Подключение акселерометра ADXL345 к Raspberry Pi: схема и программа

В данной статье мы рассмотрим как подключить акселерометр ADXL345 к плате Raspberry Pi и измерить ускорение с помощью программы на Python. Raspberry Pi — это небольшой, мощный компьютер, а ADXL345 — это датчик, который может обнаруживать движение. В сочетании они создают отличную пару для всевозможных забавных проектов, таких как сигнализация движения или интерактивные игры.

Мы рассмотрим шаги по подключению двух устройств, а затем покажем, как написать простой код Python для считывания данных с акселерометра. Также ранее на нашем сайте мы рассматривали подключение акселерометра ADXL345 к плате Arduino.

Необходимые компоненты

Плата Raspberry Pi 4 Model B (или другая) (купить на AliExpress).
Акселерометр (ADXL345) (купить на AliExpress).
Макетная плата.
Соединительные провода.

Реклама: ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН: 7703380158

Цифровой акселерометр ADXL345

ADXL345 — это 3-осевой акселерометр, разработанный компанией Analog Devices. Этот датчик предназначен для точного измерения ускорения по осям X, Y и Z, что делает его пригодным для различных приложений. Он особенно популярен в таких областях как робототехника, игры, виртуальная реальность, носимые устройства и устройства IoT, среди прочих.

Этот акселерометр способен обнаруживать как статическое ускорение, например силу тяжести, так и динамическое ускорение, возникающее в результате движения или вибраций. ADXL345 имеет регулируемую чувствительность, что позволяет ему удовлетворять ряду приложений с различными требованиями к ускорению.

ADXL345 взаимодействует с микроконтроллерами с помощью интерфейсов I2C или SPI, что делает его совместимым с широким спектром платформ разработки, таких как Arduino, Raspberry Pi и др. Благодаря низкому энергопотреблению и малому форм-фактору ADXL345 идеально подходит для приложений с питанием от батареи и ограниченным пространством.

Более подробно про данный акселерометр вы можете прочитать в его техническом описании.

Технические характеристики ADXL345

ADXL345 — это трехосевой акселерометр со следующими основными характеристиками:

Оси: 3 оси (X, Y, Z).
Чувствительность: выбирается пользователем, ±2g, ±4g, ±8g или ±16g.
Разрешение: 10-бит или 13-бит, по выбору пользователя.
Скорость передачи выходных данных (ODR): от 0,10 Гц до 3200 Гц.
Интерфейсы связи: I2C (до 400 кГц) и SPI (4-проводной и 3-проводной, до 5 МГц).
Диапазон напряжения питания: от 2,0 В до 3,6 В.
Потребляемый ток: от 23 мкА до 130 мкА в зависимости от скорости выходных данных и режима измерения.
Диапазон рабочих температур: от -40°C до +85°C.
Упаковка: 3 мм × 5 мм × 1 мм LGA.

Распиновка ADXL345

Модуль 3-осевого цифрового акселерометра ADXL345 имеет 8 контактов.

GND: Заземление модуля.
VCC: Вход питания, обычно 3,3 В, но может принимать напряжение в диапазоне от 2,0 В до 3,6 В.
CS (Chip Select): используется для связи по SPI. При низком уровне включает связь по SPI; при высоком уровне переключается на связь по I2C.
INT1 (прерывание 1): этот вывод можно настроить на вывод сигналов прерывания для определенных событий, таких как обнаружение активности/бездействия, обнаружение одиночного/двойного нажатия или обнаружение свободного падения.
INT2 (прерывание 2): этот вывод можно настроить на вывод сигналов прерывания для определенных событий, таких как обнаружение активности/бездействия, обнаружение одиночного/двойного нажатия или обнаружение свободного падения.
SDO (Serial Data Out): линия Master In Slave Out (MISO) для связи по протоколу SPI.
SDA (последовательные данные): последовательные данные (I2C)/последовательный ввод данных (SPI 4-Wire)/последовательный ввод и вывод данных (SPI 3-Wire).
SCL (Serial Clock): тактовый сигнал последовательной связи. SCL — это тактовый сигнал для I2C, а SCLK — это тактовый сигнал для SPI.

