文章目录​​​​​​​

1. MPU6050

1.1 运动学概念

1.2 工作原理

2. 参数

2.1 量程选择

2.2 I2C从机地址配置

3. 硬件电路

4. 框架图

5. 软件和硬件波形对比

6. 软件I2C读写MPU6050

6.1 程序整体构架

6.2 一些需要注意的点：

6.3 MPU6050初始化配置

6.4 传感器模型

7. 代码实现

​​​​​​​7.1  MyI2C.c

​​​​​​​7.2  MyI2C.h

7.3 MPU6050.C

7.4 MPU6050.H

7.5 MPU6050_Reg.h

7.6 main.c

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1. MPU6050

对于I2C通信和MPU6050的详细解析可以看下面这篇文章

STM32单片机I2C通信详解-CSDN博客

对于STM32通过I2C硬件读写MPU6050的代码，可以看下面这篇文章

STM32通过I2C硬件读写MPU6050-CSDN博客

MPU6050是一个6轴姿态传感器，可以测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角速度参数，通过数据融合，可进一步得到姿态角，常应用于平衡车、飞行器等需要检测自身姿态的场景

3轴加速度计（Accelerometer）：测量X、Y、Z轴的加速度

3轴陀螺仪传感器（Gyroscope）：测量X、Y、Z轴的角速度

1.1 运动学概念

• 欧拉角：
  • 欧拉角是用来描述三维空间中刚体旋转的三个角度：俯仰角（Pitch）、滚转角（Roll）和偏航角（Yaw）。
  • 俯仰角（Pitch）：飞机机头上下倾斜的角度。
  • 滚转角（Roll）：飞机左右倾斜的角度。
  • 偏航角（Yaw）：飞机左右转向的角度。

1.2 工作原理

1. 加速度计：
   • 在X、Y、Z轴方向上测量加速度。通过检测重力加速度，可以推断出设备的倾斜角度。例如，在一个静止状态下，测量到的重力加速度可以用来计算设备相对于水平面的倾斜角度。
2. 陀螺仪：
   • 测量设备在X、Y、Z轴上的角速度。陀螺仪可以用于检测设备的旋转运动，比如快速转动或者缓慢旋转等。
   • 陀螺仪具有动态稳定性，但不具备静态稳定性。

2. 参数

ADC和数据存储

• 16位ADC：MPU6050集成了16位的ADC，用于将模拟信号转换为数字信号，量化范围为-32768到32767。
• 量化过程：ADC将模拟信号转换为数字信号，并以两个字节进行存储。

加速度计满量程选择：±2、±4、±8、±16（g）

陀螺仪满量程选择： ±250、±500、±1000、±2000（°/sec）​​​​​​​

可配置的数字低通滤波器

• 允许用户根据应用需求配置滤波器，滤除噪声和干扰。

可配置的时钟源

• 支持多种时钟源，包括内部振荡器、外部参考时钟等。

采样率

• 采样率可以通过配置寄存器设置，决定数据采集的频率。

I2C地址配置

• I2C从机地址：
  • 当AD0引脚接低电平（AD0=0）：地址为0x68。
  • 当AD0引脚接高电平（AD0=1）：地址为0x69。
  • 具体地址配置决定了在I2C总线上的唯一性，避免地址冲突。

2.1 量程选择

满量程选择

• 剧烈运动：选择较大的满量程，确保测量范围足够大。
• 平缓运动：选择较小的满量程，提升测量分辨率。

加速度计满量程示例：

• ±16g：
  • 读取的ADC值为最大值32768时，对应实际加速度为16g。
  • ADC值为32768的一半（16384）时，对应加速度为8g。
• ±2g：
  • 读取的ADC值为最大值32768时，对应实际加速度为2g。
  • ADC值为32768的一半（16384）时，对应加速度为1g。

