STM32F407单片机编程入门：MPU6050陀螺仪传感器详解及实战源码
STM32F407单片机编程入门：MPU6050陀螺仪传感器详解及实战源码
**MPU6050是一种非常重要的传感器，被广泛应用于无人机、机器人、智能手机、平板电脑、可穿戴设备等领域。本文将详细介绍MPU6050的原理、使用方法和实战源码，帮助读者掌握STM32单片机驱动MPU6050的技术。
一.概要
MPU6050就是一种非常重要的传感器，被广泛应用于无人机、机器人、智能手机、平板电脑、可穿戴设备等领域。
MPU6050是一款功能强大的六轴运动跟踪传感器，适用于各类物体加速度与角速度的精确测量。
集成了三轴加速度计与三轴陀螺仪，并通过I2C接口与微控制器实现通信。在使用MPU6050之前，需进行一系列预处理步骤，包括初始化配置、校准操作及数据滤波等。
平衡车和无人机在内部都用到陀螺仪传感器和加速度计传感器，用来检测车体的姿态以及运动时发生的变化，再通过各方面的共同协调配合，从而保持平衡车和无人机的平衡与稳定。
二.MPU6050芯片介绍
1.MEMS传感器原理
MEMS加速度传感器通常由质量块、弹簧和电容等组件构成。当物体受到加速度作用时，质量块会受到力的作用而发生位移，而弹簧会受到拉伸或压缩。这些位移和变形将导致电容的改变，从而通过电容变化来测量加速度。
2.MPU6050芯片简介
MPU-6050是全球首例6轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(DigitalMotionProcessor)，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号(SPI接口仅在MPU-6000可用)。MPU-6050也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。
MPU-6050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。
芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN封装(无引线方形封装)，可承受最大10000g的冲击，并有可编程的低通滤波器。
3.芯片引脚定义
4.XYZ轴方向
三轴加速度计主要用于测量物体在三个空间维度(X,Y,Z三轴)上的加速度。它们可以检测物体在静止或运动状态下的加速度，包括重力加速度和线性加速度。通过测量感应质量的移动距离和方向，可以确定物体的加速度。有了加速度采样的数据，就可以应用到碰撞检测，设备或桥梁倾斜角度，机器振动检测，走路计步等场合。
三轴陀螺仪则主要用于测量物体在三个空间维度上的角速度，即Roll（左右倾斜）、Pitch（前后倾斜）、Yaw（左右摇摆）。它们可以检测物体的方向和姿态变化，对于维持设备的稳定性和实现某些功能（如自动旋转屏幕）至关重要。有了陀螺仪采样的数据，就可以应用到飞机航姿参考系统，及无人机惯性导航，人体运动姿势检测等场合。
Roll（左右倾斜）、Pitch（前后倾斜）、Yaw（左右摇摆）示意图如下：
5.芯片内部框图
6.芯片常用寄存器
1.WHO_AM_I寄存器
此寄存器用于验证设备的身份。默认读出为0x68，如果读出是0x68，说明单片机跟MPU6050通讯成功。
2.加速度数据
从上到下分别为X轴高八位陀加速度值、x轴低八位加速度值、Y轴高八位加速度值…由于其地址也为连续的，我们只需调取连续读函数读0x3B读取6次就可以了
3.陀螺仪数据
从上到下分别为X轴高八位陀螺仪值、x轴低八位陀螺仪值、Y轴高八位陀螺仪值，由于其地址为连续的，我们只需调取连续读函数读0x43读取6次就可以了。
从寄存器读上来的数据是原始值，真正的加速度，角速度值需要跟量程挂钩，所以还需加个转换，加(角)速度值真实值 = 原始数据 / 灵敏度，如果量程寄存器不配置，默认加速度量程是±2g，默认陀螺仪量程±250度/秒。
加速度数据灵敏度表格
陀螺仪数据灵敏度表格
三.MPU6050模块原理图及与模块接口定义使用
模块接口定义：
SCL：IIC从时钟信号线SCL，模块需要外接上拉电阻，一般为4.7K
SDA：IIC从时钟信号线SDA，模块需要外接上拉电阻，一般为4.7K
INT：中断输出引脚，可以不接
XCL：IIC主串行数据信号线，用于外接传感器，一般不接
XDA：IIC主串行时钟信号线，用于外接传感器，一般不接
VCC_5V：3.3/5V电源输入
AD0：从IIC接口的地址控制引脚，该引脚控制IIC地址的最低位。默认是悬空就可以，MPU6050的IIC地址是：0x68，所以一般不需要接。真正单片机去读的时候，还需要在最低位加上读写位，这样IIC地址在写的时候就是0xD0,读的时候就是0xD1。
GND：地信号。
所以单片机跟MPU6050模块连接，只要接IIC的两个脚还有电源，地就可以了，总共4根线就可以通信使用了。
四.STM32单片机驱动MPU6050读取加速度角速度值和中断检测实验
板子与MPU6050陀螺仪模块用杜邦线连接：
板子G-----模块GND
板子3.3—模块VCC
板子PB6—模块SCL
板子PB7—模块SDA
板子PA5—模块INT
打开STM32CubeMX软件,新建工程
Part Number处输入STM32F407VE，再双击就创建新的工程
配置下载口引脚
配置外部晶振引脚
PB6,PB7配置成IIC引脚
PB4配置成输出
PA5配置成中断输入
PA5配置成下拉输入，上升沿触发
配置系统主频168Mhz,使用外部晶振
配置工程文件名，保存路径，KEIL5工程输出方式
生成工程
用Keil5打开工程
添加代码
main.c文件中
主要程序：
/**
* 函数功能: 写数据到MPU6050寄存器
* 输入参数: 无
* 返 回 值: 无
* 说 明: 无
*/
void MPU6050_WriteReg(uint8_t reg_add,uint8_t reg_dat)
{
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,MPU6050_SLAVE_ADDRESS,reg_add,1,®_dat,1,1000);
}
/**
* 函数功能: 从MPU6050寄存器读取数据
* 输入参数: 无
* 返 回 值: 无
* 说 明: 无
*/