Взаимодействие акселерометра ADXL345 с Raspberry Pi 4

Чтобы использовать акселерометр ADXL345 с платой Raspberry Pi 4, вам нужно будет выполнить необходимые аппаратные подключения, а затем написать скрипт Python для связи с датчиком. Давайте начнем с понимания процедуры подключения. Выполните следующие шаги, чтобы подключить акселерометр к Raspberry Pi 4.

Подключите ADXL345 к Raspberry Pi 4 следующим образом:

VCC от ADXL345 к 3,3 В на Raspberry Pi 4 (контакт 1).
GND от ADXL345 к GND на Raspberry Pi 4 (контакт 6).
SDA от ADXL345 к SDA (GPIO 2, Pin 3) на Raspberry Pi 4.
SCL от ADXL345 к SCL (GPIO 3, Pin 5) на Raspberry Pi 4.

Код Python для измерения ускорения и углов наклона

Теперь давайте напишем код Python для сопряжения ADXL345 с платой Raspberry Pi 4 и измерения ускорения по осям X, Y, Z, а также углов наклона. Мы не использовали никакую библиотеку для этого кода. Для использования этого кода вам сначала нужно включить связь I2C на плате.

Этот скрипт Python предназначен для взаимодействия с акселерометром ADXL345 с использованием протокола связи I2C. ADXL345 — это 3-осевой акселерометр, и этот скрипт позволяет считывать с него данные об ускорении и рассчитывать углы наклона (тангаж и крен) на основе значений ускорения.

Скопируйте следующий код и вставьте его в окно редактора Thonny IDE.

import smbus
import time
import math
 
# ADXL345 I2C Address
ADXL345_I2C_ADDR = 0x53
 
# ADXL345 Registers
POWER_CTL = 0x2D
DATA_FORMAT = 0x31
DATAX0 = 0x32
DATAX1 = 0x33
DATAY0 = 0x34
DATAY1 = 0x35
DATAZ0 = 0x36
DATAZ1 = 0x37
 
class ADXL345:
    G = 9.81  # Earth's gravity in m/s^2
 
    def __init__(self, bus_num=1):
        self.bus = smbus.SMBus(bus_num)
        # Set range to +/- 16g and FULL_RES bit
        self.bus.write_byte_data(ADXL345_I2C_ADDR, DATA_FORMAT, 0x0B)
        # Turn on the accelerometer
        self.bus.write_byte_data(ADXL345_I2C_ADDR, POWER_CTL, 0x08)
 
    def read_acceleration(self):
        # Read acceleration data
        bytes = self.bus.read_i2c_block_data(ADXL345_I2C_ADDR, DATAX0, 6)
        
        # Convert to 2's complement and then to m/s^2
        x = (bytes[1] << 8 | bytes[0])
        if x & (1 << 15):
            x = x - (1 << 16)
        x = (x / (2**15)) * 16 * self.G
        
        y = (bytes[3] << 8 | bytes[2])
        if y & (1 << 15):
            y = y - (1 << 16)
        y = (y / (2**15)) * 16 * self.G
        
        z = (bytes[5] << 8 | bytes[4])
        if z & (1 << 15):
            z = z - (1 << 16)
        z = (z / (2**15)) * 16 * self.G
        
        return (x, y, z)
 
    def get_tilt_angles(self):
        x, y, z = self.read_acceleration()
        
        pitch = math.degrees(math.atan2(y, math.sqrt(x**2 + z**2)))
        roll = math.degrees(math.atan2(-x, z))
 
        return pitch, roll
 
if __name__ == "__main__":
    accelerometer = ADXL345()
    while True:
        x, y, z = accelerometer.read_acceleration()
        pitch, roll = accelerometer.get_tilt_angles()
        print(f"Acceleration - X: {x:.3f} m/s^2, Y: {y:.3f} m/s^2, Z: {z:.3f} m/s^2")
        print(f"Pitch: {pitch:.2f}°, Roll: {roll:.2f}°")
        time.sleep(0.5)

import smbus

import time

import math

# ADXL345 I2C Address

ADXL345_I2C_ADDR = 0x53

# ADXL345 Registers

POWER_CTL = 0x2D

DATA_FORMAT = 0x31

DATAX0 = 0x32

DATAX1 = 0x33

DATAY0 = 0x34

DATAY1 = 0x35

DATAZ0 = 0x36

DATAZ1 = 0x37

class ADXL345:

