如何使用Arduino开发板和ADXL345加速度计跟踪方向

风筝

在本篇文章中，我们将学习如何使用Arduino开发板和ADXL345加速计传感器测量角度和跟踪方向。首先，我们将介绍传感器是如何工作以及如何从中读取数据，然后使用Processing开发环境，对加速度计方向进行3D可视化。

ADXL345加速度计的工作原理

首先，让我们来看看ADXL345传感器的工作原理。这是一个3轴加速度计，可以测量静态和动态加速度力。地球重力是静力的典型例子，而动态力可以由振动、运动等引起。

ADXL345加速度计的工作原理

加速度的测量单位是米每二次方秒（m/s^2）。但是，加速计传感器通常以“g”或重力表示测量值。一个“g”是地球重力的值，它等于每平方秒9.8米。

因此，如果我们将加速度计平放，其Z轴朝上，与重力相反，则传感器的Z轴输出将为1g。另一方面，X和Y输出将为零，因为重力垂直于这些轴并且根本不影响它们。

ADXL345 3轴加速器输出数据

如果我们将传感器倒置，那么Z轴输出将为-1 g。这意味着传感器由于其重力方向的输出可以在-1g到+ 1g之间变化。

adxl345 z轴输出

因此，根据这些数据并使用一些三角函数数学，我们可以计算传感器定位的角度。

如何使用Arduino读取ADXL345加速度计数据

好的，现在让我们看看如何使用Arduino读取ADXL345加速度计数据。该传感器使用I2C协议与Arduino进行通信，因此我们只需要两条线连接它，另外还需要两条线来为它供电。

Arduino和ADXL345加速度计电路图

ADXL345加速度计的Arduino代码

以下是读取ADXL345加速度计数据的Arduino代码。

1. /*
   
2.     Arduino and ADXL345 Accelerometer Tutorial
   
3.      by Dejan, https://howtomechatronics.com
   
4. */
   
5. #include <Wire.h>  // Wire library - used for I2C communication
   
6. int ADXL345 = 0x53; // The ADXL345 sensor I2C address
   
7. float X_out, Y_out, Z_out;  // Outputs
   
8. void setup() {
   
9.   Serial.begin(9600); // Initiate serial communication for printing the results on the Serial monitor
   
10.   Wire.begin(); // Initiate the Wire library
    
11.   // Set ADXL345 in measuring mode
    
12.   Wire.beginTransmission(ADXL345); // Start communicating with the device
    
13.   Wire.write(0x2D); // Access/ talk to POWER_CTL Register - 0x2D
    
14.   // Enable measurement
    
15.   Wire.write(8); // (8dec -> 0000 1000 binary) Bit D3 High for measuring enable
    
16.   Wire.endTransmission();
    
17.   delay(10);
    
18. }
    
19. void loop() {
    
20.   // === Read acceleromter data === //
    
21.   Wire.beginTransmission(ADXL345);
    
22.   Wire.write(0x32); // Start with register 0x32 (ACCEL_XOUT_H)
    
23.   Wire.endTransmission(false);
    
24.   Wire.requestFrom(ADXL345, 6, true); // Read 6 registers total, each axis value is stored in 2 registers
    
25.   X_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // X-axis value
    
26.   X_out = X_out/256; //For a range of +-2g, we need to divide the raw values by 256, according to the datasheet
    
27.   Y_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // Y-axis value
    
28.   Y_out = Y_out/256;
    
29.   Z_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // Z-axis value
    
30.   Z_out = Z_out/256;
    
31.   Serial.print("Xa= ");
    
32.   Serial.print(X_out);
    
33.   Serial.print("   Ya= ");
    
34.   Serial.print(Y_out);
    
35.   Serial.print("   Za= ");
    
36.   Serial.println(Z_out);
    
37. }

复制代码

代码描述：首先我们需要包含用于I2C通信的Wire.h库。每个使用I2C通信的器件都有一个唯一的I2C地址，该地址可以在传感器的数据手册中找到（ADXL345数据手册）。因此，我们定义了三个输出的地址和变量之后，首先在setup函数部分中，我们需要初始化wire库，然后将加速度计设置为测量模式。为了实现这一点，如果我们再次查看数据手册，可以看到需要将POWER_CTL寄存器的位D3置为高电平。

adxl345电源寄存器 - 启用测量模式

接下来，使用beginTransmission()函数，我们开始通信，然后使用write()函数，我们告诉要访问哪个寄存器，再次使用write()函数，将D3位设置为HIGH，通过写入十进制的数字8，对应于将D3位设置为HIGH。

