Как подключить акселерометр к ардуино

Акселерометр: инструкция, схемы и примеры использования

Используйте акселерометр для определения величины ускорения свободного падения по осям X, Y, Z. Датчик отвечает за поворот дисплея в современном телефоне или подсчёт шагов в фитнес-браслете.

Если вам необходимо определить положение вашего девайса в пространстве, обратите внимания на IMU-сенсор на 10 степеней свободы.

Видеообзор

Акселерометр в обзоре IMU-модуля.

Пример работы для Arduino и XOD

В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим платформу из серии Arduino, например, Uno.

На аппаратном уровне инерционный модуль общается с управляющей электроникой по шине I²C. Но не переживайте о битах и байтах: используйте библиотеку TroykaIMU и на выходе получите готовы данные.

Схема устройства

Подключите акселерометр к пинам питания и шины I²C — SDA и SCL платформы Arduino Uno. Для коммуникации используйте соединительные провода «мама-папа».

Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения Troyka Shield, которая одевается сверху на Arduino Uno методом бутерброда. Для коммуникации используйте трёхпроводной шлейф «мама-мама», который идёт в комплекте с датчиком.

С Troyka Slot Shield провода не понадобятся вовсе.

Вывод данных

В качестве примера выведем в Serial-порт величины ускорения свободного падения по осям X, Y и Z.

Пример для Espruino

В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим платформы из серии Espruino, например, Iskra JS.

Схема устройства

Подключите акселерометр к пинам питания и шины I²C — SDA и SCL платформы Iskra JS. Для коммуникации используйте соединительные провода «мама-папа».

Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения Troyka Shield, которая одевается сверху на Iskra JS методом бутерброда. Для коммуникации используйте трёхпроводной шлейф «мама-мама», который идёт в комплекте с датчиком.

С Troyka Slot Shield провода не понадобятся вовсе.

Вывод данных

В качестве примера выведем в консоль величины ускорения свободного падения по осям X, Y и Z.

Пример для Raspberry Pi

В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим одноплатные компьютеры Raspberry Pi, например, Raspberry Pi 4.

Схема устройства

Подключите акселерометр к пинам SDA и SCL шины I²C компьютера Raspberry Pi.

Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения Troyka Cap, которая надевается сверху на малину методом бутерброда.

Программная настройка

Вывод данных

А написать пример кода для Raspberry Pi оставим вам домашним заданием.

Элементы платы

Акселерометр на LIS331DLH

Акселерометр выполнен на чипе LIS331DLH и представляет собой миниатюрный датчик ускорения, разработанный по технологии MEMS от компании STMicroelectronics. Адрес устройства по умолчанию равен 0x18, но может быть изменен на 0x19. Подробности читайте в разделе смена адреса модуля.

Регулятор напряжения

Линейный понижающий регулятор напряжения NCP698SQ33T1G обеспечивает питание MEMS-чипа и других компонентов сенсора. Диапазон входного напряжения от 3,3 до 5 вольт. Выходное напряжение 3,3 В с максимальным выходным током 150 мА.

Преобразователь логических уровней

Преобразователь логических уровней PCA9306DCT необходим для сопряжения датчика с разными напряжениями логических уровней от 3,3 до 5 вольт. Другими словами сенсор совместим как с 3,3 вольтовыми платами, например, Raspberry Pi, так и с 5 вольтовыми — Arduino Uno.

Troyka-контакты

Датчик подключается к управляющей электронике через две группы Troyka-контактов:

Смена адреса модуля

Иногда в проекте необходимо использовать несколько акселерометров. Для этого на модуле предусмотрены контактная площадка. Для смена адреса капните каплей припоя на отведённую контактную площадку.

Как работает акселерометр? Взаимодействие ADXL335 с Arduino

Вы когда-нибудь задумывались, как ваш смартфон отличает верх от низа? Это одна из самых классных функций современных смартфонов. У всех из них есть встроенное в схему крошечное устройство под названием акселерометр, которое может понимать, когда вы наклоняете его с одной стороны на другую. Таким образом, ваш смартфон автоматически определяет, когда нужно переключить положение экрана с портретного на альбомное.

