Подключение mpu 9520 к arduino. Подключаем к Arduino акселерометр MMA7361. Схема подключения акселерометра к Arduino

После выхода iPhone 4 многие много внимания было уделено новому дисплею, корпусу и прочим важным вещам. И лишь мимоходом отметили замену акселерометров на гироскопы для улучшения управления в играх. В своей статье для «Компьютерного обозрения» я отметил этот момент, в следствие чего даже консультировал одного из читателей. Почему бы не уделить этому моменту внимание и не разобраться зачем одни датчики были заменены на другие и чем они собственно отличаются?

Начнем с того, что и акселерометры и гироскопы являются инерционными датчиками. Акселерометры (лат. accelero - ускоряю и?????? - измеряю) - приборы, предназначенные для имерения проекции кажущегося ускорения.

Простейшая модель акселлерометра

В данном случае русская Википедия дает на удивление неплохое определение . В случае с мобильными телефонами датчики реагировали на изменение вектора ускорения свободного падения и все последующие действия исходили из этого.

Условная схема определения положения устройства в пространстве с применением двух акселлерометров

Точность в результате была довольно низкой, так как угол поворота устройства в пространстве напрямую измерить таким образом невозможно, лишь примерно оценить. На практике это выражалось в задумчивости поворота экранов, ложных срабатываниях и т.д. Какие же преимущества дает гироскоп и чем он собственно отличается?

Определение на Вики настолько далеко от общего, что обратимся к первоисточнику.

Впервые определение гироскопу дал Леон Фуко, назвавший так свой прибор, с помощью которого он наблюдал суточное вращение Земли. В Большой Советской Энциклопедии приводится следующее «Гироскоп - быстро вращающееся твердое тело, ось которого может изменять свое направление в пространстве». В современных гироскопах могут происходить разнообразные физические процессы, не обязательно основанные на вращении твердого тела. Хотя и классические гироскопы все еще применяются.

Примеры гироскопов. Банальный волчок по своей природе является гироскопом.

Примером классического гироскопа является ротор в кардановом подвесе. При вращении ротора он будет сохранять неизменным свое положение в пространстве независимо от движения основания. Таким образом можно измерять угол поворота основания, а соответственно и корабля/самолета etc. Именно по гирокомпасам ходят суда и летают самолеты, не полагаясь на примерные показания магнитного компаса, особенно в полярных широтах, а данные о положении самолета в пространстве получаются с гировертикали и гирогоризонта.

Естественно, классический гироскоп не может применяться в электронике. Для этого используются вибрационные микромеханические гироскопы - датчики угловой скорости. Чувствительный элемент таких приборов закреплен, при попытке его поворота возникает кориолисова сила, пропорциональная угловой скорости. Не вдаваясь в подробности работы, которые вряд ли будут кому-то интересны скажем, что выходным сигналом ДУС является напряжение, пропорциональное угловой скорости. Такие датчики имеют небольшие габариты (около 10x10x2 мм) и могут быть легко интегрированы в печатную плату.

Мировым лидером в производстве таких датчиков является компания Analog Devices , датчик которой изображен на рисунке. Можно с большой долей вероятности утверждать, что именно датчики этой компании установлены в iPhone 4.

Преимущества очевидны. В любой момент времени можно знать положение телефона в пространстве. В играх для управления можно использовать не только поворот устройства, но и скорость поворота, что позволяет организовать более точное и реалистичное управление.

Надеюсь, этот небольшой экскурс в теорию и практику гироскопов вас не утомил, а лишь еще раз подчеркнул, что современный мобильный телефон крайне сложное устройство, в котором применяются технологии ранее доступные только авиационной и космической промышленности. А мы тем временем не брезгуем ими открывать пивные бутылки.

Изображения датчиков взяты с сайта представительства Analog Devices в СНГ и странах Балтии

Outputs of X,Y,Z axis are connected directly to analog inputs of Arduino.

