項目9

運動量檢測

主講人目錄9.1認識運動量檢測傳感器9.2三軸加速度傳感器應用實訓9.3六軸陀螺儀應用實訓9.4思考與練習

速度、角速度和加速度可直接反映物體運動的快慢程度和動態(tài)受力情況，運動量的檢測在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、軍事領域都有廣泛的應用。例如，陀螺儀在手機中用于計步、攝像頭防抖；汽車速度的檢測可以使我們能夠安全駕駛；軋鋼速度檢測直接關系到鋼鐵生產(chǎn)的連續(xù)性，過快或者過慢都可能發(fā)生事故；角速度和加速度的檢測被用于慣性導航；加速度通過牛頓第二定律可直接聯(lián)系到物體所受到的合外力，是表征動態(tài)力的重要指標。在振動檢測中，速度和加速度是表征振動的重要參數(shù)。通過學習，熟悉速度傳感器、加速度傳感器、陀螺儀的工作原理，了解常用運動量檢測傳感器的特點及結構，掌握速度、加速度傳感器以及陀螺儀的使用方法。知識目標識目標技能目標通過實踐和訓練，掌握各種運動量檢測傳感器的選型及實際應用，掌握運動量檢測傳感器和STM32的接口技術和編程技術。認識運動量檢測傳感器9.19.1

認識運動量檢測傳感器

運動量檢測包括速度檢測、角速度檢測以及加速度檢測等，運動量檢測傳感器就是將被測運動量的變化轉(zhuǎn)換為電信號的測量裝置，輸出的信號包括模擬信號和數(shù)字信號。9.1.1

速度傳感器

從原理上來說，使用位移傳感器所得的數(shù)值對時間進行求導可以得到速度量，速度的檢測在日常生活中隨處可見，比如利用多普勒效應進行車速的檢測、利用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器進行自行車速度的檢測。同樣，在工業(yè)生產(chǎn)中速度的檢測應用也非常廣泛，比如自控機床轉(zhuǎn)速的檢測、自動焊縫跟蹤系統(tǒng)鋼焊接速度的檢測。常見的速度傳感器種類非常多，本章節(jié)介紹多普勒效應測速、測速發(fā)電機、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器以及磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器。1.多普勒效應測速1）多普勒效應

假若發(fā)射機與接收機之間發(fā)生相對運動，則發(fā)射機發(fā)射信號的頻率與接收機收到信號的頻率不同。因為這一現(xiàn)象是奧地利科學家多普勒最早發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為多普勒效應。

如果發(fā)射機和接收機在同一地點，被測物體以速度υ向發(fā)射機和接收機運動，我們可以把被測物體對信號的反射現(xiàn)象看成是一個發(fā)射機。這樣，接收機和被測物體之間因有相對運動，所以就產(chǎn)生了多普勒效應。圖9-1多普勒效應示意圖（a）發(fā)射機向被測物發(fā)射無線電波信號（b）接收機接收被測物反射信號

如圖9-1(a)所示，發(fā)射機向被測物體發(fā)射無線電波信號，被測物體以速度ν運動，被測物體做為接收機接收到的信號頻率為：

（9-1）式中：f0－發(fā)射機發(fā)射信號的頻率，單位Hz；

ν－被測物體的運動速度，單位m/s；

λ0－發(fā)射信號波長，

，其中C為電磁波的傳播速度。如果把f1做為反射波向接收機發(fā)射信號，如圖9-1(b)所示。接收機接收到的信號頻率為：（9-2）由于被測物體的運動速度遠小于電磁波的傳播速度，則可認為，代入上式可得：（9-3）由多普勒效應產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率，即：（9-4）從式（9-4）可以看到被測物體的運動速度可以用多普勒頻率來描述。2）多普勒雷達測速

下圖為多普勒雷達測速的電路原理框圖，它由發(fā)射機、接受機、混頻器、檢波器、放大器及處理電路等組成。當發(fā)射信號和接收到的回波信號經(jīng)混頻器混頻后，兩者產(chǎn)生頻差現(xiàn)象，頻率之差正好為多普勒頻率。