Как работает акселерометр? Взаимодействие ADXL335 с Arduino

Акселерометры широко используются в чувствительных к движению и наклону приложениях с низким энергопотреблением, таких как мобильные устройства, игровые системы, защита дисков, стабилизация изображений, спортивные и медицинские устройства.

Давайте внимательнее посмотрим, что это, что они делают, и как работают.

Что такое ускорение?

Блестящий ученый Исаак Ньютон в своем втором законе движения определил ускорение, связав его с массой и силой.

Если у вас есть определенная сила (скажем, сила в вашей ноге, когда вы пинаете ею), и вы применяете ее к массе (футбольный мяч), вы заставляете массу ускоряться (мяч отлетит в воздухе).

Сила = Масса х Ускорение

Ускорение = Сила / Масса

Другими словами, ускорение – это количество силы, которое нам нужно для перемещения каждой единицы массы.

Как работает акселерометр?

Чтобы узнать, как работают акселерометры, полезно представить шар внутри трехмерного куба.

Рисунок 1 – Невесомость

Предположим, что куб находится в космическом пространстве, где всё находится в невесомом состоянии, шар просто будет плавать в середине куба.

Теперь давайте представим, что каждая стена представляет определенную ось.

Если мы внезапно переместим куб влево с ускорением 1g (единичное усилие 1g эквивалентно гравитационному ускорению 9,8 м/с 2 ), без сомнения, мяч ударится в стену X. Если мы измерим силу, которую мяч применяет к стене X, мы можем получить выходное значение 1g по оси X.

Рисунок 2 – Внезапное движение

Давайте посмотрим, что произойдет, если мы перенесем этот куб на Землю. Мяч просто упадет на стенку Z и применит силу 1g, как показано на рисунке ниже:

Рисунок 3 – Сила тяжести

В этом случае куб не перемещается, но мы всё равно получаем значение 1g по оси Z. Это потому, что сила тяжести тянет шар вниз с силой 1g.

Акселерометр измеряет статическое ускорение силы тяжести в приложениях, чувствительных к наклону, а также динамическое ускорение, возникающее в результате движения, удара или вибрации.

Как работает MEMS акселерометр?

Акселерометр MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) состоит из микромеханической структуры, построенной поверх кремниевой пластины.

Рисунок 4 – Внутренняя работа MEMS акселерометра ADXL335

Эта конструкция подвешена на поликремниевых пружинах. Это позволяет конструкции отклоняться, когда к определенной оси применяется ускорение.

Из-за прогиба емкость между неподвижными пластинами и пластинами, прикрепленными к подвешенной конструкции, изменяется. Это изменение емкости пропорционально ускорению по этой оси.

Датчик обрабатывает это изменение емкости и преобразует его в аналоговое выходное напряжение.

Обзор аппаратного обеспечения акселерометра ADXL335

Основой модуля является небольшой трехосный MEMS акселерометр с низким энергопотреблением и с чрезвычайно низким уровнем шума от Analog Devices – ADXL335. Датчик имеет полный диапазон чувствительности ±3g. Он может измерять статическое ускорение, вызванное силой тяжести в приложениях, чувствительных к наклону, а также динамическое ускорение, вызванное движением, ударом или вибрацией.

Рисунок 5 – Обзор аппаратного обеспечения модуля акселерометра ADXL335

Датчик работает при питании от 1,8 до 3,6 В (оптимально 3,3 В) и обычно потребляет ток всего 350 мкА. Однако встроенный стабилизатор 3,3 В делает его идеальным выбором для взаимодействия с микроконтроллерами 5 В, такими как Arduino.

Эта дружественная макетная плата разводит каждый вывод ADXL335 на 6-выводный разъем с шагом 0,1 дюйма. Сюда входят 3 аналоговых выхода для измерений по осям X, Y и Z, 2 вывода питания и вывод самотестирования, который позволяет проверить работу датчика в конечном приложении.

