CC BY
5УДК62-94
Родунер Д.Д.
магистрант
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (г. Санкт-Петербург, Россия)
ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЕНИЯ ПО ТРЕМ КООРДИНАТАМ С АКСЕЛЕРОМЕТРА НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ARDUINO
Аннотация: в научной статье рассмотрен процесс измерения ускорения по трем координатам с акселерометра на базе микропроцессорной системы Arduino, рассмотрены виды акселерометров, схемы подключения, изучены принципы акселерометрии, освоены библиотеки Arduino для считывания данных с акселерометра и последующим анализом.
Ключевые слова: акселерометр, измерение, визуализация, считывание.
В современном мире технологии измерения и мониторинга движения и ускорения объектов играют важную роль в множестве областей, начиная от авиации и автомобильной индустрии до медицинского оборудования и мобильных устройств. Одним из ключевых инструментов для проведения таких измерений являются акселерометры. Акселерометры предоставляют информацию о изменении скорости объекта в трехмерном пространстве, что позволяет нам анализировать движение, определять ускорение и осуществлять контроль над различными процессами. Объект исследования, акселерометр GY-521. Предмет исследования, процесс измерения ускорения по трём координатам с использованием акселерометра GY-521.
Arduino UNO - платформа с открытым исходным кодом, широко применяемая для создания интерактивных проектов и сбора данных с различных сенсоров. Использование Arduino в сочетании с акселерометром предоставляет
уникальную возможность проводить точные измерения ускорения и визуализировать результаты для дальнейшего анализа. Целью данной работы является разработка и демонстрация методики измерения ускорения по трём координатам с акселерометра, интегрированного в микропроцессорную систему Arduino.
Это позволит понять принцип работы акселерометров, овладеть навыками программирования Arduino, а также научиться анализировать и использовать данные для более глубокого понимания динамики движения объектов. Исходя из поставленной цели мы определили необходимые в работе задачи: изучение литературы и аппаратной базы, сборка аппаратной части, программирование микроконтроллера ARDUINO UNO, проведение измерений и построение графиков. В рамках данной научной статьи будут исследованы теоретические аспекты работы акселерометров, разработана методика сбора данных с использованием микропроцессорной системы Arduino.
Полученные знания и навыки могут найти практическое применение в множестве сфер, включая инженерные и медицинские исследования, автомобильную промышленность, а также разработку мобильных приложений и устройств для мониторинга движения. Акселерометр - устройство, которое измеряет ускорение объекта, в определенных направлениях.
Ускорение представляет собой изменение скорости объекта с течением времени и может проявляться как изменение скорости движения объекта (линейное ускорение) или изменение скорости вращения объекта (угловое ускорение). Акселерометры измеряют ускорение, возникающее при движении или вибрации объекта. Внутри акселерометра находится масса, прикрепленная к пружине или другому эластичному элементу.
При изменении скорости объекта масса смещается, вызывая изменение некоторого физического параметра (например, сопротивления, емкости, индуктивности или оптического сигнала), который затем преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный ускорению. Акселерометры могут использоваться в различных сферах, включая навигацию, мониторинг движения,
стабилизацию, исследования гравитации и другие области. Механические акселерометры - основаны на принципе механического равновесия. Они состоят из массы, прикрепленной к пружине или другому упругому элементу. При движении устройства масса смещается, вызывая изменение положения механической системы, которое затем преобразуется в электрический сигнал.
Пьезоэлектрические акселерометры - основаны на явлении пьезоэлектричества — возникновении электрического заряда при деформации кристалла. Внутри таких акселерометров находится пьезоэлектрический кристалл, к которому прикреплена масса. При движении устройства масса смещается, вызывая деформацию кристалла и возникновение электрического заряда, пропорционального ускорению. Капаситивные акселерометры -измеряют ускорение, опираясь на изменение емкости между двумя электродами. Один из электродов является подвижным и смещается при движении устройства, вызывая изменение емкости. Электрический сигнал, пропорциональный ускорению, затем усиливается и обрабатывается. Капаситивные акселерометры обычно характеризуются низким энергопотреблением, высокой чувствительностью и надежностью. Оптические акселерометры - используют интерференцию света для определения ускорения. Внутри акселерометра находится оптическая кавитета с зеркалами на концах.