G = 9.81 # Earth's gravity in m/s^2

def __init__(self, bus_num=1):

self.bus = smbus.SMBus(bus_num)

# Set range to +/- 16g and FULL_RES bit

self.bus.write_byte_data(ADXL345_I2C_ADDR, DATA_FORMAT, 0x0B)

# Turn on the accelerometer

self.bus.write_byte_data(ADXL345_I2C_ADDR, POWER_CTL, 0x08)

def read_acceleration(self):

# Read acceleration data

bytes = self.bus.read_i2c_block_data(ADXL345_I2C_ADDR, DATAX0, 6)

# Convert to 2's complement and then to m/s^2

x = (bytes[1] << 8 | bytes[0])

if x & (1 << 15):

x = x - (1 << 16)

x = (x / (2**15)) * 16 * self.G

y = (bytes[3] << 8 | bytes[2])

if y & (1 << 15):

y = y - (1 << 16)

y = (y / (2**15)) * 16 * self.G

z = (bytes[5] << 8 | bytes[4])

if z & (1 << 15):

z = z - (1 << 16)

z = (z / (2**15)) * 16 * self.G

return (x, y, z)

def get_tilt_angles(self):

x, y, z = self.read_acceleration()

pitch = math.degrees(math.atan2(y, math.sqrt(x**2 + z**2)))

roll = math.degrees(math.atan2(-x, z))

return pitch, roll

if __name__ == "__main__":

accelerometer = ADXL345()

while True:

x, y, z = accelerometer.read_acceleration()

pitch, roll = accelerometer.get_tilt_angles()

print(f"Acceleration - X: {x:.3f} m/s^2, Y: {y:.3f} m/s^2, Z: {z:.3f} m/s^2")

print(f"Pitch: {pitch:.2f}°, Roll: {roll:.2f}°")

time.sleep(0.5)

Объяснение работы кода

import smbus
import time
import math

import smbus

import time

import math

Эти строки импортируют три модуля Python:

smbus: Предоставляет функции для связи с устройствами по протоколу связи I2C.
time: Используется для различных задач, связанных со временем. В этом коде, в частности, для введения задержек.
math: Предоставляет доступ к математическим функциям. Здесь он используется для тригонометрии и преобразования углов.

# ADXL345 I2C Address
ADXL345_I2C_ADDR = 0x53
 
# ADXL345 Registers
POWER_CTL = 0x2D
DATA_FORMAT = 0x31
DATAX0 = 0x32
...

# ADXL345 I2C Address

ADXL345_I2C_ADDR = 0x53

# ADXL345 Registers

POWER_CTL = 0x2D

DATA_FORMAT = 0x31

DATAX0 = 0x32

...

В этом разделе определяются константы:

ADXL345_I2C_ADDR: Адрес I2C акселерометра ADXL345.
Следующие строки (например POWER_CTL, DATA_FORMAT, и т.д.) — это адреса регистров в устройстве ADXL345. Эти регистры хранят конфигурации и данные. Например, POWER_CTL— это адрес регистра управления питанием, который можно использовать для включения/выключения акселерометра.

class ADXL345:
    G = 9.81  # Earth's gravity in m/s^2

1 2	class ADXL345: G = 9.81 # Earth's gravity in m/s^2

Эта строка начинает определение класса, называемого ADXL345. В этом классе определена константа, Gпредставляющая силу тяготения Земли (9,81 м/с^2). Эта константа будет использоваться позже для расчетов ускорения.

def __init__(self, bus_num=1):
    self.bus = smbus.SMBus(bus_num)
    # Set range to +/- 16g and FULL_RES bit
    self.bus.write_byte_data(ADXL345_I2C_ADDR, DATA_FORMAT, 0x0B)
    # Turn on the accelerometer
    self.bus.write_byte_data(ADXL345_I2C_ADDR, POWER_CTL, 0x08)

def __init__(self, bus_num=1):

self.bus = smbus.SMBus(bus_num)

