【Arduino】168種傳感器系列實驗（152）---GY-25串口傾斜度模塊

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 12:08

本帖最后由 eagler8 于 2020-12-10 16:25 編輯

37款傳感器與模塊的提法，在網絡上廣泛流傳，其實Arduino能夠兼容的傳感器模塊肯定是不止37種的。鑒于本人手頭積累了一些傳感器和執行器模塊，依照實踐出真知（一定要動手做）的理念，以學習和交流為目的，這里準備逐一動手試試做實驗，不管成功與否，都會記錄下來---小小的進步或是搞不定的問題，希望能夠拋磚引玉。

【Arduino】168種傳感器模塊系列實驗（資料+代碼+圖形+仿真）
實驗一百五十二：GY-25 串口直接輸出角度數據傾斜度角度傳感器模塊 MPU-6050

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 12:09

MPU-6050（6000）
為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。當連接到三軸磁強計時，MPU-60X0提供完整的9軸運動融合輸出到其主I2C或SPI端口(SPI僅在MPU-6000上可用)。MPU-6050（6000）的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec (dps)，可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g。產品傳輸可透過最高至400kHz的IIC或最高達20MHz的SPI（MPU-6050沒有SPI）。MPU-6000可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，邏輯接口VDDIO供電為1.8V± 5%（MPU6000僅用VDD）。MPU-6000的包裝尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在業界是革命性的尺寸。其他的特征包含內建的溫度感測器、包含在運作環境中僅有±1%變動的振蕩器。

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 12:13

陀螺儀傳感器
是一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統，它原本是運用到直升機模型上，現已被廣泛運用于手機等移動便攜設備。對于不熟悉這類產品的人來說，陀螺儀傳感器是一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統。在假想的平面上揮動鼠標，屏幕上的光標就會跟著移動，并可以繞著鏈接畫圈和點擊按鍵。當你正在演講或離開桌子時，這些操作都能夠很方便地實現。陀螺儀傳感器原本是運用到直升機模型上的，已經被廣泛運用于手機這類移動便攜設備上（IPHONE的三軸陀螺儀技術）。陀螺儀的原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉得越快越不容易倒，因為車軸有一股保持水平的力量。現代陀螺儀可以精確地確定運動物體的方位的儀器，它在現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器。傳統的慣性陀螺儀主要部分有機械式的陀螺儀，而機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高。70年代提出了現代光纖陀螺儀的基本設想，到八十年代以后，光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展，激光諧振陀螺儀也有了很大的發展。光纖陀螺儀具有結構緊湊，靈敏度高，工作可靠。光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀，成為現代導航儀器中的關鍵部件。光纖陀螺儀同時發展的除了環式激光陀螺儀外。

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 12:26

陀螺儀
是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。繞一個支點高速轉動的剛體稱為陀螺(top)。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉軸。與蒼蠅退化的后翅（平衡棒）原理類似。在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉的同時，環繞著另一個固定的轉軸不停地旋轉，這就是陀螺的旋進(precession)，又稱為回轉效應(gyroscopic effect)。陀螺旋進是日常生活中常見的現象，許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。人們利用陀螺的力學性質所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀(gyroscope)，它在科學、技術、軍事等各個領域有著廣泛的應用。比如：回轉羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉、陀螺的章動等。陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運動的自動控制系統中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態的指示，作為駕駛和領航儀表使用。陀螺儀分為，壓電陀螺儀，微機械陀螺儀，光纖陀螺儀和激光陀螺儀，它們都是電子式的，并且它們可以和加速度計，磁阻芯片，GPS，做成慣性導航控制系統。

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 12:29

陀螺儀原理
是指陀螺儀工作的原理，螺旋儀是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動量守恒的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位于軸心且可旋轉的轉子構成。陀螺儀一旦開始旋轉，由于轉子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀多用于導航、定位等系統常用實例如手機GPS定位導航、衛星三軸陀螺儀定位。陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉時，角動量很大，旋轉軸會一直穩定指向一個方向的性質，所制造出來的定向儀器。不過它必需轉得夠快，或者慣量夠大（也可以說是角動量要夠大）。不然，只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩定性。高速旋轉的物體的旋轉軸，對于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且，旋轉物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運動，就產生了搖頭的運動（歲差運動）。當陀螺經緯儀的陀螺旋轉軸以水平軸旋轉時，由于地球的旋轉而受到鉛直方向旋轉力，陀螺的旋轉體向水平面內的子午線方向產生歲差運動。當軸平行于子午線而靜止時可加以應用。陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉時，角動量很大，旋轉軸會一直穩定指向一個方向的性質，所制造出來的定向儀器。不過它必需轉得夠快，或者慣量夠大(也可以說是角動量要夠大)。不然，只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩定性。