Аналоговые выходы являются относительными, что означает, что выходной сигнал 0g номинально равен половине напряжения питания 3,3 В (1,65 В), -3g соответствует выходному напряжению 0 В, и 3g соответствует 3,3 В с полным масштабированием между ними.

Ниже приведена таблица с основными характеристиками микросхемы акселерометра ADXL335.

Характеристики микросхемы акселерометра ADXL335.

Рабочее напряжение	1,8 В — 3,6 В
Рабочий ток	350 мкА (типовой)
Диапазон чувствительности	±3g (полная шкала)
Диапазон температур	от -40° до + 85° C
Чувствительные оси	3 оси
Чувствительность	от 270 до 330 мВ/g (относительно)
Ударопрочность	до 10000g
Размер	4мм х 4мм х 1,45 мм

Для более подробной информации обратитесь к техническому описанию по ссылке ниже.

Распиновка акселерометра ADXL335

Прежде чем погрузиться в подключения и примеры кода, давайте сначала взглянем на распиновку модуля акселерометра.

Рисунок 6 – Распиновка модуля акселерометра ADXL335

Вывод VCC обеспечивает питание для акселерометра, который может быть подключен к 5 В на Arduino.

Вывод Выход X выводит аналоговое напряжение, пропорциональное ускорению, приложенному к оси X.

Вывод Выход Y выводит аналоговое напряжение, пропорциональное ускорению на оси Y.

Вывод Выход Z выводит аналоговое напряжение, пропорциональное ускорению на оси Z.

Вывод GND подключается к выводу GND на Arduino

Вывод ST (Self-Test) контролирует функцию самопроверки. Эта функция подробно обсуждается в конце.

Подключение акселерометра ADXL335 к Arduino UNO

Теперь, когда у нас есть полное представление о том, как работает акселерометр ADXL335, мы можем начать подключать его к нашей плате Arduino.

Подключение довольно простое. Начните с установки акселерометра на макетной плате. Подключите вывод VCC к выводу 5V на Arduino, а вывод GND – к выводу GND на Arduino. Также подключите выходы X, Y и Z к аналоговым выводам A0, A1 и A2 на Arduino.

Для получения точных результатов, нам нужно изменить опорное аналоговое напряжение (AREF) на Arduino. Это можно сделать, подключив вывод 3,3V на Arduino к выводу AREF.

Когда вы закончите, у вас должно получиться что-то похожее на показанное на рисунке ниже.

Рисунок 7 – Подключение модуля акселерометра ADXL335 к Arduino UNO

Итак, теперь, когда мы подключили наш акселерометр, пришло время написать код и протестировать его.

Код Arduino – чтение показаний акселерометра ADXL335

Скетч довольно прост. Он просто отображает калиброванное выходное напряжение датчика для каждой оси через последовательный интерфейс. Протестируйте скетч, прежде чем мы начнем его подробный разбор.

Скетч начинается с объявления аналоговых входных выводов Arduino, к которым подключены выходные выводы X, Y и Z датчика.

Далее мы определяем минимальные и максимальные значения, которые Arduino собирается предоставить. Поскольку плата Arduino содержит 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь, она отобразит выходные напряжения датчика в диапазоне от 0 до 3,3 В в целочисленные значения в диапазоне от 0 до 1023. Именно поэтому для RawMin установлено значение 0, а для RawMax установлено значение 1023.

Переменная sampleSize указывает Arduino брать 10 отсчетов каждого преобразования, чтобы получить более точные результаты.

В функции setup() мы должны установить аналоговое опорное напряжение на EXTERNAL , так как мы подключили 3,3 В к выводу AREF на Arduino. Это делается путем вызова analogReference(EXTERNAL) .