R1 is 2.7k resistor, while R2 is variable 10k resistor. Please adjust R2 to have 3.0 V output at LM317 before connecting ADXL335 board. Connect the board and adjust again, because output voltage will drop since load is connected. If readings of the acceleration are unstable please connect additional capacitor between VSS and COM.

An accelerometer can be used not only measure acceleration, but also orientation. It’s because accelerometer sense the force of gravity which is pointed to the center of earth.

This is how sensing axis are orientated to ADXL335 (images from ADXL335 datasheet)

Readings from X,Y,Z axis reflects an orientation of an accelerometer.

Акселерометры используют для определения вектора ускорения. Акселерометр ADXL335 имеет три оси, и благодаря этому он может определять вектор ускорения в трёхмерном пространстве.

Ввиду того, что сила земного притяжения - это тоже вектор, мы можем определять ориентацию акселерометра в трёхмерном пространстве относительно центра Земли.

На иллюстрации приведены рисунки из паспорта на акселерометр ADXL335 . Здесь изображены координатные оси чувствительности акселерометра по отношению к геометрическому размещению корпуса устройства в пространстве, а также значения ускорений, принимаемые с 3-х каналов акселерометра в зависимости от его ориентации в пространстве. Данные приводятся для находящегося в состоянии покоя датчика, на который действует только сила земного тяготения.

Рассмотрим подробнее, что же показывает нам акселерометр. Пусть датчик лежит горизонтально, например, на столе. Тогда проекция вектора ускорения будет равна "1g" по оси Z, или Z out = 1g. По остальным двум осям будут нули: X out = 0 и Y out = 0. При повороте датчика «на спину», он будет направлен в противоположную сторону относительно вектора силы тяжести, т.е. Z out = −1g. Аналогично измерения снимаются по всем трём осям. Понятно, что акселерометр может быть расположен как угодно в пространстве, поэтому со всех трёх каналов мы будем снимать отличные от нуля показания.

Если датчик сильно тряхнуть вдоль вертикальной оси Z, то значение Z out будет больше, чем "1g". Максимальное измеряемое ускорение составляет "±3g" по каждой из осей («плюс» и «минус» тут обозначают направление ускорения).

Думаю, с принципом работы акселерометра разобрались. Теперь рассмотрим схему подключения.

2 Схема подключения акселерометра к Arduino

Чип аналогового акселерометра ADXL335 довольно мелкий и помещён в BGA корпус, и в домашних условиях его сложно смонтировать на плату. Поэтому я буду использовать готовый модуль GY-61 с акселерометром ADXL335 .

Для питания акселерометра необходимо подать на вывод VCC модуля напряжение +3,3 В . Измерительные каналы датчика подключаются к аналоговым выводам Arduino, например, "A0", "A1" и "A2". Это вся схема:)

3 Калибровка аналогового акселерометра ADXL335

Arduino имеет 10-разрядный АЦП, а максимальное допустимое напряжение на выводе - 5 вольт. Измеренные напряжения кодируются битами, которые могут принимать только 2 значения - 0 или 1. Это значит, что весь диапазон измерений будет поделён на (1+1) 10 , т.е. на 1024 равных отрезка. Для того чтобы перевести снимаемые показания в вольты, нужно каждое измеренное на аналоговом входе значение поделить на 1024 (отрезка), а затем умножить на 5 (вольт).

Загрузим вот такой скетч в память Arduino. Будем считывать с аналоговых входов показания по трём каналам, преобразовывать их в напряжение и выводить в последовательный порт.

//определяем аналоговые пины: const int xPin = A0; const int yPin = A1; const int zPin = A2; void setup() { //инициализируем послед. порт: Serial.begin(9600); } void loop() { // считываем показания: int xRead = analogRead(xPin); int yRead = analogRead(yPin); int zRead = analogRead(zPin); //Выводим показания в порт в Вольтах: Serial.print("x: "); Serial.print(xRead * 5 / 1024.0); Serial.print(" | y: "); Serial.print(yRead * 5 / 1024.0); Serial.print(" | z: "); Serial.println(zRead * 5 / 1024.0); delay(100); //задержка 100 мс }

Посмотрим, что же реально приходит с акселерометра на примере оси Z (см. последний столбец на иллюстрации). Когда датчик расположен горизонтально и смотрит вверх, приходят числа (2,03±0,01). Это должно соответствовать ускорению "1g" по оси Z и углу 0° согласно паспорту на ADXL335. Перевернём датчик. Приходят числа (1,69±0,01), что должно соответствовать "−1g" и углу 180°.

