六轴姿态传感器模块,结合了三轴陀螺仪和三轴加速度计,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor),可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器,比如磁力计。MPU6050 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC(0~65535),将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动,传感器的测量范围都是用户可控的,陀螺仪可测范围为±250,±500,±1000,±2000°/秒(dps),加速度计可测范围为±2,±4,±8,±16g。并有可编程的低通滤波器。MPU6050模块的应用场景非常广泛,包括但不限于以下几个领域>
(1)姿态感知与控制:通过读取陀螺仪和加速度计的数据,可以实时获取物体的姿态信息,如倾斜角度、旋转角度等。这在飞行器、机器人、无人车等项目中非常常见,用于实现姿态感知和控制。
(2)运动跟踪与手势识别:MPU6050可以用于捕捉人体运动轨迹,如手部的姿态和手势,从而实现运动跟踪、手势识别、虚拟现实交互等应用。
(3)震动检测与防抖:结合加速度计,MPU6050可以检测到物体的震动和冲击,用于防抖技术、硬盘保护、运动检测等。
(4)步态分析与健康监测:MPU6050可以用于分析人体的步态特征和动作,用于健康监测、运动分析、姿势校正等。
二、所需物料+寄存器说明
.本实验使用到了CW32F030C8小蓝板、GY-521模块、0.96寸OLED显示屏Keil5开发环境,基于CW32系列MCU的MPU6050姿态传感器设计 (https://ic.work/) 传感器 第1张
实物展示,【GY-521模块与单片机连线】:VCC<–>+3.3V,GND<–>GND,SCL<–>PB5,SDA<–>PB4,【OLED显示屏与单片机连线】:VCC<–>+3.3V,GND<–>GND,SCL<–>PA1,SDA<–>PA2,注:SCL和 SDA是连接MCU的 IIC接口,MCU通过这个IIC 接口来控制MPU6050,另外还有一个 IIC 接口: XCL和XDA ,这个接口可用来连外部从设备比如磁力计,这样就可以组成一个九轴传感器。AD0是MPU6050的地址控制引脚,该引脚控制的是IIC 地址的最低位。MPU6050的默认IIC地址是:0X68,如果AD0接VDD,则是0X69。需要注意的是:这里的地址0x68(110 1000)和0x69(110 1001)是不包含最低位的7位数据,通常最低位用于表示IIC主机的读取数据/写数据模式。如默认情况下对MPU6050进行写操作,则发送地址0xD0(1101 0000),读操作则发送地址0xD1(1101 0001)。
寄存器说明:
基于CW32系列MCU的MPU6050姿态传感器设计 (https://ic.work/) 传感器 第2张
该寄存器是配置陀螺仪输出速率的分频器,用于为MPU-6050生成采样速率。这里有个公式:采样频率=陀螺仪输出频率/(1+采样分频数)。当 DLPF(数字低通滤波器,见寄存器Configuration)禁用时,陀螺仪输出频率为8kHz;当 DLPF 使能,陀螺仪输出频率=1KHz。
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该寄存器为陀螺仪和加速度计配置外部帧同步(FSYNC) 管脚的采样和数字低通滤波(DLPF)设置。其中,数字低通滤波器DLPF由DLPF_CFG配置。根据下表所示的DLPF_CFG值对加速度计和陀螺仪进行滤波。
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FS为陀螺仪输出频率。SMPLRT_DIV由预设定的采样频率根据上述的公式计算得出。一般情况下,DPLF滤波频率为采样频率的一半,如设定采样频率为50Hz,由表可知当FS为1kHz,SMPLRT_DIV的值为1000/50-1=19。
基于CW32系列MCU的MPU6050姿态传感器设计 (https://ic.work/) 传感器 第4张
该寄存器是用来触发陀螺仪自检和配置陀螺仪的满量程范围。其中,XG_ST、YG_ST、ZG_ST分别用来设置陀螺仪X轴、Y轴、Z轴自检,置0则不触发自检。FS_SEL[1:0]用于设置陀螺仪的满量程,如下表>
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我们一般设置为3,即满量程为±2000°/s,基于CW32系列MCU的MPU6050姿态传感器设计 (https://ic.work/) 传感器 第7张
该寄存器是用来触发加速度计自检和配置加速度计的满量程范围。同时这个寄存器也可以用于配置数字高通滤波器(DHPF)。其中,XA_ST、YA_ST、ZA_ST分别用来设置加速度计X轴、Y轴、Z轴自检,置0则不触发自检。AFS_SEL[1:0]用于选择加速度计的满量程范围,如下表>
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我们一般设置为0,即满量程为±2g,基于CW32系列MCU的MPU6050姿态传感器设计 (https://ic.work/) 传感器 第9张
ACCEL_XOUT :由 2部分组成的 16位数值存储最近X 轴加速度计的测量值。ACCEL_YOUT :由 2部分组成的 16位数值存储最近Y 轴加速度计的测量值。ACCEL_ZOUT :由 2部分组成的 16位数值存储最近Z 轴加速度计的测量值。
以ACCEL_XOUT为例,若倍率设定为2g,则意味着ACC_X取最小值-32768时,当前加速度为沿X轴正方向2倍的重力加速度;若设定为4g,取-32768时表示沿X轴正方向4倍的重力加速度,以此类推。显然,倍率越低精度越好,倍率越高表示的范围越大,这要根据具体的应用来设定。以ACC_X为例,若当前设定的加速度倍率为4g,那么将ACC_X读数换算为加速度的公式为>
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g可取当地重力加速度。
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该寄存器存储最近加陀螺仪的测量值,构成与加速度计测量值寄存器相同,不做赘述。
以GYR_X为例,若倍率设定为250度/秒,则意味着GYR取正最大值32768时,当前角速度为顺时针250度/秒;若设定为500度/秒,取32768时表示当前角速度为顺时针500度/秒。显然,倍率越低精度越好,倍率越高表示的范围越大。以GYR_X为例,若当前设定的角速度倍率为1000度/秒,那么将GRY_X读数换算为角速度(顺时针)的公式为>
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该寄存器允许用户配置电源模式和时钟源,还提供了复位整个设备和禁用温度传感器的位。当置SLEEP位为1时,MPU-60X0 可以进入低功耗睡眠模式。该寄存器的最低三位用于设置系统的时钟源选择,默认值是0(内部8M RC振荡),不过一般设置为1,即选择x轴陀螺仪PLL作为时钟源,以获得更高精度的时钟。DEVICE_RESET该位置 1,重启内部寄存器到默认值。复位完成后该位自动清0。TEMP_DIS该位置 1,禁用温度传感器。
三、核心代码
四、效果演示
读到的原始数据还不能直接使用,要转化成四元数,欧拉角后,获得器件的姿态角才有用,而 MPU6050 自带了数字运动处理器,即 DMP,并且,InvenSense 提供了一个 MPU6050 的嵌入式运动驱动库,结合 MPU6050 的 DMP,可以将我们的原始数据,直接转换成四元数输出,而得到四元数之后,就可以很方便的计算出欧拉角,从而得到yaw、roll和pitch。

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