利用多普勒雷達可以對被測物體的線速度進行測量。如圖9-3所示，多普勒雷達產(chǎn)生的多普勒頻率為：

式中：ν－被測物體的線速度；

θ－電磁波方向與速度方向夾角；

λ0－電磁波的波長。用多普勒雷達測量運動物體線速度的方法，已廣泛用于檢測車輛的行駛速度。圖9-3多普勒雷達測速原理圖2.測速發(fā)電機測速發(fā)電機是根據(jù)電磁感應原理做成的專門測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機，其輸出電壓正比于輸入軸上的轉(zhuǎn)速，即

（9-6）式中：

B－測速發(fā)電機中磁感應強度，單位T； r－測速發(fā)電機繞組的平均半徑，單位m；

l－測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子的總有效長度，單位m；

ω－測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子的角速度，單位rad/s；

n－測速發(fā)電機每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。測速發(fā)電機可分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩類。測速發(fā)電機的優(yōu)點是線性好，靈敏度高和輸出信號大。3.光電式轉(zhuǎn)速傳感器

光電式轉(zhuǎn)速傳感器屬于測頻計數(shù)式測速傳感器，其特點是在指定時間內(nèi)對轉(zhuǎn)傳速感器發(fā)出的脈沖進行計數(shù)。若每轉(zhuǎn)1周傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)為同m，T（s）時間內(nèi)脈沖計數(shù)值為N，則傳感器脈沖的頻率為：

（9-7）

每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n為：

（9-8）

由上式可見，測定傳感器脈沖的頻率f即可求得轉(zhuǎn)速n。m的數(shù)值最好是60的整數(shù)倍。光電式轉(zhuǎn)速傳感器分為反射式和透射式兩種，如圖9-4所示。圖9-4光電式轉(zhuǎn)速傳感器1-被測轉(zhuǎn)軸；2-透鏡；3-光源；4-光電器件；5-聚焦透鏡；6-光透膜片；7-聚焦透鏡；8-光源；9-透鏡；10-指示盤；11-旋轉(zhuǎn)盤；12-光電元件4.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器同樣屬于測頻計數(shù)式測速傳感器，其工作原理如圖9-5所示。圖9-5

霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

5.磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器也屬于測頻計數(shù)式測速傳感器，其工作原理如圖9-6所示。（a）開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器

（b）閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器圖9-6磁電式轉(zhuǎn)速傳感器1-永久磁鐵；2-軟鐵；3-感應線圈；4-齒輪；5-轉(zhuǎn)軸；6-內(nèi)齒輪；7a、7b-外齒輪；8-線圈；9-永久磁鐵9.1.2加速度傳感器

速度的變化量與所用時間的比值叫加速度。加速度與速度的變化和發(fā)生速度變化的時間長短有關，但與速度的大小無關。加速度傳感器就是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量，就可利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、電阻式、霍爾式、壓電式等。1.電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器結構示意圖如圖9-7所示。圖9-7電容式加速度傳感器結構示意圖1、5-固定極板；2-殼體；3-簧片；4-質(zhì)量塊；6-絕緣體

質(zhì)量塊4由兩根簧片3支撐置于充滿空氣的殼體2內(nèi)。當測量垂直方向上的直線加速度時，傳感器殼體固定在被測振動體上，振動體的振動使殼體相對質(zhì)量塊運動，因而與殼體2固定在一起的兩固定極板1、5相對質(zhì)量塊4運動，致使上固定極板5與質(zhì)量塊4的A面（磨平拋光）組成的電容Cx1值以及下固定極板1與質(zhì)量塊4的B面（磨平拋光）組成的電容Cx2值隨之改變，一個增大，一個減小，它們的差值正比于被測加速度。由于采用空氣阻尼，氣體粘度系數(shù)比液體小得多，因此這種加速度傳感器的精密較高，頻率響應范圍寬，量程大，可以測很高的加速度值。2.電感式加速度傳感器

電感式加速度傳感器一般是利用差動變壓器工作原理制作而成，圖9-8（a）為變氣隙式，活動銜鐵2兼做質(zhì)量塊，由兩片彈簧片1支撐，可測量水平方向振動加速度。圖9-8(b)為螺管式，活動銜鐵2也是兼做質(zhì)量塊，由上下彈簧1支撐，用以測量垂直方向振動加速度。圖9-8