测量分辨率：

• 满量程越小，测量分辨率越高，测量越精细。
• 满量程越大，测量范围越广。
• ADC值与加速度值呈线性关系，可以通过乘一个系数从ADC值计算出实际加速度。

2.2 I2C从机地址配置

二进制地址转换为十六进制：

• 以从机地址1101000为例。
• 把7位二进制数1101000转换为十六进制，即分割低4位和高3位：0110 1000，转换后为0x68。

I2C时序中的地址格式：

• 在I2C通信时，需要发送7位从机地址1101000加上1位读写位。
• 认为0x68是从机地址，需要将0x68左移1位，再加上读写位（0或1）。
• 转换步骤：
  • 将0x68左移1位：1101 0000（即0xD0）。
  • 再与读写位（0或1）进行或操作：(0x68 << 1) | 0 或 (0x68 << 1) | 1。

实际应用：

• 写操作时，从机地址为0xD0。
• 读操作时，从机地址为0xD1。

3. 硬件电路

引脚	功能
VCC、GND	电源3.3v
SCL、SDA	I2C通信引脚
XCL、XDA	主机I2C通信引脚
AD0	从机地址最低位
INT	中断信号输出

4. 框架图

5. 软件和硬件波形对比

软件I2C实现

1. 波形特点：软件I2C的波形较为不规整，每个时钟周期和空闲时间都不一致。
2. 操作特点：软件I2C时的引脚操作会有一定的延时，因此各个时钟周期的间隔和占空比都不均匀。

硬件I2C实现

1. 波形特点：硬件I2C的波形更加规整，时钟周期和占空比非常一致。
2. 操作特点：每个时钟周期后都有严格的延时，保证每个周期的时间相同。

6. 软件I2C读写MPU6050

6.1 程序整体构架

首先建立I2C通信层的.c和.h模块，再建立MPU6050.c, 最后是main.c

• Main.c
  • 调用MPU6050初始化函数。
  • 循环读取数据并进行显示。
• MPU6050.c
  • 基于I2C通信协议，设定设备地址，发送读写指令。
  • 配置寄存器，读取传感器数据。
• I2C.c
  • 初始化GPIO。
  • 编写基本的I2C操作函数，包括起始条件、终止条件、发送/接收一个字节、发送/接收应答等。

6.2 一些需要注意的点：

起始和终止条件

• 起始条件：在SCL高电平期间，SDA由高电平变为低电平，产生起始条件（Start Condition）。这表示一次I2C通信的开始。

• 终止条件：在SCL高电平期间，SDA由低电平变为高电平，产生终止条件（Stop Condition）。这表示一次I2C通信的结束。

数据传输过程

• 数据位传输：在SCL低电平期间，主机可以改变SDA的电平，即在SCL的每一个低电平周期内，主机将要传输的数据位放在SDA线上。

• 数据位读取：在SCL高电平期间，从机读取SDA线上的数据。此时，SDA线上的电平表示当前传输的数据位。

应答位的发送和接收

• 发送应答：在主机发送完一个字节数据后，从机会在下一个SCL高电平期间将SDA线拉低，表示已接收到数据（ACK）。

• 接收应答：主机在发送完数据后，将SDA线释放为高电平，然后在SCL高电平期间读取SDA的电平，判断是否收到从机的应答。

I2C引脚配置

• 开漏输出+弱上拉：I2C引脚配置为开漏输出，并启用弱上拉电阻。这意味着，当引脚输出高电平时，实际上是释放引脚，由上拉电阻将其拉高。当引脚输出低电平时，引脚被拉低。

接收Byte程序

• 循环读取SDA：在接收数据时，主机会不断循环读取SDA引脚的电平。在SCL时钟的驱动下，从机会在SDA线上放置数据。
• 数据有效性：由于从机会在SCL高电平期间改变SDA的电平，因此主机在读取SDA时，可以获得从机发送的数据。

