一起玩转树莓派（18）——MPU6050陀螺仪加速度传感器模块应用
一. 引言
现在智能手机的功能已经非常强大，除了基础的通信功能外，测位测速，空间角度等数据的测量也非常方便，这在线路导航，地图，体感游戏等应用中十分重要。不知你是否想过，智能设备是如何获取到其所在的空间状态与加速度等数据的呢？MPU6050就是提供这类数据测量的一种传感器模块。
首先，通过树莓派来读取MPU6050传感器模块的数据并不复杂，MPU60X0是一款扩展性极强的数字运动处理器，我们本次实验使用的是封装好的功能模块，如下图所示：
MPU6050芯片本身有24个引脚，每边有6个引脚，功能较多，引脚功能与定位如下图所示：
关于MPU6050的高级用法，可以通过查看芯片手册获取，本篇博客我们着重与在树莓派上对其进行应用。我们只需要关注所使用的模块的8个引脚即可。
二. 连线与准备工作
本次实验我们使用的模块有8个引脚，只需要使用其中4个引脚即可实现功能。对于树莓派I2C协议总线的应用，本系列博客之前已经有非常多的实验有过应用。首先连接传感器模块与树莓派如下表：
| 传感器模块 | 树莓派 |
|---|---|
| VCC | +5V |
| GND | GND |
| SCL | SCL |
| SDA | SDA |
开始使用I2C总线前，莫忘了开启树莓派的I2C功能，对I2C总线用法如果不太了解，可以阅读以下博客：
https://my.oschina.net/u/2340880/blog/5142788
连线完成后，在树莓派的终端输入如下指令可以查看已经连接的I2C设备：
sudo i2cdetect -y 1
如果连接无误，终端输出结果将如下图所示：
可以看到，图中显示的68即为我们所连接的传感器的地址。
下面，是时候了解下MPU6050传感器该如何使用了，我们知道，通过I2C总线，我们可以方便的读取设备中某个寄存器的数据，也可以向设备的某个寄存器写入数据，因此，使用MPU6050传感器的核心是了解其中寄存器的使用方法。我们将以使用到的几个寄存器为例做介绍，完整的寄存器用法可以从芯片手册上得到。
1. 电源管理寄存器
电源管理寄存器的地址为107，对应十六进制数0x6b，它是一个8位的寄存器，其中第4位为保留位不能使用，功能如下：
DECIVE_RESET: 这一位的作用是重置传感器，将传感器内部所有寄存器复位为初始状态，复位完成后，这一位会清零。
SLEEP: 睡眠控制位，当此位为1时，传感器将处于睡眠模式。需要注意，传感器启动时默认是睡眠模式，我们需要手动将其唤醒。
CYCLE:当设备设置为非睡眠模式时，即SLEEP位不为1，此为如果设置为1，传感器将处于循环模式，会按照寄存器108设置的速度进行数据循环采样。
TEMP_DIS:是否禁用温度传感器，设置为1时，禁用温度传感器。
CLKSEL:3位无符号数值，用来指令时钟源。
对于CLKSEL选项，其设置方式如下：
| CLKSEL值 | 意义 |
|---|---|
| 0 | 使用内部的8MHz的振荡器 |
| 1 | 使用陀螺仪X轴的频率 |
| 2 | 使用陀螺仪Y轴的频率 |
| 3 | 使用陀螺仪X轴的频率 |
| 4 | 使用外部的32.768kHz频率 |
| 5 | 使用外部19.2MHz频率 |
| 6 | 保留值 |
| 7 | 停止时钟并使振荡器保持复位状态 |
2. 陀螺仪数据寄存器
陀螺仪数据寄存器的地址为67到72，共48个二进制位，如下：
这些寄存器都是只读的，不能写入。
67和68寄存器存储16位数据，为陀螺仪X轴的测量数据。其中68寄存器存储低8位，67寄存器存储高8位。
69和70寄存器存储16位数据，为陀螺仪Y轴的测量数据。其中70寄存器存储低8位，69寄存器存储高8位。
71和72寄存器存储16位数据，为陀螺仪Z轴的测量数据。其中72寄存器存储低8位，71寄存器存储高8位。
需要注意，从这些寄存器取出的数据都是原始数据，要得到真正的陀螺仪测量的旋转角度，需要进行转换，其转换的单位与总量程有关，量程在寄存器27进行配置。
3. 陀螺仪配置寄存器
陀螺仪配置寄存器的地址为27，是一个可读可写的寄存器，如下：
XG\_ST，YG\_ST与ZG\_ST这3位用来设置陀螺仪执行自检。FS\_SEL用来设置陀螺仪的量程范围，低3位为保留位，无需使用。FS_SEL可设置的量程范围如下：
| FS_SEL | 量程范围 | 灵敏度参数 |
|---|---|---|
| 0 | ±250 °/s | 131 |
| 1 | ±500 °/s | 65.5 |
| 2 | ±1000 °/s | 32.8 |
| 3 | ±2000 °/s | 16.4 |
对于不同的量程范围，我们获取到原始数据后，需要除以对应的灵敏度参数才能得到最终的陀螺仪数据。
4. 加速计数据寄存器
加速计数据寄存器的地址为59到64，共48个二进制位，如下：