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 12:52

加速度（Acceleration）
是速度變化量與發生這一變化所用時間的比值Δv/Δt，是描述物體速度變化快慢的物理量，通常用a表示，單位是m/s2。加速度是矢量，它的方向是物體速度變化（量）的方向，與合外力的方向相同。表示質點速度變化的快慢的物理量。舉例：假如兩輛汽車開始靜止，均勻地加速后，達到10m/s的速度，A車花了10s，而B車只用了5s。它們的速度都從0變為10m/s，速度改變了10m/s。所以它們的速度變化量是一樣的。但是很明顯，B車變化得更快一些。我們用加速度來描述這個現象：B車的加速度（a=Δv/Δt，其中的Δv是速度變化量）>A車的加速度。顯然，當速度變化量一樣的時候，花時間較少的B車，加速度更大。也就是說B車的啟動性能相對A車好一些。因此，加速度是表示物體速度變化快慢的物理量。加速度 (acceleration) 表征單位時間內速度改變程度的矢量。一般情況下，加速度是個瞬時概念，它的常用單位是米/秒2、m/s2等。

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 12:55

加速度傳感器（acceleration transducer）
是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式等。線加速度計的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(慣性力)/M(質量) 我們只需要測量F就可以了。怎么測量F？用電磁力去平衡這個力就可以了。就可以得到 F對應于電流的關系。只需要用實驗去標定這個比例系數就行了。當然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。多數加速度傳感器是根據壓電效應的原理來工作的。所謂的壓電效應就是 "對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發生形變以外，還將改變晶體的極化狀態，在晶體內部建立電場，這種由于機械力作用使介質發生極化的現象稱為正壓電效應 "。一般加速度傳感器就是利用了其內部的由于加速度造成的晶體變形這個特性。由于這個變形會產生電壓，只要計算出產生電壓和所施加的加速度之間的關系，就可以將加速度轉化成電壓輸出。當然，還有很多其它方法來制作加速度傳感器，比如壓阻技術，電容效應，熱氣泡效應，光效應，但是其最基本的原理都是由于加速度產生某個介質產生變形，通過測量其變形量并用相關電路轉化成電壓輸出。每種技術都有各自的機會和問題。使用加速度傳感器有時會碰到低頻場合測量時輸出信號出現失真的情況，用多種測量判斷方法一時找不出故障出現的原因，經過分析總結，導致測量結果失真的因素主要是：系統低頻響應差，系統低頻信噪比差，外界環境對測量信號的影響。所以，只要出現加速度傳感器低頻測量信號失真情況，對比以上三點看看是哪個因素造成的，有針對性的進行解決。

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 12:57

MPU 6050屬于IMU傳感器系列，通常被用于自平衡機器人、無人機、智能手機等領域。IMU傳感器可以幫助我們在三維空間中獲取物體當前三維位置的值，這些值可以用來幫助我們確定物體的精確位置，通過MPU6050可以檢測智能手機的水平或傾斜狀態或是使用IMU傳感器來追蹤運動狀態等。MU傳感器通常包含兩個或多個功能，按優先級分別是加速計、陀螺儀、磁力計和測高儀。MPU 6050是6自由度或6軸的IMU傳感器，這意味著它提供了6個值作為輸出：包含加速度計的3個值和陀螺儀的3個值。MPU 6050是一種基于MEMS（微機電系統）技術的傳感器，它將加速度計和陀螺儀嵌入到一塊芯片中，芯片使用的I2C通信協議。

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 13:01

本帖最后由 eagler8 于 2020-12-10 15:36 編輯

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ID:513258 · 發表于 2020-12-10 13:10

MPU 6050芯片的技術參數

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ID:513258 · 發表于 2020-12-10 13:13