4 Определение ускорений по трём осям акселерометра

Снимем значения с акселерометра при углах 90° и 270° и занесём в таблицу. Таблица показывает углы поворота акселерометра (столбец "A") и соответствующие им значения Z out в вольтах (столбец "B").

Для наглядности приведён график напряжений на выходе Z out в зависимости от угла поворота. Голубое поле - это область значений в спокойном состоянии (при ускорении 1g). Розовое поле на графике - это запас для того чтобы мы могли измерять ускорение до +3g и до −3g.

При угле поворота 90° на ось Z приходится нулевое ускорение. Т.е. значение 1,67 вольт - это условный ноль Z 0 . Тогда определим ускорение так: g = Z out - Z 0 / S z , здесь Z out - измеренное значение в милливольтах, Z 0 - значение при нулевом ускорении в милливольтах, S z - чувствительность датчика по оси Z, измеренная в мВ/g.

Чувствительность акселерометра приведена в паспорте и равна в среднем 300 мВ/g или 0,3 В/g, но вообще лучше провести калибровку акселерометра и вычислить значение чувствительности конкретно для вашего датчика по формуле: S z = Z(0°) - Z(90°) В данном случае чувствительность акселерометра по оси Z = 2,03 - 1,68 = 0,35 В/g. Аналогично чувствительность нужно будет посчитать для осей X и Y.

В столбце "С" таблицы приводится расчётное ускорение при чувствительности, равной 350 мВ/g. Как видно, расчёты практически совпадают с номинальными величинами, которые даются на первом рисунке из паспорта на датчик ADXL335, т.е. наш датчик довольно точно показывает свою ориентацию в пространстве (я показал это просто для самопроверки, дальше это не пригодится).

5 Определение углов поворота акселерометра

Вспомнив базовый курс школьной геометрии, выведем формулу для вычисления углов поворота акселерометра: angle_X = arctg[ √(G z 2 + G y 2) / G x ]. Значения получаются в радианах. Чтобы перевести радианы в градусы, поделим результат на число π и умножим на 180°.

В итоге полный скетч, вычисляющий ускорения и углы поворота акселерометра по всем осям, приведён на врезке. В комментариях даны пояснения к коду программы.

Const int xPin = A0; //определяем аналоговые пины, const int yPin = A1; //к которым подключим const int zPin = A2; //три канала акселерометра const float Vmax = 5.0; //макс. допустимое напряжение на аналоговом входе const float x0 = 1.71; //значения по осям при нулевых "g"; const float y0 = 1.69; //эти значения вы должны определить const float z0 = 1.68; //самостоятельно (см.шаг 4) const float sens_x = 0.35; //чувствительность по осям в В/g; const float sens_y = 0.35; //эти значения вы должны определить const float sens_z = 0.35; //самостоятельно (см.шаг 4) void setup() { Serial.begin(9600); //инициализация последовательного порта } void loop() { unsigned int value_x = analogRead(xPin); //считываем значения с акселерометра unsigned int value_y = analogRead(yPin); unsigned int value_z = analogRead(zPin); float Gx=(value_x*Vmax/1024.0 − x0)/sens_x; //определяем ускорения по осям float Gy=(value_y*Vmax/1024.0 − y0)/sens_y; float Gz=(value_z*Vmax/1024.0 − z0)/sens_z; Serial.print("Gx:\t" + String(Gx)); //выводим ускорения в послед. порт Serial.print("\t| Gy:\t" + String(Gy)); Serial.println("\t| Gz:\t" + String(Gz)); float angle_x = atan(sqrt(Gz*Gz + Gy*Gy) / Gx)*180 / PI; //ищем углы поворота float angle_y = atan(sqrt(Gx*Gx + Gz*Gz) / Gy)*180 / PI; float angle_z = atan(sqrt(Gx*Gx + Gy*Gy) / Gz)*180 / PI; Serial.print("x:\t" + String(round(angle_x))); //выводим углы поворота акселерометра Serial.print("o\t| y:\t" + String(round(angle_y))); Serial.println("o\t| z:\t" + String(round(angle_z)) + "o"); Serial.println(); delay(500); }