Кроме этого, мы инициализируем здесь и последовательную связь с компьютером.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Если вы не вызовите analogReference(EXTERNAL) , вы закоротите вместе активный источник опорного напряжения (внутренний) и вывод AREF, что, возможно, приведет к повреждению микроконтроллера на плате Arduino..

В функции loop() мы считываем аналоговые выходы датчика каждые 200 мс. Вместо вызова функции analogRead() мы вызываем пользовательскую функцию ReadAxis() . Эта функция просто берет 10 выборок АЦП и возвращает среднее значение.

Преобразование показаний ADXL335 в ускорение (g)

Следующий фрагмент кода является наиболее важной частью программы. Он преобразует аналоговые выходные напряжения датчика в ускорение свободного падения (g).

Встроенная в IDE функция map() выполняет фактическое преобразование. Таким образом, когда мы вызываем map(xRaw, RawMin, RawMax, -3000, 3000) , значение RawMin будет преобразовываться в -3000 , значение RawMax – в 3000 , а значения между ними – в промежуточные значения.

Значения -3000 и 3000 не являются произвольными. Они фактически представляют ускорение свободного падения (в милли-g, которое составляет 1/1000 g), измеренное датчиком, то есть ± 3g (от -3000 до 3000 милли-g).

• Когда датчик выдает 0 вольт на оси x, то есть xRaw = 0, функция map() возвращает -3000, представляющие -3g.
• Когда датчик выдает 3,3 вольта по оси x, то есть xRaw = 1023, функция map() вернет 3000, представляющие +3g.
• Когда датчик выдает 1,65 В на оси x, т.е. xRaw = 511, функция map() вернет 0, представляющий 0g.

Термин относительный будет иметь больше смысла, когда выходное напряжение будет увеличиваться линейно с ростом ускорения в заданном диапазоне.

Наконец, выходной сигнал датчика уменьшается до дробного значения g с помощью деления на 1000 и выводится в монитор последовательного порта.

На следующих рисунках показан вывод данных акселерометра в монитор последовательного порта в разных положениях.

Рисунок 8 – Вывод акселерометра ADXL335 на оси X — Рисунок 9 – Вывод акселерометра ADXL335 на оси Y + Рисунок 10 – Вывод акселерометра ADXL335 на X + Рисунок 11 – Вывод акселерометра ADXL335 на оси Y — Рисунок 12 – Вывод акселерометра ADXL335 на оси Z + Рисунок 13 – Вывод акселерометра ADXL335 на оси Z —

Функция самотестирования ADXL335

Акселерометр ADXL335 имеет функцию самопроверки, которая позволяет проверить работу датчика в конечном приложении.

Рисунок 14 – Вывод ST (самопроверка) на модуле управляет этой функцией

Когда контакт ST подключен к 3,3 В, на пластину акселерометра внутри действует электростатическая сила. Результирующее движение пластины позволяет пользователю проверить работоспособность акселерометра.

Типичное изменение выходного сигнала:

• -1,08 g (-325 мВ) по оси X
• +1.08 g (+325 мВ) по оси Y
• +1,83 g (+550 мВ) по оси Z

Этот вывод ST при нормальном использовании может быть подключен к земле или оставлен «висеть» в воздухе.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Подача на вывод ST напряжения выше 3,6 В может привести к повреждению акселерометра.

Как подключить аналоговый акселерометр ADXL335 к Arduino

В этот раз мы займёмся подключением аналогового трёхосного акселерометра ADXL335 к Arduino.

Инструкция по подключению акселерометра ADXL335 к Arduino

Нам понадобится:

или иная совместимая; ;
• соединительные провода (рекомендую вот такой набор); (breadboard);
• персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.

1 Принцип действияцифрового акселерометра

Акселерометры используют для определения вектора ускорения. Акселерометр ADXL335 имеет три оси, и благодаря этому он может определять вектор ускорения в трёхмерном пространстве.

Ввиду того, что сила земного притяжения – это тоже вектор, мы можем определять ориентацию акселерометра в трёхмерном пространстве относительно центра Земли.