其使用方法与陀螺仪数据寄存器类似，同样需要在寄存器28来对加速计进行配置与设置量程，通过量程对应的灵敏度来计算得到真实的加速度值。
5. 加速计配置寄存器
陀螺仪配置寄存器的地址为28，是一个可读可写的寄存器，如下：
XA\_ST，YA\_ST，ZA\_ST都是自检执行控制位，AFS\_SEL用来设置量程，其与灵敏度对应关系如下：
| AFS_SEL | 量程范围 | 灵敏度参数 |
|---|---|---|
| 0 | ±2 | 16384 |
| 1 | ±4g | 8192 |
| 2 | ±8g | 4096 |
| 3 | ±16g | 2048 |
6. 温度数据寄存器
温度数据寄存器的地址为65到66，共16个二进制位，如下：
对于测量到的温度数据为有符号数，需要采用如下的计算公式得到真实的摄氏度数据：
摄氏温度 = TEMP_OUT / 340 + 36.53
除此之外，还有许多功能传感器，如采样率配置等，有需要可以从芯片手册查到。
三. 编写代码
完成了前面的基础准备工作，编写代码获取传感器模块的数据则非常容易，示例代码如下：
#coding:utf-8
import smbus
import math
import time
# 电源控制寄存器地址
power_regist = 0x6b
# I2C模块初始化
bus = smbus.SMBus(1)
# 外接I2C设备的地址
address = 0x68
# 封装一些读取数据的功能函数
# 读取一个字长度的数据(16位)
def readWord(adr):
high = bus.read_byte_data(address, adr)
low = bus.read_byte_data(address, adr+1)
val = (high << 8) + low
return val
# 将读取到的数据转换为原码 (有符号数本身是采用补码方式存储的)
def readWordReal(adr):
val = readWord(adr)
x = 0xffff
# 首位为1 表示是负数
if (val >= 0x8000):
# 求原码
return -((x - val)+1)
else:
return val
# 已知加速度求角度值
def dist(a, b):
return math.sqrt((a*a)+(b*b))
def getRotationX(x, y, z):
radians = math.atan2(y, dist(x,z))
return math.degrees(radians)
def getRotationY(x, y, z):
radians = math.atan2(x, dist(y,z))
return math.degrees(radians)
# 设置电源模式
bus.write_byte_data(address, power_regist, 0)
while True:
time.sleep(0.5)
print("螺旋仪数据-----------")
gyroX = readWordReal(0x43)
gyroY = readWordReal(0x45)
gyroZ = readWordReal(0x47)
print("X轴陀螺仪原始数据：", gyroX, "X轴每秒旋转度数：", gyroX/131)
print("Y轴陀螺仪原始数据：", gyroY, "Y轴每秒旋转度数：", gyroY/131)
print("Z轴陀螺仪原始数据：", gyroZ, "Z轴每秒旋转度数：", gyroZ/131)
print("加速度数据----------")
accelX = readWordReal(0x3b)
accelY = readWordReal(0x3d)
accelZ = readWordReal(0x3f)
print("X轴加速度原始数据：", accelX, "X轴加速度：", accelX/16384)
print("Y轴加速度原始数据：", accelY, "Y轴加速度：", accelY/16384)
print("Z轴加速度原始数据：", accelZ, "Z轴加速度：", accelZ/16384)
print("摄氏温度数据--------")
temp = readWordReal(0x41)
print("温度原始数据：", temp, "摄氏度：", temp/340 + 36.53)
print("旋转家角度数据-------")
print("X轴旋转度数：", getRotationX(accelX/16384, accelY/16384, accelZ/16384))
print("Y轴旋转度数：", getRotationX(accelX/16384, accelY/16384, accelZ/16384))
在树莓派上运行上面代码，效果如下图所示：
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