void MPU6050_ReadData(uint8_t reg_add,unsigned char*Read,uint8_t num)
{
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1,MPU6050_SLAVE_ADDRESS,reg_add,1,Read,num,1000);
}
void Motion_Interrupt(void) //运动中断
{
MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_MOT_THR,30); //运动阈值，如果要增加灵敏度，可以把值改到10以下
MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_MOT_DUR,0x14); //检测时间20ms 单位1ms
}
uint8_t IntFlag;//MPU6050中断标志
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
/* Prevent unused argument(s) compilation warning */
IntFlag=1;
}
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_I2C1_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
OLED_Init();//OLED初始化
OLED_Clear();//OLED清屏
MPU6050_Init();//MPU6050初始化配置，中断使能配置
if(MPU6050ReadID() == 0)//读取MPU6050 ID
{
while(1);
}
IntFlag=0;
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
CleanTime++;
if(CleanTime>=20)
{
CleanTime=0;
OLED_Clear();//清屏
if(IntFlag)//检测到上升沿中断
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_4);//LED闪烁
}
}
OLED_ShowCHinese(18,0,0);//光
OLED_ShowCHinese(36,0,1);//子
OLED_ShowCHinese(54,0,2);//物
OLED_ShowCHinese(72,0,3);//联
OLED_ShowCHinese(90,0,4);//网
MPU6050ReadAcc(Accel);//读取加速度数据
for( int i=0;i<3;i++)
{
if(Accel[i]>=0)
{
AccelData[i]=Accel[i]*2000/32768;//转换成单位mg
}else
{
AccelData[i]=-(-Accel[i]+1)*2000/32768;
}
}
if(AccelData[0]<0)//判断是否为负数
{
OLED_ShowString(0,3,"-");
OLED_ShowNum(8,3,-AccelData[0],4,16);//加速度x
}else
{
OLED_ShowNum(8,3,AccelData[0],4,16);//加速度x
}
if(AccelData[1]<0)//判断是否为负数
{
OLED_ShowString(40,3,"-");
OLED_ShowNum(48,3,-AccelData[1],4,16);//加速度y
}else
{
OLED_ShowNum(48,3,AccelData[1],4,16);//加速度y
}
if(AccelData[2]<0)//判断是否为负数
{
OLED_ShowString(80,3,"-");
OLED_ShowNum(88,3,-AccelData[2],4,16);//加速度z
}else
{
OLED_ShowNum(88,3,AccelData[2],4,16);//加速度z
}
MPU6050ReadGyro(Gyro);//读取陀螺仪数据
for( int i=0;i<3;i++)
{
if(Gyro[i]>=0)
{
GyroData[i]=Gyro[i]*2000/32768;//转换成单位mdps
}else
{
GyroData[i]=-(-Gyro[i]+1)*2000/32768;
}
}
if(GyroData[0]<0)//判断是否为负数
{
OLED_ShowString(0,6,"-");
OLED_ShowNum(8,6,-GyroData[0],4,16);//陀螺仪x轴
}else
{
OLED_ShowNum(8,6,GyroData[0],4,16);//陀螺仪x轴
}
if(GyroData[1]<0)//判断是否为负数
{
OLED_ShowString(40,6,"-");
OLED_ShowNum(48,6,-GyroData[1],4,16);//陀螺仪y轴
}else
{
OLED_ShowNum(48,6,GyroData[1],4,16);//陀螺仪y轴
}
if(GyroData[2]<0)//判断是否为负数
{
OLED_ShowString(80,6,"-");
OLED_ShowNum(88,6,-GyroData[2],4,16);//陀螺仪z轴
}else
{
OLED_ShowNum(88,6,GyroData[2],4,16);//陀螺仪z轴
}
}
/* USER CODE END 3 */
}
实验结果：
板子程序跑起来后，液晶上能显示陀螺仪数据，用手触碰陀螺仪，LED会闪烁，说明陀螺仪产生中断，震动报警了。
五.CubeMX工程源代码下载
通过网盘分享的文件：28.MPU6050陀螺仪运动中断检测实验.zip
链接: https://pan.baidu.com/s/1maoB_aMMek921QdUmDgKIg 提取码: ejdm
如果链接失效，可以联系博主给最新链接
程序下载下来之后解压就行
六.小结
学会STM32单片机驱动MPU6050，在无人机、机器人、智能手机、平板电脑、可穿戴设备等应用6轴陀螺仪的场合就会得心应手。