На иллюстрации приведены рисунки из паспорта на акселерометр ADXL335. Здесь изображены координатные оси чувствительности акселерометра по отношению к геометрическому размещению корпуса устройства в пространстве, а также значения ускорений, принимаемые с 3-х каналов акселерометра в зависимости от его ориентации в пространстве. Данные приводятся для находящегося в состоянии покоя датчика, на который действует только сила земного тяготения.

Принцип снятия измерений с аналогового акселерометра ADXL335

Рассмотрим подробнее, что же показывает нам акселерометр. Пусть датчик лежит горизонтально, например, на столе. Тогда проекция вектора ускорения будет равна «1g» по оси Z, или Z_out = 1g. По остальным двум осям будут нули: X_out = 0 и Y_out = 0. При повороте датчика «на спину», он будет направлен в противоположную сторону относительно вектора силы тяжести, т.е. Z_out = −1g. Аналогично измерения снимаются по всем трём осям. Понятно, что акселерометр может быть расположен как угодно в пространстве, поэтому со всех трёх каналов мы будем снимать отличные от нуля показания.

Если датчик сильно тряхнуть вдоль вертикальной оси Z, то значение Z_out будет больше, чем «1g». Максимальное измеряемое ускорение составляет «±3g» по каждой из осей («плюс» и «минус» тут обозначают направление ускорения).

Думаю, с принципом работы акселерометра разобрались. Теперь рассмотрим схему подключения.

2 Схема подключения акселерометра к Arduino

Для питания акселерометра необходимо подать на вывод VCC модуля напряжение +3,3 В . Измерительные каналы датчика подключаются к аналоговым выводам Arduino, например, «A0», «A1» и «A2». Это вся схема 🙂

Схема подключения аналогового трёхосевого акселерометра ADXL335 к Arduino

3 Калибровкааналогового акселерометра ADXL335

Загрузим вот такой скетч в память Arduino. Будем считывать с аналоговых входов показания по трём каналам, преобразовывать их в напряжение и выводить в последовательный порт.

Посмотрим, что же реально приходит с акселерометра на примере оси Z (см. последний столбец на иллюстрации). Когда датчик расположен горизонтально и смотрит вверх, приходят числа (2,03±0,01). Это должно соответствовать ускорению «1g» по оси Z и углу 0° согласно паспорту на ADXL335. Перевернём датчик. Приходят числа (1,69±0,01), что должно соответствовать «−1g» и углу 180°.

Калибровка аналогового акселерометра ADXL335

4 Определение ускоренийпо трём осям акселерометра

Снимем значения с акселерометра при углах 90° и 270° и занесём в таблицу. Таблица показывает углы поворота акселерометра (столбец «A») и соответствующие им значения Z_out в вольтах (столбец «B»).

Определение ускорений по трём осям акселерометра ADXL335

Для наглядности приведён график напряжений на выходе Z_out в зависимости от угла поворота. Голубое поле – это область значений в спокойном состоянии (при ускорении 1g). Розовое поле на графике – это запас для того чтобы мы могли измерять ускорение до +3g и до −3g.

При угле поворота 90° на ось Z приходится нулевое ускорение. Т.е. значение 1,67 вольт – это условный ноль Z₀. Тогда определим ускорение так: g = Z_out – Z₀ / S_z, здесь Z_out – измеренное значение в милливольтах, Z₀ – значение при нулевом ускорении в милливольтах, S_z – чувствительность датчика по оси Z, измеренная в мВ/g.

Чувствительность акселерометра приведена в паспорте и равна в среднем 300 мВ/g или 0,3 В/g, но вообще лучше провести калибровку акселерометра и вычислить значение чувствительности конкретно для вашего датчика по формуле: S_z = Z(0°) – Z(90°) В данном случае чувствительность акселерометра по оси Z = 2,03 – 1,68 = 0,35 В/g. Аналогично чувствительность нужно будет посчитать для осей X и Y.