Одно из зеркал является подвижным и смещается при движении устройства. Свет от лазера проходит через кавитет и отражается от зеркал, создавая интерференционную картину. Изменение интерференционной картины связано с смещением подвижного зеркала и может быть преобразовано в электрический сигнал, пропорциональный ускорению. АгёшпоиЫО-эффективное средство разработки программируемых электронных устройств, которые, в отличие от персональных компьютеров, ориентированы на тесное взаимодействие с окружающим миром. Ардуино- открытая программируемая аппаратная платформа для работы с различными физическими объектами и представляет собой простую плату с микроконтроллером, а также специальную среду разработки для написания программного обеспечения микроконтроллера.
Ардуино может использоваться для разработки интерактивных систем, управляемых различными датчиками и переключателями. Такие системы, в свою очередь, могут управлять работой различных индикаторов, двигателей и других устройств. Arduino Uno R3 - самая популярная плата, построенная на базе процессора ATmega328. Плату используют для обучения, разработки, создания рабочих макетов устройств. Ардуино - это AVR микроконтроллер с возможностью упрощенного программирования и разработки.
Это достигнуто с помощью специально подготовленного загрузчика, прошитого в память МК, и фирменной среды разработки. Плата имеет на борту 6 аналоговых входов, 14 цифровых выводов общего назначения (могут являться как входами, так и выходами), кварцевый генератор на 16 МГц, два разъема: силовой и USB, разъем ISCP для внутрисхемного программирования и кнопку горячей перезагрузки устройства. Для стабильной работы плату необходимо подключить к питанию либо через встроенный USB Разъем, либо подключив разъем питания к источнику от 7 до 12В. Через переходник питания плата также может работать и от батареи формата Крона.
Основное отличие платы от предыдущих - для взаимодействия по USB Arduino Uno использует отдельный микроконтроллер ATmega8U2. Прошлые версии Arduino использовали для этого микросхему программатора FTDI. GY-521 - модуль инерциальных измерительных устройств (IMU), который включает в себя акселерометр, гироскоп и иногда модуль компаса. Одним из самых распространенных чипов, используемых в модуле GY-521, является MPU-6050.0бработка данных осуществляется с помощью 16-битного АЦП (Аналого-цифровой преобразователь) на каждый канал, поэтому он обрабатывает значение x, y и z одновременно. Встроенный датчик температуры предназначен для измерения температуры и имеет диапазон измерений от -40 ° С до + 85 ° С. Для взаимодействия с Arduino используется шина I2C и датчик MPU-6050, который всегда выступает в качестве подчиненного устройства. Гироскоп - инструмент, который позволяет измерить реакцию тела на изменение углов и перемещение в пространстве.
Акселерометр служит измерителем проекции ускорения, которое только кажется. Датчик MPU-6050 работает от напряжения ~2.4 — 3.5 В далее, чтобы стабилизировать питание, на модуле GY-521 добавили стабилизатор напряжения на 3.3 В с малым падением напряжения, поэтому модуль можно подключить к напряжению 5 В и 3.3 В. Для того чтобы подключить акселерометр GY-521 к Arduino Uno, необходимо использовать провод «папа-мама» в количестве четырех единиц, инструкция подключения микроконтроллера к плате представлена в таблице.
Таблица 1. инструкция подключения микроконтроллера GY-521
к плате Arduino Uno.