При выводе в порт Serial.print() символ \t обозначает знак табуляции, чтобы столбцы были ровные, и значения располагались друг под другом. Символ + означает конкатенацию (объединение) нескольких строк. Оператор String() явно указывает компилятору, что численное значение нужно преобразовать в строку. Оператор round() округляет угол с точностью до 1°.

Итак, мы с вами научились снимать и обрабатывать данные с аналогового акселерометра ADXL335 при помощи Arduino.

Определите «нулевые» значения напряжений и чувствительности по осям X, Y и Z для вашего датчика с помощью скетча, описанного в разделе «Калибровка аналогового акселерометра ADXL335». Иначе углы и ускорения будут вычисляться со значительными ошибками.

Новые статьи

● Проект 24: 3-осевой гироскоп + акселерометр на примере GY-521

В этом эксперименте мы познакомимся с акселерометром и гироскопом и будем с помощью Arduino получать показания с этих датчиков.

Необходимые компоненты:

Модуль GY-521 на микросхеме MPU6050 содержит гироскоп, акселерометр и температурный сенсор. На плате модуля GY-521 расположена необходимая обвязка MPU6050, в том числе подтягивающие резисторы, стабилизатор напряжения на 3,3 В с малым падением напряжения с фильтрующими конденсаторами. Обмен с микроконтроллером осуществляется по шине I2C.

Гироскоп представляет собой устройство, реагирующее на изменение углов ориентации контролируемого тела. Акселерометр - это устройство, которое измеряет проекцию кажущегося ускорения, то есть разницы между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением.
Схема соединений платы GY-521 к Arduino показана на рис. 24.1.

Рис. 24.1. Схема соединения GY-521 к Arduino

// подключение библиотек #include "I2Cdev.h" #include "MPU6050.h" #include "Wire.h" MPU6050 accelgyro; int16_t ax, ay, az; int16_t gx, gy, gz; void setup () { } Wire.begin(); Serial.begin(38400 ); // инициализация Serial.println("Initializing I2C devices..." ); accelgyro.initialize(); delay(100 ); } void loop () { // чтение значений гироскопа и акселерометра accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); // вывод значений в монитор Serial.print("a/g:\t" ); Serial.print(ax); Serial.print("\t" ); Serial.print(ay); Serial.print("\t" ); Serial.print(az); Serial.print("\t" ); Serial.print(gx); Serial.print("\t" ); Serial.print(gy); Serial.print("\t" ); Serial.println(gz); }
Порядок подключения:

1. Подключаем плату GY521 к плате Arduino по схеме на рис. 24.1.
2. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 24.1.
3. Открываем монитор последовательного порта Arduino IDE и смотрим вывод данных гироскопа и акселерометра (см. рис. 24.2).
4. При поворотах датчика данные изменяются.

Рис. 24.2. Вывод данных гироскопа и акселерометра в монитор Arduino IDE

Самой необходимой деталью для нашей установки является акселерометр. На просторах сети имеется множество предложения для Arduino в части акселерометров и самый доступный - это трех-осевой акселерометр MMA7260. В продаже он уже поставляется на плате, где уже имеется стабилизатор 3,3в 800мА для питания. На выходах осей X, Y, Z распаяны фильтры в виде RC-цепочек, а также сам он имеет фильтр низких частот (что не очень заметно при первом знакомстве).

В соответствии с документацией на устройство, имеется возможность выбора чувствительности (4 режима), а также включение и выключения режима сна. Настройка чувствительности датчика осуществляется с помощью входов G1 и G2. Максимальный уровень чувствительности 1.5g (00), минимальный 6g (11).

