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：

1	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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