MPU 6050芯片的主要特征
以數字輸出6軸或9軸的旋轉矩陣、四元數(quaternion)、歐拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算數據。具有131 LSBs/°/sec 敏感度與全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec 的3軸角速度感測器(陀螺儀)。可程式控制，且程式控制范圍為±2g、±4g、±8g和±16g的3軸加速器。移除加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設定給予的影響與感測器的飄移。數字運動處理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可減少復雜的融合演算數據、感測器同步化、姿勢感應等的負荷。運動處理數據庫支持Android、Linux與Windows 內建之運作時間偏差與磁力感測器校正演算技術，免除了客戶須另外進行校正的需求。以數位輸出的溫度傳感器以數位輸入的同步引腳(Sync pin)支援視頻電子影相穩定技術與GPS 可程式控制的中斷(interrupt)支援姿勢識別、搖攝、畫面放大縮小、滾動、快速下降中斷、high-G中斷、零動作感應、觸擊感應、搖動感應功能。 VDD供電電壓為2.5V±5%、3.0V±5%、3.3V±5%；VDDIO為1.8V± 5% 陀螺儀運作電流：5mA，陀螺儀待命電流：5µA；加速器運作電流：350µA，加速器省電模式電流： 20µA@10Hz 高達400kHz快速模式的I2C，或最高至20MHz的SPI串行主機接口(serial host interface) 內建頻率產生器在所有溫度范圍(full temperature range)僅有±1%頻率變化。使用者親自測試 10,000 g 碰撞容忍度為可攜式產品量身訂作的最小最薄包裝 (4x4x0.9mm QFN) 符合RoHS及環境標準。

01-0 (1).jpg

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 14:57

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 14:59

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 15:35

本帖最后由 eagler8 于 2020-12-10 16:22 編輯

MPU 6050應用電路圖

03 --9.jpg

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 16:23

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 16:25

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 16:29

GY25是一款低成本傾斜模塊
工作電壓3-5v 功耗小，體積小。其工作原理，是通過陀螺儀與加速度傳感器經過數據融合算法最后得到直接的角度數據。此傾斜度模塊以串口TTL 電平全雙工方式與上位機進行通信。該產品精度高，穩定性高。能夠在任意位置得到準確的角度，輸出的波特率有9600bps 與115200bps有連續輸出與詢問輸出兩種方式，可適應不同的工作環境，與各種的單片機及電腦連接。

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 16:41

GY25模塊參數
1.工作電壓：3～5 V（內部低壓差穩壓）
2.工作電流：15mA
3.測量范圍：-180°～ 180°
4.分辨率：0.01°
5.測量精度：1 °（傾斜度）
6.響應頻率：100HZ（115200bps）
7.工作溫度：-20°～ 85°
8.使用芯片：MCU+MPU6050
9.產品尺寸：15.5×15.5mm，引腳間距2.54mm
10.通信方式：串口通訊(波特率9600,115200)， IIC通信(僅讀取原始數據)

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 16:44

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 16:47

GY25數據讀取
1.YAW/OLL/PITCH直接數據：
航向角（YAW  ） ±180°
橫滾角（ROLL ） ±180°
俯仰角（PITCH） ±180°（ ±90°+±90°）
角度分辨率0.01°
2.原始數據直接數據：
陀螺儀原始數據
加速度原始數據
溫度數據
角度數據

GY25注意事項
（1）模塊上電自校正，需保持3秒以上靜止狀態，建議不要用手拿著模塊；
（2）角度歐拉角由于萬向鎖問題，橫滾，俯仰在90度時候會有相互影響；
（3）模塊右側的焊接點短接，重啟后模塊進入 IIC 模式，客戶可自行操作傳感器，模塊 MCU 不對傳感器進行任何操作；
（4）模塊I/O是TTL電平，可以直接與單片機串口連接，但不能與電腦九針串口直接連接；
（5）修改波特率指令
A5  56 修改波特率成為115200
A5 57  修改波特率成為9600

0-99 (1).jpg

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 17:25

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 17:26

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 17:27

ID:513258 · 發表于 2020-12-10 17:32

ID:513258 · 發表于 2020-12-25 10:53

/*
【Arduino】168種傳感器模塊系列實驗（資料代碼+圖形編程+仿真編程）
實驗一百五十二：GY-25 串口直接輸出角度數據傾斜度角度傳感器模塊 MPU-6050
使用步驟：
1.先下載GY25_uart程序至arduino
2.再接上GY25模塊
3.按復位按鍵
4.打開串口，波特率115200
5、接線
GY25 arduino uno
VCC----------------------VCC
RX-----------------------TX
TX-----------------------RX
GND----------------------GND
實驗之一：串口顯示動態角度數值
*/
#include <Wire.h>
int YPR[3];
unsigned char Re_buf[8], counter = 0;
unsigned char sign = 0;
int led = 13;
//-----------------------------------------------------------
void setup()
{
Serial.begin(115200);
delay(2000);
Serial.write(0XA5);
Serial.write(0X52); //初始化GY25,連續輸出模式
}
//-------------------------------------------------------------
void loop() {
if (sign)
{
sign = 0;
if (Re_buf[0] == 0xAA && Re_buf[7] == 0x55) //檢查幀頭，幀尾
{
YPR[0] = (Re_buf[1] << 8 | Re_buf[2]) / 100; //合成數據，去掉小數點后2位
YPR[1] = (Re_buf[3] << 8 | Re_buf[4]) / 100;
YPR[2] = (Re_buf[5] << 8 | Re_buf[6]) / 100;
Serial.print("YPR:\t");
Serial.print(YPR[0], DEC); Serial.print("\t"); //顯示航向
Serial.print(YPR[1], DEC); Serial.print("\t"); //顯示俯仰角
Serial.println(YPR[2], DEC); //顯示橫滾角
delay(50);
}
}
}
//---------------------------------------------------------------
void serialEvent() {
while (Serial.available()) {
Re_buf[counter] = (unsigned char)Serial.read();
if (counter == 0 && Re_buf[0] != 0xAA) return; // 檢查幀頭
counter++;
if (counter == 8) //接收到數據
{
counter = 0; //重新賦值，準備下一幀數據的接收
sign = 1;
}
}
}