Схема подключения

Первоначально данную схему можно собрать на макетной плате, после чего можно распаять длинные проводки. Перемычки ставятся на контактную площадку 3х2, где крайние левые два контакта 3.3в, центральные G1 и G2 соответственно, а крайние правые контакты «земля».

В результате после сборки получается следующая конструкция:

Подключение трехстепенной платформы к Arduino осуществляется на три выхода с поддержкой ШИМ, а входы от датчика положения на три аналоговых входа A0...A2. Пример подключения узлов к Arduino:

Программирование

1. int x, y, z;
2. // Калибровка датчика
3. int dx=357;
4. int dy=385;
5. int dz=178;
6. void setup()
7. Serial.begin(9600);
8. void loop()
9. // Значения осей с датчика
10. x = analogRead(A0) - dx;
11. y = analogRead(A1) - dy;
12. z = analogRead(A2) - dz;
13. // Вывод в Serial monitor
14. Serial.print("X: " );
15. Serial.print(x);
16. Serial.print("Y:" );
17. Serial.print(y);
18. Serial.print("Z:" );
19. Serial.println(z);
20. //Период опроса
21. delay(100);

Тестирование

Данные измерения необходимо делать на минимальной чувствительности или близкой к ней, чтобы исключить лишние показания при ударах стала или любые другие воздействия.

До проведения калибровки датчик выдавал следующие значения:

По графику видно, что завяленные фильтры низких частот работают довольно странно, так как шумят оси очень сильно. Для подавления шума необходимо или писать свой фильтр низких частот или нормировать шкалу измерений к меньшей (в случае с сервоприводами шум частично подавляется таким методом).

В результате полученных измерений были получены следующие поправки:

• dx = 357
• dy = 385
• dz = 178

В таком виде уже можно использовать показания датчика в своих проектах.

Результат

UPD. Программная фильтрация сигнала осуществляется по алгоритму, представленному в википедии :

function lowpass(real x, real dt, real RC)
var real y
var real α:= dt / (RC + dt)
y := x
for i from 1 to n
y[i] := α * x[i] + (1-α) * y
return y

* This source code was highlighted with Source Code Highlighter .

for i from 1 to n
y[i] := y + α * (x[i] - y)

* This source code was highlighted with Source Code Highlighter .

Инструкция

Акселерометры используют для определения вектора ускорения. Акселерометр ADXL335 имеет три оси, и благодаря этому он может определять вектор ускорения в трёхмерном пространстве. Ввиду того, что сила земного притяжения - это тоже вектор, то акселерометр может определять свою собственную ориентацию в трёхмерном пространстве относительно центра Земли.
На иллюстрации приведены рисунки из паспорта (http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXL335.pdf) на акселерометр ADXL335. Здесь изображены координатные оси чувствительности акселерометра по отношению к геометрическому размещению корпуса устройства в пространстве, а также таблица значений напряжения с 3-х каналов акселерометра в зависимости от его ориентации в пространстве. Данные в таблице приводятся для находящегося в состоянии покоя датчика.
Рассмотрим подробнее, что же показывает нам акселерометр. Пусть датчик лежит горизонтально, например, на столе. Тогда проекция вектора ускорения будет равна 1g по оси Z, или Zout = 1g. По остальным двум осям будут нули: Xout = 0 и Yout = 0. При повороте датчика "на спину", он будет направлен в противоположную сторону относительно вектора силы тяжести, т.е. Zout = -1g. Аналогично измерения снимаются по всем трём осям. Понятно, что акселерометр может быть расположен как угодно в пространстве, поэтому со всех трёх каналов мы будем снимать отличные от нуля показания.
Если датчик сильно тряхнуть вдоль вертикальной оси Z, то значение Zout будет больше, чем "1g". Максимальное измеряемое ускорение - "3g" по каждой из осей в любом из направлений (т.е. как с "плюсом", так и с "минусом").

