MPU6050

MPU-60X0 由三个独立的 MEMS 振动陀螺仪组成，这些陀螺仪检测 X、Y 和 Z 轴的旋转。当陀螺仪绕任何感测轴旋转时，科里奥利效应会产生振动，并由电容式传感器进行检测。产生的信号经过放大、解调和滤波处理后，生成与角速率成正比的电压。该电压通过片上独立的 16 位模数转换器（ADC）进行数字化，以便对每个轴进行采样。陀螺仪的满量程范围可以数字编程选择为 ±250、±500、±1000 或 ±2000 度每秒（dps）。ADC 的采样率可编程，从每秒 8000 个采样降低至每秒 3.9 个采样，并且用户可以选择低通滤波器，以实现不同的截止频率。

引脚说明

引脚编号	MPU-6000	MPU-6050	引脚名称	引脚描述
1	Y	Y	CLKIN	可选的外部参考时钟输入。如果不使用，连接到 GND。
6	Y	Y	AUX_DA	I²C 主串行数据，用于连接外部传感器。
7	Y	Y	AUX_CL	I²C 主串行时钟，用于连接外部传感器。
8	Y	Y	/CS	SPI 片选（0 = SPI 模式）。
8	Y	Y	VLOGIC	数字 I/O 供电电压。
9	Y	Y	AD0 / SDO	I²C 从设备地址最低有效位 (AD0) SPI 串行数据输出 (SDO)
9	Y	Y	AD0	I²C 从设备地址最低有效位 (AD0)。
10	Y	Y	REGOUT	稳压滤波器电容器连接。
11	Y	Y	FSYNC	帧同步数字输入。未使用时连接到 GND。
12	Y	Y	INT	中断数字输出（推挽或开漏）。
13	Y	Y	VDD	电源供电电压和数字 I/O 供电电压。
18	Y	Y	GND	电源地。
19, 21	Y	Y	RESV	保留引脚。不要连接。
20	Y	Y	CPOUT	电荷泵电容器连接。
22	Y	Y	RESV	保留引脚。不要连接。
23	Y	Y	SCL / SCLK	I²C 串行时钟（SCL）；SPI 串行时钟信号（SCLK）。
23	Y	Y	SCL	I²C 串行时钟（SCL）。
24	Y	Y	SDA / SDI	I²C 串行数据线（SDA）；SPI 串行数据输入线（SDI）。
24	Y	Y	SDA	I²C 串行数据线（SDA）。
2, 3, 4, 5, 14, 15, 16, 17	Y	Y	NC	未内部连接，可用于 PCB 路由。

I2C 时序特性

参数	含义	最小值	典型值	最大值	单位	说明
fSCL	SCL 时钟频率	-	-	400	kHz	I²C Fast-Mode 最大时钟频率。
tHD.STA	START 条件保持时间（重复 START 条件）	0.6	-	-	µs	START 条件后 SDA 需要保持的时间。
tLOW	SCL 低电平时间	1.3	-	-	µs	时钟信号 SCL 的低电平周期时间。
tHIGH	SCL 高电平时间	0.6	-	-	µs	时钟信号 SCL 的高电平周期时间。
tSU.STA	START 条件建立时间	0.6	-	-	µs	START 条件信号开始前 SDA 建立的时间。
tHD;DAT	数据保持时间	0	-	-	µs	数据传输后 SDA 保持的时间。
tSU;DAT	数据建立时间	100	-	-	ns	数据传输前 SDA 建立的最小时间。
tR	SCL 和 SDA 的上升时间	-	20+0.1Cb	300	ns	受电容 Cb 影响的上升时间。
tF	SCL 和 SDA 的下降时间	-	20+0.1Cb	300	ns	受电容 Cb 影响的下降时间。
tSU;STO	STOP 条件建立时间	0.6	-	-	µs	STOP 条件信号开始前的建立时间。
tBUF	STOP 和下一次 START 之间的空闲时间	1.3	-	-	µs	STOP 条件与下一次 START 之间的最小间隔。
Cb	每条总线的电容	-	-	< 400	pF	I²C 总线允许的最大电容负载。
tVD;DAT	数据有效时间（SDA 数据有效）	-	-	0.9	µs	主机或从机输出数据后，接收方必须等待最多 0.9 µs 才能确认数据是有效的。
tVD;ACK	ACK/NACK 信号有效时间（SDA 数据确认）	-	-	0.9	µs	接收端发送 ACK/NACK 信号后，发送方最多需要等待 0.9 µs 才能确认这个应答信号是有效的。