復制代碼

ID:513258 · 發表于 2020-12-25 11:08

ID:513258 · 發表于 2020-12-25 11:11

GY-25串口傾斜度模塊實驗場景圖

ID:513258 · 發表于 2020-12-25 12:01

/*
【Arduino】168種傳感器模塊系列實驗（資料代碼+圖形編程+仿真編程）
實驗一百五十二：GY-25 串口直接輸出角度數據傾斜度角度傳感器模塊 MPU-6050
使用步驟：
1.先下載GY25_uart程序至arduino
2.再接上GY25模塊
3.按復位按鍵
4.打開串口，波特率115200
5、接線
GY25 arduino uno
VCC----------------------VCC
RX-----------------------TX
TX-----------------------RX
GND----------------------GND
---------------------------------------
IICLCD2004 arduino uno
VCC----------------------VCC
SCL----------------------A5
SDA----------------------A4
GND----------------------GND
實驗之二：IICLCD2004顯示動態角度數值
*/
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
int YPR[3];
unsigned char Re_buf[8], counter = 0;
unsigned char sign = 0;
int led = 13;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4); // set the LCD address to 0x20 for a 20 chars and 4 line display
//-----------------------------------------------------------
void setup()
{
lcd.init(); // initialize the lcd
// Print a message to the LCD.
Serial.begin(115200);
delay(2000);
Serial.write(0XA5);
Serial.write(0X52); //初始化GY25,連續輸出模式
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0, 0); //I2C接口LCD2004顯示初始值
lcd.print("Yaw:");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Pitch:");
lcd.setCursor(0, 2);
lcd.print("Roll:");
}
//-------------------------------------------------------------
void loop() {
if (sign)
{
sign = 0;
if (Re_buf[0] == 0xAA && Re_buf[7] == 0x55) //檢查幀頭，幀尾
{
YPR[0] = (Re_buf[1] << 8 | Re_buf[2]) / 100; //合成數據，去掉小數點后2位
YPR[1] = (Re_buf[3] << 8 | Re_buf[4]) / 100;
YPR[2] = (Re_buf[5] << 8 | Re_buf[6]) / 100;
lcd.setCursor(4, 0);
lcd.print(" ");
lcd.setCursor(4, 0);
lcd.print(YPR[0]); //顯示航向
lcd.setCursor(6, 1);
lcd.print(" ");
lcd.setCursor(6, 1); //顯示俯仰角
lcd.print(YPR[1]);
lcd.setCursor(5, 2);
lcd.print(" ");
lcd.setCursor(5, 2); //顯示橫滾角
lcd.print(YPR[2]);
delay(100);
}
}
}
//----------------------------------------------------------
void serialEvent() {
while (Serial.available()) {
Re_buf[counter] = (unsigned char)Serial.read();
if (counter == 0 && Re_buf[0] != 0xAA) return; // 檢查幀頭
counter++;
if (counter == 8) //接收到數據
{
counter = 0; //重新賦值，準備下一幀數據的接收
sign = 1;
}
}
}

復制代碼

ID:513258 · 發表于 2020-12-25 12:07

GY-25串口傾斜度模塊實驗場景圖二，未輸出角度數據，不知哪里出問題了

ID:513258 · 發表于 2020-12-25 13:03

經過調試，LCD2004A可以顯示動態角度數據了

ID:513258 · 發表于 2020-12-25 13:11

經過調試，LCD2004A可以顯示動態角度數據了，實驗視頻40秒

https://v.youku.com/v_show/id_XNTAyNTI1MDY0MA==.html?spm=a2hzp.8253869.0.0

https://v.youku.com/v_show/id_XNTAyNTI1MDY0MA==.html?spm=a2hzp.8253869.0.0

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【Arduino】168種傳感器系列實驗（152）---GY-25串口傾斜度模塊