1. // Set ADXL345 in measuring mode
   
2.   Wire.beginTransmission(ADXL345); // Start communicating with the device
   
3.   Wire.write(0x2D); // Access/ talk to POWER_CTL Register - 0x2D
   
4.   // Enable measurement
   
5.   Wire.write(8); // (8dec -> 0000 1000 binary) Bit D3 High for measuring enable
   
6.   Wire.endTransmission();

复制代码

现在我们在loop()函数部分中读取传感器的数据。每个轴的数据存储在两个字节或寄存器中。我们可以从数据手册中看到这些寄存器的地址。

adxl345加速器x y z数据寄存器

为了全部读取它们，我们从第一个寄存器开始，并使用requestedtionFrom()函数，我们要求读取6个寄存器。然后使用read()函数，我们从每个寄存器读取数据，并且由于输出是两个补码，我们将它们适当地组合以获得正确的值。

1. // === Read acceleromter data === //
   
2.   Wire.beginTransmission(ADXL345);
   
3.   Wire.write(0x32); // Start with register 0x32 (ACCEL_XOUT_H)
   
4.   Wire.endTransmission(false);
   
5.   Wire.requestFrom(ADXL345, 6, true); // Read 6 registers total, each axis value is stored in 2 registers
   
6.   X_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // X-axis value
   
7.   X_out = X_out/256; //For a range of +-2g, we need to divide the raw values by 256, according to the datasheet
   
8.   Y_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // Y-axis value
   
9.   Y_out = Y_out/256;
   
10.   Z_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // Z-axis value
    
11.   Z_out = Z_out/256;

复制代码

传感器的输出值实际上取决于所选的灵敏度，灵敏度可在±2g到±16g之间变化。默认灵敏度为±2g，这就是为什么我们需要将输出除以256以获得-1到+1g的值。 256 LSB / g意味着我们每g有256个计数。

adxl345灵敏度范围

根据应用，我们可以选择适当的灵敏度。在本例中，对于跟踪方向，±2g灵敏度很好，但对于需要从突然移动、冲击等感知更高加速力的应用，我们可以使用DATA_FORMAT寄存器和它的D1和D0位选择一些其他灵敏度范围。

adxl345灵敏度范围寄存器和真值表

ADXL345加速器校准

然而，一旦我们读取数据，我们可以简单地在串行监视器上打印它以检查值是否符合预期。本例中，我得到的值并不完全正确，特别是Z轴有0.1g的明显误差。

adxl345加速度计校准

为了解决这个问题，我们需要使用3个偏移校准寄存器来校准加速度计，以下是如何做到这一点。我们需要将传感器平放，并打印RAW值而不将它们除以256。

adxl345加速度计校准过程

从现在开始，我们可以注意到输出偏移了多少，在我的例子中，Z输出大约是283。这相差27，为正。现在我们需要将此值除以4，这将使用我们需要写入Z轴偏移寄存器的数字。如果我们现在上传代码，Z轴输出将正好是256或1g。

1. // This code goes in the SETUP section
   
2. // Off-set Calibration
   
3.   //X-axis
   
4.   Wire.beginTransmission(ADXL345);
   
5.   Wire.write(0x1E);  // X-axis offset register
   
6.   Wire.write(1);
   
7.   Wire.endTransmission();
   
8.   delay(10);
   
9.   //Y-axis
   
10.   Wire.beginTransmission(ADXL345);
    
11.   Wire.write(0x1F); // Y-axis offset register
    
12.   Wire.write(-2);
    
13.   Wire.endTransmission();
    
14.   delay(10);
    
15.   
    