6.3 MPU6050初始化配置

6.4 传感器模型

​​​​​​​这里借用一张图片

7. 代码实现

软件I2C读写MPU6050

​​​​​​​7.1  MyI2C.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"/*引脚配置层*//*** 函    数：I2C写SCL引脚电平* 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SCL的电平，范围0~1* 返 回 值：无* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SCL为低电平，当BitValue为1时，需要置SCL为高电平*/
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SCL引脚的电平Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}/*** 函    数：I2C写SDA引脚电平* 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SDA的电平，范围0~0xFF* 返 回 值：无* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SDA为低电平，当BitValue非0时，需要置SDA为高电平*/
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SDA引脚的电平，BitValue要实现非0即1的特性Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}/*** 函    数：I2C读SDA引脚电平* 参    数：无* 返 回 值：协议层需要得到的当前SDA的电平，范围0~1* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当前SDA为低电平时，返回0，当前SDA为高电平时，返回1*/
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{uint8_t BitValue;BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);		//读取SDA电平Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求return BitValue;											//返回SDA电平
}/*** 函    数：I2C初始化* 参    数：无* 返 回 值：无* 注意事项：此函数需要用户实现内容，实现SCL和SDA引脚的初始化*/
void MyI2C_Init(void)
{/*开启时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);	//开启GPIOB的时钟/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);					//将PB10和PB11引脚初始化为开漏输出/*设置默认电平*/GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);			//设置PB10和PB11引脚初始化后默认为高电平（释放总线状态）
}/*协议层*//*** 函    数：I2C起始* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MyI2C_Start(void)
{MyI2C_W_SDA(1);							//释放SDA，确保SDA为高电平MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，确保SCL为高电平MyI2C_W_SDA(0);							//在SCL高电平期间，拉低SDA，产生起始信号MyI2C_W_SCL(0);							//起始后把SCL也拉低，即为了占用总线，也为了方便总线时序的拼接
}/*** 函    数：I2C终止* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MyI2C_Stop(void)
{MyI2C_W_SDA(0);							//拉低SDA，确保SDA为低电平MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，使SCL呈现高电平MyI2C_W_SDA(1);							//在SCL高电平期间，释放SDA，产生终止信号
}/*** 函    数：I2C发送一个字节* 参    数：Byte 要发送的一个字节数据，范围：0x00~0xFF* 返 回 值：无*/
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{uint8_t i;for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次发送数据的每一位{MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));	//使用掩码的方式取出Byte的指定一位数据并写入到SDA线MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，从机在SCL高电平期间读取SDAMyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，主机开始发送下一位数据}
}/*** 函    数：I2C接收一个字节* 参    数：无* 返 回 值：接收到的一个字节数据，范围：0x00~0xFF*/
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{uint8_t i, Byte = 0x00;					//定义接收的数据，并赋初值0x00，此处必须赋初值0x00，后面会用到MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次接收数据的每一位{MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDAif (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}	//读取SDA数据，并存储到Byte变量//当SDA为1时，置变量指定位为1，当SDA为0时，不做处理，指定位为默认的初值0MyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，从机在SCL低电平期间写入SDA}return Byte;							//返回接收到的一个字节数据
}/*** 函    数：I2C发送应答位* 参    数：Byte 要发送的应答位，范围：0~1，0表示应答，1表示非应答* 返 回 值：无*/
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{MyI2C_W_SDA(AckBit);					//主机把应答位数据放到SDA线MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，从机在SCL高电平期间，读取应答位MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块
}/*** 函    数：I2C接收应答位* 参    数：无* 返 回 值：接收到的应答位，范围：0~1，0表示应答，1表示非应答*/
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{uint8_t AckBit;							//定义应答位变量MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDAAckBit = MyI2C_R_SDA();					//将应答位存储到变量里MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块return AckBit;							//返回定义应答位变量
}

​​​​​​​7.2  MyI2C.h

#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_Hvoid MyI2C_Init(void);
void MyI2C_Start(void);
void MyI2C_Stop(void);
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void);
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void);#endif

