Измеритель уровня (уклономер) на основе Arduino и MPU6050: схема и программа

В этой статье мы рассмотрим создание цифрового измерителя уровня (Inclinometer, инклинометр, креномер, уклономер) своими руками (DIY) на основе платы Arduino и MPU6050.

MPU6050 представляет собой 3-х осевой акселерометр и 3-х осевой гироскоп, объединенных в одну микросхему. Также он имеет в своем составе датчик температуры и цифровой канал с памятью, что позволяет с его помощью решать достаточно сложные задачи. Этот датчик часто используется при создании дронов и различных роботов с дистанционным управлением, в особенности самобалансирующихся роботов.

Как мы знаем, измеритель уровня обычно используется для того чтобы проверить ровная поверхность или нет. Выпускаются цифровые измерители уровня и механические (на основе пузырька воздуха – наверняка все вы его видели).

Также в этой статье мы будем удаленно считывать показания измерителя уровня – на экране смартфона. Это очень удобно, когда, к примеру, MPU6050 размещен на дроне или в другом труднодоступном месте.

На нашем сайте вы также можете прочитать статью о подключении гироскопа MPU6050 к плате Arduino.

Необходимые компоненты

Плата Pro-mini (5V) (купить на AliExpress).
Гироскоп MPU6050 (купить на AliExpress).
Bluetooth модуль HC-05 или HC-06 (купить на AliExpress).
FTDI board (плата).
Макетная плата.
Соединительные провода.
Смартфон.

Работа схемы

Схема измерителя уровня на основе платы Arduino и MPU6050 представлена на следующем рисунке. Схема достаточно простая и ее сравнительно легко можно собрать на макетной плате.

Взаимодействие с датчиком MPU6050 будет осуществляться по протоколу I2C, поэтому его контакт SDA подключен к контакту A4 платы Arduino, а контакт SCL - к контакту A5 платы Arduino. Bluetooth модуль HC-06 работает по порту последовательной связи, его контакт Rx подключен к контакту D11 платы Arduino, а его контакт Tx - к контакту D10 платы Arduino. Контакты D10 и D11 платы Arduino в программе конфигурируются так, чтобы работать как порт последовательной связи. Модуль HC-05 и датчик MSP6050 работают от напряжения +5V, поэтому в схеме они запитаны от контакта Vcc платы Arduino.

После того как вы соберете всю конструкцию на макетной плате она у вас должна получиться примерно следующего вида.

Как запитать схему

Вы можете подать питание на схему с помощью платы программирования FTDI (как сделали мы) или использовать батарейку на 9V или адаптер на 12V – в этом случае вы должны подсоединить их к контакту Raw платы Arduino pro mini – эта плата имеет в своем составе встроенный регулятор напряжения, который трансформирует поступающее входное напряжение в постоянное напряжение +5V.

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же рассмотрим его наиболее важные фрагменты.

Сначала мы должны подключить гироскоп MPU6050 к плате Arduino, для этой цели мы будем использовать библиотеку, разработанную Korneliusz Jarzebski и которую можно скачать по ссылке - MPU6050 Liberty.

Скачайте ZIP файл библиотеки по приведенной ссылке и добавьте ее в вашу Arduino IDE. После этого запустите пример из скачанной библиотеки по адресу File->Examples->Arduino_MPU6050_Master -> MPU6050_gyro_pitch_roll_yaw. Загрузите программу этого примера в Arduino Pro mini. В результате работы этого примера у вас будет установлена последовательная связь со скоростью 115200 бод/с и в окне монитора последовательной связи вы должны наблюдать примерно следующую картину.

В исходном состоянии эти три значения будут равны 0, но как только вы будете перемещать вашу макетную плату в пространстве вы заметите как будут изменяться их значения. Если они изменяются, значит, все работает нормально, если нет – ищите ошибку в соединениях схемы. Чтобы сбросить показания датчика можно нажать кнопку сброса на Arduino. Следующая картинка поможет вам понять принцип изменения значений Pitch, Roll и Yaw в зависимости от перемещения датчика MPU6050 в пространстве.