16.   //Z-axis
    
17.   Wire.beginTransmission(ADXL345);
    
18.   Wire.write(0x20); // Z-axis offset register
    
19.   Wire.write(-7);
    
20.   Wire.endTransmission();
    
21.   delay(10);

复制代码

如果需要，我们应该使用相同的方法校准另一个轴。 有一点需要注意的是，此校准不会永久写入寄存器。 我们需要在传感器每次上电时将这些值写入寄存器。

完成校准后，我们现在可以使用这两个公式计算出滚动和俯仰，或绕X轴旋转和围绕Y轴旋转的度数。

1. // Calculate Roll and Pitch (rotation around X-axis, rotation around Y-axis)
   
2.   roll = atan(Y_out / sqrt(pow(X_out, 2) + pow(Z_out, 2))) * 180 / PI;
   
3.   pitch = atan(-1 * X_out / sqrt(pow(Y_out, 2) + pow(Z_out, 2))) * 180 / PI;

复制代码

有关这些公式如何工作的更多详细信息，请查看此飞思卡尔半导体应用说明。

Arduino和ADXL345加速度计方向跟踪 - 三维可视化

好吧，让我们现在制作加速度计3D可视化示例。

Arduino和ADXL345加速度计方向跟踪 - 三维可视化

因此，我们使用相同的代码，通过串口发送Roll和Pitch值。 以下是完整的Arduino代码：

1. /*
   
2.     Arduino and ADXL345 Accelerometer - 3D Visualization Example
   
3.      by Dejan, https://howtomechatronics.com
   
4. */
   
5. #include <Wire.h>  // Wire library - used for I2C communication
   
6. int ADXL345 = 0x53; // The ADXL345 sensor I2C address
   
7. float X_out, Y_out, Z_out;  // Outputs
   
8. float roll,pitch,rollF,pitchF=0;
   
9. void setup() {
   
10.   Serial.begin(9600); // Initiate serial communication for printing the results on the Serial monitor
    
11. 
    
12.   Wire.begin(); // Initiate the Wire library
    
13.   // Set ADXL345 in measuring mode
    
14.   Wire.beginTransmission(ADXL345); // Start communicating with the device
    
15.   Wire.write(0x2D); // Access/ talk to POWER_CTL Register - 0x2D
    
16.   // Enable measurement
    
17.   Wire.write(8); // Bit D3 High for measuring enable (8dec -> 0000 1000 binary)
    
18.   Wire.endTransmission();
    
19.   delay(10);
    
20.   //Off-set Calibration
    
21.   //X-axis
    
22.   Wire.beginTransmission(ADXL345);
    
23.   Wire.write(0x1E);
    
24.   Wire.write(1);
    
25.   Wire.endTransmission();
    
26.   delay(10);
    
27.   //Y-axis
    
28.   Wire.beginTransmission(ADXL345);
    
29.   Wire.write(0x1F);
    
30.   Wire.write(-2);
    
31.   Wire.endTransmission();
    
32.   delay(10);
    
33.   //Z-axis
    
34.   Wire.beginTransmission(ADXL345);
    
35.   Wire.write(0x20);
    
36.   Wire.write(-9);
    
37.   Wire.endTransmission();
    
38.   delay(10);
    
39. }
    
40. void loop() {
    
41.   // === Read acceleromter data === //
    
42.   Wire.beginTransmission(ADXL345);
    
43.   Wire.write(0x32); // Start with register 0x32 (ACCEL_XOUT_H)
    
44.   Wire.endTransmission(false);
    
45.   Wire.requestFrom(ADXL345, 6, true); // Read 6 registers total, each axis value is stored in 2 registers
    
46.   X_out = ( Wire.read() | Wire.read() << 8); // X-axis value
    
47.   X_out = X_out / 256; //For a range of +-2g, we need to divide the raw values by 256, according to the datasheet
    
48.   Y_out = ( Wire.read() | Wire.read() << 8); // Y-axis value
    
49.   Y_out = Y_out / 256;
    
50.   Z_out = ( Wire.read() | Wire.read() << 8); // Z-axis value
    
51.   Z_out = Z_out / 256;
    
52.   // Calculate Roll and Pitch (rotation around X-axis, rotation around Y-axis)
    
53.   roll = atan(Y_out / sqrt(pow(X_out, 2) + pow(Z_out, 2))) * 180 / PI;
    
54.   pitch = atan(-1 * X_out / sqrt(pow(Y_out, 2) + pow(Z_out, 2))) * 180 / PI;
    
55.   // Low-pass filter
    
56.   rollF = 0.94 * rollF + 0.06 * roll;
    
