基于CW32系列MCU的MPU6050姿态传感器设计

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
cw32f030c8小蓝板
gy-521模块
实物展示
【gy-521模块与单片机连线】：vcc+3.3v
gndgnd
sclpb5
sdapb4
【oled显示屏与单片机连线】：vcc+3.3v
gndgnd
sclpa1
sdapa2
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：
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。
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。
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。
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：
我们一般设置为3，即满量程为±2000°/s
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：
我们一般设置为0，即满量程为±2g
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：
g可取当地重力加速度。
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：
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
main.c:#include main.h#include oled.h#include gy_521.h#include myi2c.h#include delay.htypedef struct{ int16_t ax; int16_t ay; int16_t az; }mpu6050_adata; //mpu6050加速度计三轴数据typedef struct{ int16_t gx; int16_t gy; int16_t gz; }mpu6050_gdata; //mpu6050陀螺仪三轴数据mpu6050_adata adata; //结构体变量mpu6050_gdata gdata;void gy_521_init(void) //gy-521初始化{ gy521_gpio_init(); //gpio初始化 //解除睡眠，失能温度传感器，选择x轴的陀螺仪时钟 writedata(gy521_addr, mpu6050_pwr_mgmt_1, 0x09); writedata(gy521_addr, mpu6050_config, 0x06); //低通滤波 writedata(gy521_addr, mpu6050_smprt_div, 0x09); //1khz十分频为100hz writedata(gy521_addr, mpu6050_gyro_config, 0x18);//陀螺仪最大量程 writedata(gy521_addr, mpu6050_accel_config, 0x18);//加速度计最大量程}void mpu6050_getdata() //获取mpu6050六轴数据{ uint8_t mpu6050_raw_data[14]={0}; //以mpu6050_accel_xout_h为起始地址，连续读取14字节的数据 readdata(gy521_addr,mpu6050_accel_xout_h,mpu6050_raw_data,14); //数据处理 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：左列显示加速度计数据；右列显示陀螺仪数据 while(1) { mpu6050_getdata(); //获取六轴数据 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); //延时刷新 }}
四、效果演示
平放
向下倾斜
左倾斜向
直立
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。