Нас из этих параметров будут интересовать только параметры Roll и Pitch. Значение параметра Roll будет говорить нам о наклоне по оси X, а значение параметра Pitch – о наклоне по оси Y. Эти данные будут поступать в плату Arduino через Bluetooth.

Для начала нам в программе необходимо подключить библиотеки, которые будут использоваться в процессе работы программы.

#include <Wire.h> //библиотеки для связи по протоколу IIC
#include <MPU6050.h> //библиотека для взаимодействия с MPU6050
#include <SoftwareSerial.h>// библиотека последовательной связи, позволяет задействовать последовательную связь на любых цифровых контактах Arduino

#include <Wire.h> //библиотеки для связи по протоколу IIC

#include <MPU6050.h> //библиотека для взаимодействия с MPU6050

#include <SoftwareSerial.h>// библиотека последовательной связи, позволяет задействовать последовательную связь на любых цифровых контактах Arduino

Далее с помощью библиотеки последовательной связи (Software Serial library) мы задействуем последовательную связь на контактах D10 и D11, которые используются в данном случае для взаимодействия с модулем Bluetooth.

SoftwareSerial BT(10, 11);  // RX, TX

1	SoftwareSerial BT(10, 11); // RX, TX

Далее мы должны инициализировать необходимые переменные и последовательные порты для связи с модулем Bluetooth и монитором последовательной связи. Для взаимодействия с модулем Bluetooth (HC-05 или HC-06) мы будем использовать скорость 9600 бод/с. Далее мы проверяем наличие соединения по протоколу IIC с датчиком MPU6050 и если его нет, то печатаем предупреждение в окне монитора последовательной связи. Далее запускаем калибровку гироскопа и выставляем ему чувствительность.

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  BT.begin(9600); //инициализируем последовательную связь с модулем Bluetooth со скоростью 9600 бод/с
  // инициализируем MPU6050
  while(!mpu.begin(MPU6050_SCALE_2000DPS, MPU6050_RANGE_2G))
  {
    Serial.println("Could not find a valid MPU6050 sensor, check wiring!");
    delay(500);
  }
  mpu.calibrateGyro();   // старт калибровки гироскопа
  mpu.setThreshold(3); //управление чувствительностью
}

void setup()

{

Serial.begin(115200);

BT.begin(9600); //инициализируем последовательную связь с модулем Bluetooth со скоростью 9600 бод/с

// инициализируем MPU6050

while(!mpu.begin(MPU6050_SCALE_2000DPS, MPU6050_RANGE_2G))

{

Serial.println("Could not find a valid MPU6050 sensor, check wiring!");

delay(500);

}

mpu.calibrateGyro(); // старт калибровки гироскопа

mpu.setThreshold(3); //управление чувствительностью

}

Команда “mpu.calibrateGyro();” производит калибровку MPU6050 на его текущей позиции. Эту команду в программе можно вызывать много раз – при ее выполнении значения показателей гироскопа будут выставляться в 0. Команда “mpu.setThreshold(3);” определяет на какую величину будут изменяться значения показателей гироскопа при его перемещении. Не выставляйте очень маленькую чувствительность (малое значение в функции) поскольку это может привести к увеличению шумов.

Далее в функции loop() мы будем непрерывно считывать значения с гироскопа, рассчитывать рассмотренные выше показатели pitch, roll и yaw и передавать их на Bluetooth модуль. Следующие две строки в программе будут считывать значения гироскопа с датчика и значение температуры.

  Vector norm = mpu.readNormalizeGyro();
  temp = mpu.readTemperature();

1 2	Vector norm = mpu.readNormalizeGyro(); temp = mpu.readTemperature();

Затем мы рассчитываем показатели pitch, roll и yaw путем умножения данных с гироскопа на шаг времени (time step) и прибавляя к ним предыдущие значения. timeStep здесь у нас – это просто время между успешными считываниями данных с датчика.

  pitch = pitch + norm.YAxis * timeStep;
  roll = roll + norm.XAxis * timeStep;
  yaw = yaw + norm.ZAxis * timeStep;

pitch = pitch + norm.YAxis * timeStep;

roll = roll + norm.XAxis * timeStep;

yaw = yaw + norm.ZAxis * timeStep;