差動變壓器式加速度傳感器結構示意圖1-彈簧；2-活動銜鐵3.電阻式加速度傳感器圖9-9為電阻式加速度傳感器結構示意圖，懸臂梁1作為彈性元件，一端固定在殼體3的基座上，另一端裝有質(zhì)量塊2，懸臂梁根部粘貼應變片4連接成差動電橋。壓阻式加速度傳感器結構與圖9-9相似，只不過是直接用單晶硅作懸臂梁，并在梁的根部擴散4個電阻組成差動電橋，梁的自由端仍裝有慣性質(zhì)量塊。圖9-9所示用以測量垂直方向加速度，如果把它的安裝方向轉(zhuǎn)過90°，也可以測量水平方向的加速度。圖9-9電阻式加速度傳感器結構示意圖1-等強度粱；2-質(zhì)量塊；3-殼體；4-應變片

4.霍爾式加速度傳感器

彈簧片S的一端固定在傳感器外殼上，中間裝有質(zhì)量塊m，末端裝有霍爾元件H，在霍爾元件上下方裝有一對永久磁鐵，它們同極性（N，N）相對安裝在傳感器外殼上。傳感器外殼固定在被測振動體上，當被測物體作垂直方向振動時，其振動速度轉(zhuǎn)換為霍爾元件在磁場中的位移而產(chǎn)生相應的霍爾電勢，由霍爾電勢值可求得加速度。圖9-10霍爾式加速度傳感器結構示意圖5.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它的工作原理與前面介紹的幾種加速度傳感器的不同之處就是利用壓電材料的壓電效應，將慣性力直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觯蚱涔潭l率高，高頻響應好，如配以電荷放大器，低頻特性也很好。壓電加速度傳感器的優(yōu)點是體積小、重量輕、缺點是要經(jīng)常校正靈敏度。圖9-11壓縮式壓電加速度傳感器結構示意圖1-基座；2-壓電片；3-質(zhì)量塊；4-彈簧；5-殼體9.1.3

陀螺儀

陀螺儀，簡稱陀螺，又稱角速度傳感器。其物理定義為：陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體在相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。1.陀螺儀的發(fā)展歷程

1850年，法國物理學家，萊昂·傅科發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子由于慣性作用，其旋轉(zhuǎn)軸永遠指向固定方向，故用希臘字gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）來命名這種設備，即陀螺儀（gyroscope），并利用陀螺儀驗證了地球的自轉(zhuǎn)運動。

1908年，德國科學家，赫爾曼·安許茨·肯普費設計一種單轉(zhuǎn)子擺式陀螺，該系統(tǒng)可以憑借重力力矩自動尋找方向，解決了艦船導航的問題。二戰(zhàn)期間，德國利用陀螺儀，為V-2火箭裝備了慣性制導系統(tǒng)，實現(xiàn)陀螺儀在導彈制導領域的首次應用。

1963年，美國研制出激光陀螺儀，隨后將其應用到飛機與戰(zhàn)術導彈。

1964年，美國研制出靜電陀螺儀，并于1979年將其應用于“三叉戟”彈道導彈核潛艇，使得潛艇導航能力實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

1990年以來，以微機電陀螺儀（MEMS）、半球諧振陀螺儀（RG）為代表的振動陀螺儀，以及以核磁共振陀螺儀（NMRG）、原子干涉陀螺儀（AIG）為代表的原子陀螺儀得到快速發(fā)展。2.陀螺儀的工作原理

一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的，這就是陀螺儀的工作原理。人們根據(jù)這個道理，用它來保持方向，制造出來的儀器就叫做陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。3.陀螺儀的組成

從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉(zhuǎn)動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點轉(zhuǎn)動的運動。更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。陀螺儀的基本部件有：陀螺轉(zhuǎn)子（常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值），內(nèi)、外框架（或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結構），附件（是指力矩馬達、信號傳感器等）。4.陀螺儀的重要特性

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，但直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀有兩個非常重要的基本特性：一個是定軸性，另一個是進動性，這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的定軸性。人們騎自行車不倒也是這個道理，并且速度越快越穩(wěn)定。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支，它以物體的慣性為基礎，研究旋轉(zhuǎn)物體的動力學特性。1）定軸性當陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個固定的方向，同時反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變：

·轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，穩(wěn)定性愈好；

·轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。所謂的“轉(zhuǎn)動慣量”，是描述剛體在轉(zhuǎn)動中的慣性大小的物理量。當以相同的力矩分別作用于兩個繞定軸轉(zhuǎn)動的不同剛體時，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉(zhuǎn)動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性大；反之，轉(zhuǎn)動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性小。2）進動性

當轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動，若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進動性。影響陀螺儀進動性大小的因素：·外界作用力愈大，其進動角速度也愈大；·轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，進動角速度愈?。弧まD(zhuǎn)子的角速度愈大，進動角速度愈小。5.陀螺儀的分類

根據(jù)框架的數(shù)目和支承的形式以及附件的性質(zhì)決定陀螺儀的類型有：三自由度陀螺儀(具有內(nèi)、外兩個框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個轉(zhuǎn)動自由度。在沒有任何力矩裝置時，它就是一個自由陀螺儀)。二自由度陀螺儀(只有一個框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有一個轉(zhuǎn)動自由度)。

除了機、電框架式陀螺儀以外，還出現(xiàn)了一些新型陀螺儀，如靜電式自由轉(zhuǎn)子陀螺儀、激光陀螺儀、MEMS陀螺儀等。1）靜電陀螺儀

靜電陀螺儀又稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉(zhuǎn)子的周圍裝有均勻分布的高壓電極，對轉(zhuǎn)子形成靜電場，用靜電力支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。這種方式屬于球形支承，轉(zhuǎn)子不僅能繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時也能繞垂直于自轉(zhuǎn)軸的任何方向轉(zhuǎn)動，故屬自由轉(zhuǎn)子陀螺儀類型。靜電陀螺儀采用非接觸支承，不存在摩擦，所以精度很高。它的缺點是結構和制造工藝復雜，成本較高。2）激光陀螺儀

激光陀螺實際上是一種環(huán)形激光器，沒有高速旋轉(zhuǎn)的機械轉(zhuǎn)子，但它利用激光技術測量物體相對于慣性空間的角速度，具有速率陀螺儀的功能。

激光陀螺儀的結構和工作原理是：用熱膨脹系數(shù)極小的材料制成三角形空腔。在空腔的各頂點分別安裝三塊反射鏡，形成閉合光路。腔體被抽成真空，充以氦氖氣，并裝設電極，形成激光發(fā)生器。

激光發(fā)生器產(chǎn)生兩束射向相反的激光。當環(huán)形激光器處于靜止狀態(tài)時，兩束激光繞行一周的光程相等，因而頻率相同，所以頻差為零，干涉條紋為零。

當環(huán)形激光器繞垂直于閉合光路平面的軸轉(zhuǎn)動時，與轉(zhuǎn)動方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低；另一束光則相反，因而出現(xiàn)頻差，形成干涉條紋。單位時間的干涉條紋數(shù)正比于轉(zhuǎn)動角速度，從而完成機械式陀螺同樣的任務。它的精度大大高于機械式陀螺，沒有運動部件，易于維護，可靠性高，壽命長，從而取代機械式陀螺，成為大中型飛機慣性基準系統(tǒng)的核心部件，但是它比機械式陀螺的體積大，價格高，因此在小型飛機上使用的較少。3）MEMS陀螺儀

即硅微機電陀螺儀，絕大多數(shù)的MEMS陀螺儀依賴于相互正交的振動和轉(zhuǎn)動引起的交變科里奧利力。MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是指集機械元素、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統(tǒng)。MEMS陀螺儀是利用coriolis（科里奧利，法國物理學家）定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成與角速度成正比的直流電壓信號，其核心部件通過摻雜技術、光刻技術、腐蝕技術、LIGA技術、封裝技術等批量生產(chǎn)的。它主要特點：·體積小、重量輕，其邊長都小于1mm，器件核心的重量僅為1.2mg；·成本低；·可靠性好，工作壽命超過10萬小時，能承受1000g的沖擊；·測量范圍大。5.陀螺儀的應用

陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統(tǒng)中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線運動，而在導彈、衛(wèi)星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。

作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛(wèi)星上的照相機相對地面穩(wěn)定等。

作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導彈發(fā)射井等提供準確的方位基準。

陀螺儀的出現(xiàn)，給了消費電子很大的應用發(fā)揮空間。比如就設備輸入的方式來說，在鍵盤、鼠標、觸摸屏之后，陀螺儀又給我們帶來了手勢輸入，由于它的高精度，甚至還可以實現(xiàn)電子簽名。

陀螺儀在智能手機上的應用，陀螺儀自被發(fā)明開始，就用于導航，最早是德國人將其應用在V1、V2火箭上。如果配合GPS，手機的導航能力將達到前所未有的水準。實際上，目前很多專業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機上安裝了相應的軟件，其導航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機上用的導航儀。陀螺儀還可以和手機上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會讓手機的拍照攝像能力得到很大的提升。提升游戲體驗。各類手機游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測游戲者手的位移，從而實現(xiàn)各種游戲操作效果，如橫屏改豎屏、賽車游戲拐彎等等。