7.3 MPU6050.C

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MyI2C.h"
#include "MPU6050_Reg.h"#define MPU6050_ADDRESS		0xD0		//MPU6050的I2C从机地址/*** 函    数：MPU6050写寄存器* 参    数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述* 参    数：Data 要写入寄存器的数据，范围：0x00~0xFF*/
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{MyI2C_Start();						//I2C起始MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);	//发送从机地址，读写位为0，表示即将写入MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答MyI2C_SendByte(RegAddress);			//发送寄存器地址MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答MyI2C_SendByte(Data);				//发送要写入寄存器的数据MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答MyI2C_Stop();						//I2C终止
}/*** 函    数：MPU6050读寄存器* 参    数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述* 返 回 值：读取寄存器的数据，范围：0x00~0xFF*/
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{uint8_t Data;MyI2C_Start();						//I2C起始MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);	//发送从机地址，读写位为0，表示即将写入MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答MyI2C_SendByte(RegAddress);			//发送寄存器地址MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答MyI2C_Start();						//I2C重复起始MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01);	//发送从机地址，读写位为1，表示即将读取MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答Data = MyI2C_ReceiveByte();			//接收指定寄存器的数据MyI2C_SendAck(1);					//发送应答，给从机非应答，终止从机的数据输出MyI2C_Stop();						//I2C终止return Data;
}/*** 函    数：MPU6050初始化* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MPU6050_Init(void)
{MyI2C_Init();									//先初始化底层的I2C/*MPU6050寄存器初始化，需要对照MPU6050手册的寄存器描述配置，此处仅配置了部分重要的寄存器*/MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);		//电源管理寄存器1，取消睡眠模式，选择时钟源为X轴陀螺仪MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);		//电源管理寄存器2，保持默认值0，所有轴均不待机MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);		//采样率分频寄存器，配置采样率MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);			//配置寄存器，配置DLPFMPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);	//陀螺仪配置寄存器，选择满量程为±2000°/sMPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);	//加速度计配置寄存器，选择满量程为±16g
}/*** 函    数：MPU6050获取ID号* 参    数：无* 返 回 值：MPU6050的ID号*/
uint8_t MPU6050_GetID(void)
{return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);		//返回WHO_AM_I寄存器的值
}/*** 函    数：MPU6050获取数据* 参    数：AccX AccY AccZ 加速度计X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767* 参    数：GyroX GyroY GyroZ 陀螺仪X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767* 返 回 值：无*/
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{uint8_t DataH, DataL;								//定义数据高8位和低8位的变量DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);		//读取加速度计X轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);		//读取加速度计X轴的低8位数据*AccX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);		//读取加速度计Y轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);		//读取加速度计Y轴的低8位数据*AccY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);		//读取加速度计Z轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);		//读取加速度计Z轴的低8位数据*AccZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);		//读取陀螺仪X轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);		//读取陀螺仪X轴的低8位数据*GyroX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);		//读取陀螺仪Y轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);		//读取陀螺仪Y轴的低8位数据*GyroY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);		//读取陀螺仪Z轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);		//读取陀螺仪Z轴的低8位数据*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
}

7.4 MPU6050.H

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_Hvoid MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data);
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress);void MPU6050_Init(void);
uint8_t MPU6050_GetID(void);
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ);#endif

7.5 MPU6050_Reg.h

#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48#define	MPU6050_PWR_MGMT_1		0x6B
#define	MPU6050_PWR_MGMT_2		0x6C
#define	MPU6050_WHO_AM_I		0x75#endif

7.6 main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MPU6050.h"uint8_t ID;								//定义用于存放ID号的变量
int16_t AX, AY, AZ, GX, GY, GZ;			//定义用于存放各个数据的变量int main(void)
{/*模块初始化*/OLED_Init();		//OLED初始化MPU6050_Init();		//MPU6050初始化/*显示ID号*/OLED_ShowString(1, 1, "ID:");		//显示静态字符串ID = MPU6050_GetID();				//获取MPU6050的ID号OLED_ShowHexNum(1, 4, ID, 2);		//OLED显示ID号while (1){MPU6050_GetData(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);		//获取MPU6050的数据OLED_ShowSignedNum(2, 1, AX, 5);					//OLED显示数据OLED_ShowSignedNum(3, 1, AY, 5);OLED_ShowSignedNum(4, 1, AZ, 5);OLED_ShowSignedNum(2, 8, GX, 5);OLED_ShowSignedNum(3, 8, GY, 5);OLED_ShowSignedNum(4, 8, GZ, 5);}
}