Чтобы лучше понять что собой представляет временной шаг (timeStep) давайте посмотрим на следующую приведенную ниже строчку программы. Эта строчка помещает считываемые значения с MPU6050 точно в интервал 10 миллисекунд (мс), или 0.01 секунды. То есть значение timeStep у нас будет равно 0.01. Задержка в этой строчке используется чтобы немного замедлить выполнение программы. Если использовать только (millis() – timer()), то программа будет выполняться слишком быстро. Мы просто вычитаем значение этого выражения из 0.01 секунды и оставшееся время просто ждем с помощью использования функции delay.

delay((timeStep*1000) - (millis() - timer));

1	delay((timeStep*1000) - (millis() - timer));

После того как мы считали и рассчитали необходимые данные мы можем передавать их через Bluetooth. Но не все так просто в этом проекте. Дело в том, что Bluetooth модуль за один раз может передавать только 1 байт (8 бит) информации, то есть число от 0 до 255. То есть мы должны разделить наши значения и упаковать (map) их в этот диапазон. Это мы будем делать с помощью следующих строчек кода:

  if (roll>-100 && roll<100)
  x = map (roll, -100, 100, 0, 100);
  if (pitch>-100 && pitch<100)
  y = map (pitch, -100, 100, 100, 200);
  if (temp>0 && temp<50)
  t = 200 + int(temp);

if (roll>-100 && roll<100)

x = map (roll, -100, 100, 0, 100);

if (pitch>-100 && pitch<100)

y = map (pitch, -100, 100, 100, 200);

if (temp>0 && temp<50)

t = 200 + int(temp);

То есть значение показателя roll упаковывается в диапазон от 0 до 100 и помещается в переменную x, а значение показателя pitch упаковывается в диапазон от 100 до 200 и помещается в диапазон y. Значение температуры упаковывается в диапазон от 200 до 250 и помещается в переменную t. Аналогичным образом эти данные потом распаковываются на приемном конце. Далее мы передаем эти данные по Bluetooth с помощью следующих строчек кода:

  BT.write(x);
  BT.write(y);
  BT.write(t);

BT.write(x);

BT.write(y);

BT.write(t);

Подготовка приложения на Android

Приложение на Android для нашего проекта мы разработали с помощью бесплатной программной среды Processing IDE, программирование в которой очень похоже на программирование в Arduino. Ранее на нашем сайте программную среду Processing мы использовали в следующих проектах:

В этом проекте вы можете скачать либо готовый APK файл приложения, не утруждая себя погружением в среду Processing, либо можете скачать исходные коды приложения если все таки хотите в нее погрузиться и изменить что либо в нашей программе.

По следующей ссылке вы можете скачать готовый APK файл приложения для проектируемого нами измерителя уровня (правая кнопка мыши на ссылке и выбирайте сохранить как):

Android APK File for Arduino Inclinometer.

Примечание: это приложение будет корректно работать если только Bluetooth устройство имеет имя “HC-06”. Чтобы установить приложение на смартфон разрешите в нем установку приложений из непроверенных источников.

Объяснение кода приложения для Android

Для тех, кто все же хочет разобраться в коде приложения, мы попытаемся объяснить несколько наиболее важных фрагментов этого кода. Для работы в Processing нам необходимо будет задействовать в нем Android режим, чтобы работать с нашими Android SDK. Исходные коды приложения для Android вы можете скачать по следующей ссылке:

Processing program ZIP file for Arduino Inclinometer.

Внутри скачанного ZIP файла вы найдете папку, в которой находятся все изображения и другие данные, необходимые для работы android приложения.

В следующей строке кода программы мы указываем с каким Bluetooth устройством необходимо автоматически соединиться приложению.

bt.connectToDeviceByName("HC-06");

1	bt.connectToDeviceByName("HC-06");

Внутри функции draw(), которая представляет собой бесконечный цикл, мы будем рисовать изображения и печатать текст на экране смартфона в зависимости от данных, принимаемых по Bluetooth.

void draw() //The infinite loop
{
 background(0);
 imageMode(CENTER);
 image(logo, width/2, height/1.04, width, height/12);
  load_images();
  textfun();
  getval();
}

void draw() //The infinite loop

{

background(0);

imageMode(CENTER);

image(logo, width/2, height/1.04, width, height/12);

load_images();

textfun();

getval();