57.   pitchF = 0.94 * pitchF + 0.06 * pitch;
    
58.   Serial.print(rollF);
    
59.   Serial.print("/");
    
60.   Serial.println(pitchF);
    
61. }

复制代码

现在在Processing开发环境中，我们需要接收这些值并使用它们来旋转我们将创建的3D对象。 这是完整的Processing代码：

1. /*
   
2.     Arduino and ADXL345 Accelerometer - 3D Visualization Example
   
3.      by Dejan, https://howtomechatronics.com
   
4. */
   
5. import processing.serial.*;
   
6. import java.awt.event.KeyEvent;
   
7. import java.io.IOException;
   
8. Serial myPort;
   
9. String data="";
   
10. float roll, pitch;
    
11. void setup() {
    
12.   size (960, 640, P3D);
    
13.   myPort = new Serial(this, "COM8", 9600); // starts the serial communication
    
14.   myPort.bufferUntil('\n');
    
15. }
    
16. void draw() {
    
17.   translate(width/2, height/2, 0);
    
18.   background(33);
    
19.   textSize(22);
    
20.   text("Roll: " + int(roll) + "     Pitch: " + int(pitch), -100, 265);
    
21.   // Rotate the object
    
22.   rotateX(radians(roll));
    
23.   rotateZ(radians(-pitch));
    
24.   
    
25.   // 3D 0bject
    
26.   textSize(30);  
    
27.   fill(0, 76, 153);
    
28.   box (386, 40, 200); // Draw box
    
29.   textSize(25);
    
30.   fill(255, 255, 255);
    
31.   text("www.HowToMechatronics.com", -183, 10, 101);
    
32.   //delay(10);
    
33.   //println("ypr:\t" + angleX + "\t" + angleY); // Print the values to check whether we are getting proper values
    
34. }
    
35. // Read data from the Serial Port
    
36. void serialEvent (Serial myPort) {
    
37.   // reads the data from the Serial Port up to the character '.' and puts it into the String variable "data".
    
38.   data = myPort.readStringUntil('\n');
    
39.   // if you got any bytes other than the linefeed:
    
40.   if (data != null) {
    
41.     data = trim(data);
    
42.     // split the string at "/"
    
43.     String items[] = split(data, '/');
    
44.     if (items.length > 1) {
    
45.       //--- Roll,Pitch in degrees
    
46.       roll = float(items[0]);
    
47.       pitch = float(items[1]);
    
48.     }
    
49.   }
    
50. }

复制代码

代码描述：在这里，我们需要包括串行库，定义串口和波特率，这需要与上传的Arduino草图的波特率相匹配。然后我们读取输入数据并将其放入相应的roll和pitch变量中。在主draw循环中，我们使用这些值来旋转3D对象，本例中是一个具有特定颜色和文本的简单框。

如果我们运行草图，3D对象将出现，它将跟踪加速度计传感器的方向。我们在这里可以注意到，物体实际上有点不稳定，这是因为加速度计不仅捕获了重力，而且捕获了我们手的运动产生的小力。为了获得更平滑的结果，我们可以使用简单的低通滤波器。在这里，我在Arduino代码中实现了这样一个过滤器，它占用了之前状态的94％，并且增加了当前状态或角度的6％。

1. // Low-pass filter
   
2.   rollF = 0.94 * rollF + 0.06 * roll;
   
3.   pitchF = 0.94 * pitchF + 0.06 * pitch;

复制代码

使用此过滤器，我们可以注意到对象现在移动得更顺畅，但也有副作用，响应速度较慢。我们还可以注意到我们确实Yaw，或绕Z轴的旋转值。仅使用3轴加速度计数据，我们无法计算偏航。

为了实现这一目标并提高定向跟踪传感器的整体性能，我们实际上需要包括一个额外的传感器，一个陀螺仪，并将其数据与加速度计融合。

adxl345加速度计和l3g4200d gyrscope或mpu6050 6dof模块

因此，我们可以将ADXL345加速度计与一些陀螺仪传感器结合使用，或者使用MPU6050 IMU，它将3轴加速度计和3轴陀螺仪集成在一个芯片上。我希望你喜欢这篇文章并学到新的东西。 如果遇到问题，请随时在本帖下面进行回复。