基本条件

• VDD：工作电压范围在 2.375V - 3.46V。
• VLOGIC：对于 MPU-6050，这个逻辑电压为 1.8V±5% 或等于 VDD。
• TA = 25°C：所有数据的测量温度为 25°C。

I2C 地址

I2C 接口的从设备地址的最低有效位（LSB）由引脚 9（AD0）的电平决定，

• 如果 AD0 = 0（接地，逻辑低），LSB 为 0，从设备地址为 0x68（1101000）。

• 如果 AD0 = 1（接高电平，逻辑高），LSB 为 1，从设备地址为 0x69（1101001）。

通过配置 AD0 引脚，用户可以改变 MPU-60X0 的地址，从而允许两个 MPU-60X0 设备共存于同一条 I2C 总线上，而不会发生地址冲突。

角速度与加速度

角速度

角速度描述的是一个物体绕某个轴旋转的快慢，即物体在单位时间内旋转的角度。

它是旋转运动中的一个重要物理量。

加速度

加速度是描述物体速度变化快慢的物理量。

它表示单位时间内速度的变化量，可以描述直线运动中的加速、减速，或者方向变化引起的加速（如圆周运动）。

示例电路

示例代码

业务逻辑

屏幕翻转

翻转屏幕主要基于 加速度计的重力方向。当设备正常摆放时，重力加速度主要作用在 Z 轴方向；当设备翻转（如倒置或侧翻）时，重力方向会改变。

实现原理：

• 重力加速度分布：
  • Z 轴朝上时：加速度计输出约 +1g。
  • Z 轴朝下时：加速度计输出约 -1g。
  • X 和 Y 轴也会随着设备翻转发生变化。
• 通过计算加速度计三轴（X、Y、Z）的方向与幅值，判断设备当前的朝向。

void Check_Screen_Orientation(void) {
    short accelData[3]; // 存储加速度数据 ax, ay, az
    MPU6050ReadAcc(accelData); // 读取加速度计数据

    short ax = accelData[0];
    short ay = accelData[1];
    short az = accelData[2];

    if (az > 8000) 
        printf("屏幕正向朝上\n");
    else if (az < -8000)
        printf("屏幕已翻转\n");
    else if (ax > 8000) 
        printf("屏幕左侧朝上\n");
    else if (ax < -8000) 
        printf("屏幕右侧朝上\n");
    else if (ay > 8000) 
        printf("屏幕顶部朝上\n");
    else if (ay < -8000)
        printf("屏幕底部朝上\n");
}

说明：

• ax, ay, az 是加速度计的三轴数据。
• 值为 8000 表示加速度接近 1g（取决于量程配置，例如 ±8g 时 1g≈8192）。

睡眠

睡眠状态的判断通常基于 加速度计的变化程度。当设备长时间处于静止状态（加速度变化非常小），可以认为设备处于睡眠状态。

实现原理：

• 计算加速度计三轴数据的 均方根 或 变化幅度。
• 如果变化小于某个阈值，并持续一段时间，则进入睡眠状态。

#define THRESHOLD_SLEEP 500  // 静止状态加速度变化阈值
#define SLEEP_TIME 5000      // 静止持续时间 (毫秒)

void Check_Sleep_State(void) {
    static u32 sleep_timer = 0;
    short accelData[3];
    MPU6050ReadAcc(accelData);

    short ax = accelData[0];
    short ay = accelData[1];
    short az = accelData[2];

    int accel_magnitude = sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);

    if (abs(accel_magnitude - 8192) < THRESHOLD_SLEEP) { // 判断是否接近静止
        sleep_timer += 10; // 每10ms调用一次
        if (sleep_timer >= SLEEP_TIME) {
            printf("设备进入睡眠状态\n");
            sleep_timer = SLEEP_TIME;
        }
    }
    else {
        sleep_timer = 0; // 重置计时器
    }
}