}

Также помните о том, что в программе для Arduino мы разделили передаваемые данные на три части и поместили их все в диапазон от 0 до 255. Здесь же мы должны распаковать эти данные и вернуть им нормальные значения.

  if (info<100 && info>0)
  x = map(info, 0, 100, -(width/1.5)/3, +(width/1.5)/3);//x = info;
  else if (info<200 && info>100)
  y = map(info, 100, 200, -(width/4.5)/0.8, +(width/4.5)/0.8);//y = info;
  else if (info>200)
  temp = info -200;
  println(temp,x,y);

if (info<100 && info>0)

x = map(info, 0, 100, -(width/1.5)/3, +(width/1.5)/3);//x = info;

else if (info<200 && info>100)

y = map(info, 100, 200, -(width/4.5)/0.8, +(width/4.5)/0.8);//y = info;

else if (info>200)

temp = info -200;

println(temp,x,y);

Тестирование работы измерителя уровня

После того как аппаратная часть проекта будет готова загрузите программу (приведенную в конце статьи) в плату Arduino. В коде программы вы можете снять комментарии со строк Serial.println и наблюдать за ходом выполнения программы в окне монитора последовательной связи.

После загрузки кода программы в плату Arduino запустите Android приложение для этого проекта на вашем смартфоне. Приложение должно автоматически установить соединение с вашим модулем HC-06 и на экране смартфона должна высветиться надпись “Connect to: HC-06” как показано на следующем рисунке.

Сначала все значения гироскопа будут установлены в 0 поскольку в программе мы первым делом производим калибровку гироскопа. Далее, по мере того, как вы будете наклонять конструкцию в разные стороны, значения гироскопа также будут меняться. А значения температуры с самого начала будут показываться реальные. Более подробно работа проекта показана на видео, приведенном в конце статьи.

Теперь вы можете помещать макетную плату с собранным устройством на любые поверхности и проверять действительно ли они являются ровными.

Исходный код программы

Перед загрузкой кода программы в плату Arduino не забудьте скачать и установить библиотеку для работы с гироскопом MPU6050.

/*
    MPU6050 Library: https://github.com/jarzebski/Arduino-MPU6050  (c) 2014 by Korneliusz Jarzebski   
*/
#include <Wire.h> //библиотека для связи по протоколу IIC
#include <MPU6050.h> //библиотека для работы с MPU6050
#include <SoftwareSerial.h>// библиотека последовательной связи
SoftwareSerial BT(10, 11);  // RX, TX
MPU6050 mpu;
unsigned long timer = 0;
unsigned long timer2 = 0;
float timeStep = 0.01;
float pitch = 0;
float roll = 0;
float yaw = 0;
float temp =0;
void setup() 
{
  Serial.begin(115200);
  BT.begin(9600); // инициализируем последовательную связь с модулем Bluetooth на скорости 9600 бод/с
  // инициализируем MPU6050
  while(!mpu.begin(MPU6050_SCALE_2000DPS, MPU6050_RANGE_2G))
  {
    Serial.println("Could not find a valid MPU6050 sensor, check wiring!");
    delay(500);
  }
  
  mpu.calibrateGyro();   // старт калибровки гироскопа
  mpu.setThreshold(3); // устанавливаем чувствительность гироскопа
}
void loop()
{
  timer = millis();
  //считываем данные температуры и гироскопа
  Vector norm = mpu.readNormalizeGyro();
  temp = mpu.readTemperature();
  // рассчитываем показатели Pitch, Roll и Yaw
  pitch = pitch + norm.YAxis * timeStep;
  roll = roll + norm.XAxis * timeStep;
  yaw = yaw + norm.ZAxis * timeStep;
  // Print values
  Serial.print(" Pitch = ");
  Serial.print(pitch);
  Serial.print(" Roll = ");
  Serial.print(roll);  
  Serial.print(" Yaw = ");
  Serial.print(yaw);
  Serial.print(" Temp = ");
  Serial.print(temp);
  Serial.println(" *C");
  delay((timeStep*1000) - (millis() - timer));  // используем интервал 0.01 секунды для считывания данных
  if ((millis()-timer2) > 200)
  send_BT();
}
void send_BT()
{   
  int t;
  int x;
  int y;
  if (roll>-100 && roll<100)
  x = map (roll, -100, 100, 0, 100);
  if (pitch>-100 && pitch<100)
  y = map (pitch, -100, 100, 100, 200);
  if (temp>0 && temp<50)
  t = 200 + int(temp); 
  