В столбце «С» таблицы приводится расчётное ускорение при чувствительности, равной 350 мВ/g. Как видно, расчёты практически совпадают с номинальными величинами, которые даются на первом рисунке из паспорта на датчик ADXL335, т.е. наш датчик довольно точно показывает свою ориентацию в пространстве (я показал это просто для самопроверки, дальше это не пригодится).

5 Определение углов поворота акселерометра

Вспомнив базовый курс школьной геометрии, выведем формулу для вычисления углов поворота акселерометра: angle_X = arctg[ √(G_z 2 + G_y 2 ) / G_x ]. Значения получаются в радианах. Чтобы перевести радианы в градусы, поделим результат на число π и умножим на 180°.

В итоге полный скетч, вычисляющий ускорения и углы поворота акселерометра по всем осям, приведён на врезке. В комментариях даны пояснения к коду программы.

При выводе в порт Serial.print() символ \t обозначает знак табуляции, чтобы столбцы были ровные, и значения располагались друг под другом. Символ + означает конкатенацию (объединение) нескольких строк. Оператор String() явно указывает компилятору, что численное значение нужно преобразовать в строку. Оператор round() округляет угол с точностью до 1°.

Подключение аналогового акселерометра ADXL335 к Arduino с помощью макетной платы

Итак, мы с вами научились снимать и обрабатывать данные с аналогового акселерометра ADXL335 при помощи Arduino.

Полезный совет

Определите «нулевые» значения напряжений и чувствительности по осям X, Y и Z для вашего датчика с помощью скетча, описанного в разделе «Калибровка аналогового акселерометра ADXL335». Иначе углы и ускорения будут вычисляться со значительными ошибками.

Определение ориентации с помощью акселерометра ADXL345 и Arduino

В данной статье мы научимся измерять угол и отслеживать ориентацию с помощью платы Arduino и датчика акселерометра ADXL345. Приведены схема, программа и видео, демонстрирующее работу проекта (в конце статьи). Сначала мы рассмотрим как работает датчик и как считывать с него данные, а затем с помощью среды разработки Processing мы сделаем 3D-визуализацию ориентации акселерометра.

Ранее на нашем сайте мы рассматривали подключение акселерометров к плате Arduino в следующих статьях:

Необходимые компоненты

1. Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
2. Акселерометр (ADXL345) (купить на AliExpress).
3. Соединительные провода.

Как работает акселерометр ADXL345

Датчик ADXL345 представляет собой 3-осевой акселерометр, который может измерять как статические, так и динамические силы ускорения. Сила земного притяжения является типичным примером статической силы, тогда как динамические силы могут быть вызваны вибрациями, различными движениями и т. д.

Единицей измерения ускорения является метр на секунду в квадрате (м/с^2). Однако датчики акселерометра обычно выражают измерения в «g» или силе тяжести. Один «g» — это величина силы земного притяжения, равная 9,8 метра в секунду в квадрате.

Итак, если у нас есть акселерометр, расположенный горизонтально, с его осью Z, направленной вверх, в противоположность гравитационной силе, выход датчика по оси Z будет 1g. С другой стороны, выходы X и Y будут равны нулю, потому что гравитационная сила перпендикулярна этим осям и никак на них не влияет.

Если мы перевернем датчик вверх дном, то выход по оси Z будет равен -1g. Это означает, что выходные данные датчика из-за его ориентации на гравитацию могут варьироваться от -1g до +1g.

Таким образом, в соответствии с этими данными и с помощью некоторой математики тригонометрии мы можем рассчитать угол, под которым расположен датчик.

Схема проекта

Схема подключения акселерометра ADXL345 к плате Arduino Nano приведена на следующем рисунке.

Акселерометр ADXL345 работает по интерфейсу I2C, поэтому для его подключения к плате Arduino необходимо всего два провода. Ну и еще два провода необходимо для подачи питания на датчик. Более подробно про использование интерфейса I2C в плате Arduino вы можете прочитать в этой статье.