说明：

• 静止时加速度幅值接近 1g，即 8192（取决于加速度量程）。
• 如果加速度变化幅度小于阈值 THRESHOLD_SLEEP 且持续时间大于 SLEEP_TIME，认为设备进入静止。

运动状态

运动状态的检测主要通过 加速度计或陀螺仪数据的变化。当设备处于运动中时，加速度或角速度的变化较大。

实现原理：

• 加速度突变：通过检测加速度值的变化，判断设备是否处于运动中。
• 陀螺仪角速度变化：检测旋转运动，增加判断的准确性。

#define THRESHOLD_MOTION_ACCEL 2000 // 运动检测加速度变化阈值
#define THRESHOLD_MOTION_GYRO 3000  // 运动检测角速度变化阈值

void Check_Motion_State(void) {
    short accelData[3], gyroData[3];
    MPU6050ReadAcc(accelData); // 获取加速度数据
    MPU6050ReadGyro(gyroData);  // 获取陀螺仪数据

    short ax = accelData[0];
    short ay = accelData[1];
    short az = accelData[2];

    short gx = gyroData[0];
    short gy = gyroData[1];
    short gz = gyroData[2];

    if ((abs(ax) > THRESHOLD_MOTION_ACCEL) || (abs(ay) > THRESHOLD_MOTION_ACCEL) || (abs(az) > THRESHOLD_MOTION_ACCEL) ||
        (abs(gx) > THRESHOLD_MOTION_GYRO) || (abs(gy) > THRESHOLD_MOTION_GYRO) || (abs(gz) > THRESHOLD_MOTION_GYRO)) {
        printf("设备正在运动中\n");
    }
    else {
        printf("设备处于静止状态\n");
    }
}

说明：

• 加速度和角速度 的变化幅度都可用于判断运动状态。
• 如果任意轴的加速度或角速度超过设定阈值，则判定为运动。

摔倒检测

摔倒检测是一个较复杂的场景，通常结合 加速度的剧烈变化 和 角速度的瞬时变化。

实现原理：

1. 自由落体检测：加速度突然接近 0g，表示设备正在快速下坠。
2. 冲击检测：落地时加速度会瞬间增加，超过一定阈值。
3. 结合角速度变化：摔倒时通常伴随较大的旋转运动。

#define FREE_FALL_THRESHOLD 3000 // 自由落体阈值 (加速度接近0)
#define IMPACT_THRESHOLD 16000   // 冲击检测阈值
#define GYRO_THRESHOLD 3000      // 角速度变化阈值

void Check_Fall_State(void) {
    short accelData[3], gyroData[3];
    MPU6050ReadAcc(accelData); // 获取加速度数据
    MPU6050ReadGyro(gyroData);  // 获取陀螺仪数据

    short ax = accelData[0];
    short ay = accelData[1];
    short az = accelData[2];

    short gx = gyroData[0];
    short gy = gyroData[1];
    short gz = gyroData[2];

    int accel_magnitude = sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);

    if (accel_magnitude < FREE_FALL_THRESHOLD) {
        printf("检测到自由落体，可能正在下坠！\n");
    }else if (accel_magnitude > IMPACT_THRESHOLD) {
        printf("检测到强烈冲击，可能发生摔倒！\n");
    }else if ((abs(gx) > GYRO_THRESHOLD) || (abs(gy) > GYRO_THRESHOLD) || (abs(gz) > GYRO_THRESHOLD)) {
        printf("检测到大幅度旋转，可能正在摔倒！\n");
    }
}

说明：

• 自由落体：加速度接近 0。
• 冲击：落地时加速度远大于 1g。
• 摔倒往往伴随大幅度旋转，因此检测陀螺仪变化。

驱动库

https://github.com/TooUpper/SensorDrive