Акселерометр GY-521 Arduino Uno
VCC 3.3 V
GND GND
SCL A5
SDA A4
Тема нашей научной статьи подразумевает измерение ускорения в трех плоскостях (x,y,z), с помощью акселерометра GY-521, следовательно для того чтобы считывать и записывать данные ускорения с акселерометра, в работе для написания скетча использовались библиотеки такие как: «Wire», библиотека Wire в Arduino предназначена для работы с шиной I2C (Inter-Integrated Circuit), которая позволяет микроконтроллеру общаться с различными устройствами, подключенными к одной шине. Эта библиотека предоставляет функции для управления I2C устройствами, помимо этого использовалась библиотека «MPU6050.h», которая предоставляет функции для работы с модулем инерциальных измерительных устройств (IMU) MPU-6050, который включает в себя как акселерометр, так и гироскоп. Эта библиотека упрощает взаимодействие с модулем MPU-6050 на Arduino. Экспериментальная установка представляет собой систему, включающую в себя акселерометр GY-521 подключенный к плате
Arduino Uno, которая в свою очередь подключена к USB порту COM4 с помощью кабеля: «Type A - Type B». После того, как мы убедились, что система готова к работе, приступаем к созданию скетча, который будет считывать данные с акселерометра GY-521, в скетче делаем примечание чтобы данные выводились в монитор порта с названием измеряемых осей, скетч представлен на рисунке.
1 #include <Wire.h>
2 #include <MPU6050.h>
3
4 MPU6050 три;
5
6 void setup() {
Serial.begin(9600);
8 Wire.begin{);
9 mpii.initializeQ;
10 > 11
12 void loop() {
13 intl6_t aXj ay, az;
14 mpii.getAcceleratiorii&aXj &ay, &az);
15
16 float accelerationX
17 float accelerationY
18 float accelerationZ
19
20 // Отправляем данные черев Serial порт в формате CSV с указанием осей
21 serial.print("X:")j
22 Serial.print(accelerationX);
23 Serial.printC", Y:u)j
24 Serial.print(accelerationY);
25 Serial.print(", Z:");
26 Serial.println(accelerationZ);
27
28 delay(100); ff Пауза для стабилизации данных
Рис. 1. Скетч считывания данных ускорения по трем координатам с акселерометра.
= ах / 16384.0; // Для перевода в м/с2 = ау / 16384.0; = az / 16384.0;
Компилируем и загружаем скетч на плату Arduino Uno, получаем данные измерения ускорения по трем координатам в мониторе порта.
Вывод Монитор порта х
Message (Enter to send message to 'Arduino Uno' on 'COM4')
X:-0.08, Y:0.03, Z:0.69
X:-0.08, Y:0.02, Z:0.69
X:-0.08, Y:0.03, Z:0.69
X:-0.08, Y:0.02, Z:0.69
X:-0.08, Y:0.02, Z:0.69
X:-0.08, Y:0.02, Z:0.69_
Рис. 2. Результаты измерения ускорения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Аббасов, И.Б. Компьютерное моделирование в промышленном дизайне / И.Б. Аббасов. - М.: ДМК, 2013. - 92 c;
2. Авдеев, В. Компьютерное моделирование цифровых устройств / В. Авдеев.
- М.: ДМК, 2012. - 360 c;
3. Алексеев, Д.В. Введение в компьютерное моделирование физических задач: Использование Microsoft Visual Basic / Д.В. Алексеев. - М.: Ленанд, 2019.
- 272 c;
4. Белов, А.В. Программирование микроконтроллеров для начинающих и не только / А.В. Белов. - СПб.: Наука и техника, 2016. - 352 c;
5. Кашкаров, А.П. Электронные устройства для уюта и комфорта / А.П. Кашкаров. - М.: ДМК, 2010. - 256 c;
6. Кашкаров, А.П. Электронные устройства, управляемые компьютерами, и не только / А.П. Кашкаров. - М.: ДМК, 2016. - 112 c;
7. Потехин, Д.С. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов. - М.: Горячая линия -Телеком, 2007. - 248 c
Roduner D.D.
St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation (St. Petersburg, Russia)
MEASUREMENT OF ACCELERATION IN THRCOORDINATES FROM ACCELEROMETER BASED ON ARDUINO MICROPROCESSOR SYSTEM
Abstract: the scientific article examines the process of measuring acceleration in three coordinates from an accelerometer based on the Arduino microprocessor system, examines the types of accelerometers, connection diagrams, studied the principles of accelerometry, mastered Arduino libraries for reading data from the accelerometer and subsequent analysis.
Keywords: accelerometer, measurement, visualization, reading.
