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

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：

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.h"


typedef 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。

审核编辑：汤梓红