除了我們熟悉的智能手機以外，汽車上也用了很多微機電陀螺儀，在高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器，用來檢測汽車不同部位的工作狀態(tài)，給行車電腦提供信息，讓用戶更好的控制汽車。

由此可見，陀螺儀器的應用范圍是相當廣泛的，它在現(xiàn)代化的國防建設和國民經(jīng)濟建設中均占重要的地位。三軸加速度傳感器應用實訓9.29.2.1

實訓目的及要求

通過實訓，了解三軸加速度傳感器ADXL345的工作原理，掌握三軸加速度傳感器ADXL345與STM32F407ZGT6芯片的接口技術，掌握I2C總線編程技術，熟悉使用加速度傳感器ADXL345對加速度進行檢測，在液晶顯示屏幕顯示X、Y、Z軸三個方向的加速度值。9.2

三軸加速度傳感器應用實訓9.2.2

三軸加速度傳感器ADXL345簡介

1.三軸加速度傳感器ADXL345的工作原理

ADXL345傳感器屬于微型機電系統(tǒng)傳感器，主要由硅晶片上的微機械結構組成，該結構由多晶硅彈簧懸掛，當在X、Y或Z軸上受到加速度時，它可以在任何方向上平滑偏轉(zhuǎn)，撓曲會導致固定極板和連接到懸掛結構的活動極板之間的電容發(fā)生變化，每個軸上的電容變化都會轉(zhuǎn)換為與該軸上的加速度成比例的輸出電壓。

該傳感器便是通過對此電壓進行采樣從而計算得出每個方向上的加速度，最終通過內(nèi)部處理產(chǎn)生數(shù)字輸出。該傳感器既能測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度，也能測量靜止加速度，例如重力加速度，使得器件可作為傾斜傳感器使用。2.三軸加速度傳感器ADXL345的特點及應用

ADXL345是ADI公司生產(chǎn)的一款數(shù)字三軸加速度計傳感器。它采用了高分辨率13位AD轉(zhuǎn)換器和16位數(shù)據(jù)輸出，能夠測量±2g/±4g/±8g/±16g四種量程范圍內(nèi)的加速度，具有高精度、低功耗等優(yōu)點，并支持多種數(shù)字接口，可以與各種微控制器進行通訊。

ADXL345三軸加速度傳感器基于微機電系統(tǒng)（MEMS）技術，將微小振動轉(zhuǎn)化為模擬電信號，再經(jīng)過內(nèi)部處理后輸出數(shù)字信號。它通過檢測物體在空間中的加速度及其方向，可以測量平面和立體運動狀態(tài)，廣泛應用于手機、游戲控制器、智能手表、健身設備、安全系統(tǒng)、工業(yè)自動化等領域。主要技術參數(shù)：·工作電壓：2.0v~3.6v；·功耗：40~145uA，待機模式僅0.1uA；·分辨率：13位；·三軸加速度計可編程范圍：士2g，士4g，士8g或士16g可變量程；·工作溫度：-40℃～+85℃；·通信接口：400KHzI2C或2MHzSPI；·環(huán)境溫度：片上16位ADC；·用戶可編程中斷；·封裝尺寸：LGA3mm×5mm×1mm。3.三軸加速度傳感器ADXL345的引腳定義ADXL345采用LGA3mm×5mm×1mm、14引腳小型超薄塑料封裝。ADXL345的引腳定義4.三軸加速度傳感器ADXL345的典型接線

三軸加速度傳感器ADXL345與微處理器的數(shù)據(jù)傳輸有SPI和I2C兩種通信方式，將CS引腳拉高至VDDI/O，ADXL345處于I2C模式。CS引腳應始終上拉至VDDI/O或由外部控制器驅(qū)動，因為CS引腳無連接時，默認模式不存在。因此，如果沒有采取這些措施，可能會導致該器件無法通信。SPI總線三總線連接方式

SPI總線四總線連接方式I2C接線9.2.3三軸加速度傳感器ADXL345硬件接口電路設計

ADXL345傳感器第7引腳（CS）接STM32F407的PD12引腳，第8引腳（INT1）接PD14引腳，第9引腳（INT2）接PD15引腳，第13引腳（SDA）接PB13引腳，第14引腳（SCL）接PE1引腳。9.2.4程序設計