Думаю, с принципом работы акселерометра разобрались. Теперь рассмотрим схему подключения.
Чип аналогового акселерометра ADXL335 довольно мелкий и помещён в BGA корпус, и в домашних условиях его сложно смонтировать на плату. Поэтому я буду использовать готовый модуль GY-61 с акселерометром ADXL335. Такие модули в китайских интернет-магазинах стоят практически копейки.
Для питания акселерометра необходимо подать на вывод VCC модуля напряжение +3,3 В. Измерительные каналы датчика подключаются к аналоговым выводам Arduino, например, "A0", "A1" и "A2". Это вся схема:)

Загрузим вот такой скетч в память Arduino. Будем считывать с аналоговых входов показания по трём каналам, преобразовывать их в напряжение и выводить их в последовательный порт.
Arduino имеет 10-разрядный АЦП, а максимальное допустимое напряжение на выводе - 5 вольт. Измеренные напряжения кодируются битами, которые могут принимать только 2 значения - 0 или 1. Это значит, что весь диапазон измерений будет поделён на (1+1) в 10-ой степени, т.е. на 1024 равных отрезка.
Для того чтобы перевести снимаемые показания в вольты, нужно каждое измеренное на аналоговом входе значение поделить на 1024 (отрезка), а затем умножить на 5 (вольт).
Посмотрим, что же реально приходит с акселерометра на примере оси Z (последний столбец). Когда датчик расположен горизонтально и смотрит вверх, приходят числа (2,03 +/-0,01). Значит, это должно соответствовать ускорению "+1g" по оси Z и углу 0 градусов. Перевернём датчик. Приходят числа (1,69 +/-0,01), что должно соответствовать "-1g" и углу 180 градусов.

Снимем значения с акселерометра при углах 90 и 270 градусов и занесём в таблицу. Таблица показывает углы поворота акселерометра (столбец "A") и соответствующие им значения Zout в вольтах (столбец "B").
Для наглядности приведён график напряжений на выходе Zout в зависимости от угла поворота. Голубое поле - это область значений в спокойном состоянии (при ускорении 1g). Розовое поле на графике - это запас для того чтобы мы могли измерять ускорение до +3g и до -3g.
При повороте 90 градусов на ось Z приходится нулевое ускорение. Т.е. значение 1,67 вольт - это условный ноль Zo для оси Z. Тогда найти ускорение можно так:
g = Zout - Zo / sensitivity_z, здесь Zout - измеренное значение в милливольтах, Zo - значение при нулевом ускорении в милливольтах, sensitivity_z - чувствительность датчика по оси Z. Чувствительность приведена в паспорте и равна в среднем 300 мВ/g, но вообще лучше провести калибровку акселерометра и вычислить значение чувствительности конкретно для вашего датчика по формуле:
sensitivity_z = * 1000. В данном случае чувствительность акселерометра по оси Z = (2,03 - 1,68)*1000 = 350 мВ. Аналогично чувствительность нужно будет посчитать для осей X и Y.
В столбце "С" таблицы приводится ускорение, вычисленное для пяти углов при чувствительности, равной 350. Как видно, они практически совпадают с теми, которые показаны на рисунке 1.

Вспомнив базовый курс геометрии, получим формулу для вычисления углов поворота акселерометра:
angle_X = arctg[ sqrt(Gz^2 + Gy^2) / Gx ].
Значения получаются в радианах. Чтобы перевести их в градусы, поделим на число "Пи" и умножим на 180.
В итоге полный скетч, вычисляющий ускорения и углы поворота акселерометра по всем осям, приведён на иллюстрации. В комментариях даны пояснения к коду программы.
При выводе в порт "Serial.print()" символ "\t" обозначает знак табуляции, чтобы столбцы были ровные и значения располагались друг под другом. "+" означает конкатенацию (соединение) строк. Причём оператор "String()" явно указывает компилятору, что численное значение нужно преобразовать в строку. Оператор "round()" округляет угол с точностью до 1 градуса.

Итак, мы с вами научились снимать и обрабатывать данные с аналогового акселерометра ADXL335 при помощи Arduino. Теперь мы можем использовать акселерометр в своих разработках.