  BT.write(x); 
  BT.write(y);
  BT.write(t); 
  timer2 = millis();
}

#include <Wire.h> //библиотека для связи по протоколу IIC

#include <MPU6050.h> //библиотека для работы с MPU6050

#include <SoftwareSerial.h>// библиотека последовательной связи

SoftwareSerial BT(10, 11); // RX, TX

MPU6050 mpu;

unsigned long timer = 0;

unsigned long timer2 = 0;

float timeStep = 0.01;

float pitch = 0;

float roll = 0;

float yaw = 0;

float temp =0;

void setup()

{

Serial.begin(115200);

BT.begin(9600); // инициализируем последовательную связь с модулем Bluetooth на скорости 9600 бод/с

// инициализируем MPU6050

while(!mpu.begin(MPU6050_SCALE_2000DPS, MPU6050_RANGE_2G))

{

Serial.println("Could not find a valid MPU6050 sensor, check wiring!");

delay(500);

}

mpu.calibrateGyro(); // старт калибровки гироскопа

mpu.setThreshold(3); // устанавливаем чувствительность гироскопа

}

void loop()

{

timer = millis();

//считываем данные температуры и гироскопа

Vector norm = mpu.readNormalizeGyro();

temp = mpu.readTemperature();

// рассчитываем показатели Pitch, Roll и Yaw

pitch = pitch + norm.YAxis * timeStep;

roll = roll + norm.XAxis * timeStep;

yaw = yaw + norm.ZAxis * timeStep;

// Print values

Serial.print(" Pitch = ");

Serial.print(pitch);

Serial.print(" Roll = ");

Serial.print(roll);

Serial.print(" Yaw = ");

Serial.print(yaw);

Serial.print(" Temp = ");

Serial.print(temp);

Serial.println(" *C");

delay((timeStep*1000) - (millis() - timer)); // используем интервал 0.01 секунды для считывания данных

if ((millis()-timer2) > 200)

send_BT();

}

void send_BT()

{

int t;

int x;

int y;

if (roll>-100 && roll<100)

x = map (roll, -100, 100, 0, 100);

if (pitch>-100 && pitch<100)

y = map (pitch, -100, 100, 100, 200);

if (temp>0 && temp<50)

t = 200 + int(temp);

BT.write(x);

BT.write(y);

BT.write(t);

timer2 = millis();

}

Видео, демонстрирующее работу схемы

(Проголосуй первым!)

Загрузка...

4 205 просмотров

Artem говорит 14.11.2023 в 14:35:

Как заставить работать с модулем hc-05

Ответить ↓
- admin-new говорит 14.11.2023 в 18:57:
  
  Ну так в проекте использован модуль hc-05
  
  Ответить ↓
  - Artem говорит 22.12.2023 в 12:04:
    
    Что требуется сделать чтобы запустить на версии arduino nano?
    
    Ответить ↓
    - admin-new говорит 22.12.2023 в 12:39:
      
      Просто подключайте arduino nano к компьютеру через USB, а плата FTDI будет не нужна
      
      Ответить ↓

Измеритель уровня (уклономер) на основе Arduino и MPU6050

Необходимые компоненты

Работа схемы

Как запитать схему

Объяснение программы для Arduino

Подготовка приложения на Android

Объяснение кода приложения для Android

Тестирование работы измерителя уровня

Исходный код программы

Видео, демонстрирующее работу схемы

Комментарии

Измеритель уровня (уклономер) на основе Arduino и MPU6050 — 4 комментария

Добавить комментарий Отменить ответ

Необходимые компоненты

Работа схемы

Как запитать схему

Объяснение программы для Arduino

Подготовка приложения на Android

Объяснение кода приложения для Android

Тестирование работы измерителя уровня

Исходный код программы

Видео, демонстрирующее работу схемы

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