本次實訓的任務是采用三軸加速度傳感器ADXL345對加速度進行檢測，該任務功能主要由main.c和ADXL345.c程序文件來完成，ADXL345.c文件完成STM32F407ZGT6與ADXL345芯片的通信并獲得三軸加速度數(shù)據(jù)，main.c對加速度數(shù)據(jù)進行處理并在液晶屏上顯示。本實訓程序設計的要點如下：（1）配置RCC寄存器組，開啟GPIOB、GPIOD、GPIOE時鐘；（2）配置GPIOB.13為開漏、輸出模式，GPIOE.1為推挽、輸出模式，GPIOD.12為推挽、

輸出模式，GPIOD.14、GPIOD.15為開漏、輸入模式，均無上拉/下拉電阻；（3）I2C通信、數(shù)據(jù)處理及顯示。9.2.5程序運行結果

掃描二維碼獲得整個工程文件，編譯并運行程序，對實訓傳感器進行振動，可以看到液晶顯示屏顯示X、Y、Z軸三個方向的加速度值。六軸陀螺儀應用實訓9.39.3.1實訓目的及要求

通過實訓，掌握六軸陀螺儀MPU-6050芯片與STM32F407ZGT6的接口技術，掌握I2C總線編程技術，熟悉使用六軸陀螺儀芯片MPU-6050對角速度、加速度進行檢測，在液晶顯示屏幕顯示X、Y、Z軸三個方向的加速度及角速度值。9.3

六軸陀螺儀應用實訓9.3.2六軸陀螺儀芯片MPU-6050簡介1.六軸陀螺儀芯片MPU-6050的工作原理

MPU6050由三軸加速度計和三軸陀螺儀組成，它可以測量物體在x、y、z三個方向上的加速度和角速度。加速度計可以檢測物體的線性加速度，而陀螺儀可以檢測物體的角速度。通過將加速度計和陀螺儀的測量結果進行組合，可以計算出物體的方向和角度。其系統(tǒng)框圖如圖9-20所示。圖9-20MPU6050系統(tǒng)框圖2.六軸陀螺儀MPU-6050的應用及特點

MPU-6050是InvenSense公司推出的整合性6軸運動處理組件，其內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，含有16位ADC采集傳感器的模擬信號，并且含有一個I2C接口，可用于連接外部磁力傳感器，并利用自帶的數(shù)字運動處理器硬件加速引擎，通過主I2C接口，向應用端輸出完整的9軸融合演算數(shù)據(jù)。

MPU-6050在機器人、無人機、智能家居等領域有廣泛的應用，在機器人領域，MPU-6050可以用于測量機器人的姿態(tài)和運動狀態(tài)，以實現(xiàn)精確的定位和控制；在無人機領域，MPU-6050可以用于測量無人機的姿態(tài)和角速度，以實現(xiàn)穩(wěn)定的飛行；在智能家居領域，MPU-6050可以用于測量家居設備的姿態(tài)和運動狀態(tài)，以實現(xiàn)智能化控制。六軸陀螺儀MPU-6050主要技術參數(shù)：·三軸角速度傳感器（陀螺儀），靈敏度高達31LSB/dps，滿量程范圍為±250、±500、±1000和±2000dps；·三軸加速度計，可編程滿量程范圍為±2g、±4g、±8g和±16g；·VDD電源電壓范圍為2.375V~3.46V；·陀螺儀工作電流：3.6mA（全功率，陀螺儀在所有速率下）；·陀螺儀+加速度工作電流：3.8mA（全功率，所有速率下的陀螺儀，1kHz采樣率下的加速度）；·加速低功耗模式工作電流：10μA（在1Hz）、20μA（在5Hz）、70μA（在20Hz）、140μA（在40Hz）；·全芯片空閑模式電源電流：5μA；·400kHz快速模式I2C串行主機接口；·工作溫度：-40℃~85℃；·適用于便攜式設備的最小、最薄的封裝24腳（4×4×0.9mmQFN）。3.六軸陀螺儀MPU-6050的引腳定義

六軸陀螺儀MPU-6050采用24腳（4×4×0.9mmQFN）封裝。MPU6050的引腳定義

4.六軸陀螺儀MPU-6050的典型用法

MPU6050工