# Set range to +/- 16g and FULL_RES bit

self.bus.write_byte_data(ADXL345_I2C_ADDR, DATA_FORMAT, 0x0B)

# Turn on the accelerometer

self.bus.write_byte_data(ADXL345_I2C_ADDR, POWER_CTL, 0x08)

Функция __init__является конструктором, который автоматически вызывается при создании объекта класса ADXL345. Здесь она инициализирует шину I2C для связи и отправляет команды акселерометру:

Устанавливаем диапазон ±16g и устанавливаем бит FULL_RES.
Включение акселерометра.

bytes = self.bus.read_i2c_block_data(ADXL345_I2C_ADDR, DATAX0, 6)

1	bytes = self.bus.read_i2c_block_data(ADXL345_I2C_ADDR, DATAX0, 6)

Эта строка считывает 6 байт данных, начиная с DATAX0регистра. Эти байты содержат значения ускорения для осей X, Y и Z.

x = (bytes[1] << 8 | bytes[0])
if x & (1 << 15):
    x = x - (1 << 16)
x = (x / (2**15)) * 16 * self.G

x = (bytes[1] << 8 | bytes[0])

if x & (1 << 15):

x = x - (1 << 16)

x = (x / (2**15)) * 16 * self.G

Здесь 2 байта, соответствующие ускорению по оси X, объединяются для формирования 16-битного числа. Значения ускорения представлены в виде дополнения до 2, поэтому для отрицательных значений выполняется проверка и преобразование. Затем значение масштабируется для получения ускорения в м/с^2.

pitch = math.degrees(math.atan2(y, math.sqrt(x**2 + z**2)))
roll = math.degrees(math.atan2(-x, z))

1 2	pitch = math.degrees(math.atan2(y, math.sqrt(x2 + z2))) roll = math.degrees(math.atan2(-x, z))

В этом разделе рассчитываются углы тангажа и крена на основе значений ускорения с использованием тригонометрических соотношений.

if __name__ == "__main__":
    accelerometer = ADXL345()
    while True:
        x, y, z = accelerometer.read_acceleration()
        pitch, roll = accelerometer.get_tilt_angles()
        print(f"Acceleration - X: {x:.3f} m/s^2, Y: {y:.3f} m/s^2, Z: {z:.3f} m/s^2")
        print(f"Pitch: {pitch:.2f}°, Roll: {roll:.2f}°")
        time.sleep(0.5)

if __name__ == "__main__":

accelerometer = ADXL345()

while True:

x, y, z = accelerometer.read_acceleration()

pitch, roll = accelerometer.get_tilt_angles()

print(f"Acceleration - X: {x:.3f} m/s^2, Y: {y:.3f} m/s^2, Z: {z:.3f} m/s^2")

print(f"Pitch: {pitch:.2f}°, Roll: {roll:.2f}°")

time.sleep(0.5)

Если скрипт запускается как основная программа, он входит в этот цикл:

Создается объект ADXL345.
Затем он непрерывно считывает значения ускорения и вычисляет углы наклона.
Эти значения распечатываются каждые 0,5 секунды.

Тестирование работы проекта

Сохраните код Python под любым именем. Затем нажмите кнопку «Выполнить».

В Thonny Shell вы увидите значение ускорения по осям X, Y, Z в единицах м/с^2 . Вы также увидите значения тангажа и крена в градусах.

Чтобы наблюдать изменение значений, можно вращать или наклонять акселерометр.

В этих результатах видно, что значение рыскания не рассчитывается.

Рассчитать рыскание, используя только акселерометр типа ADXL345, напрямую невозможно. Причина в том, что рыскание — это вращение вокруг вертикальной (гравитационной) оси, а акселерометр измеряет линейное ускорение. Без опорного значения (например, магнитного севера от магнитометра или компаса) нет никаких изменений в силе гравитации на датчиках для определения угла рыскания.

Таким образом, используя 3-осевой акселерометр ADXL345, вы можете рассчитать ускорение по осям X, Y, Z , а также измерить значения тангажа и крена.

(Проголосуй первым!)

Загрузка...

9 просмотров

Измерение ускорения с помощью акселерометра ADXL345 и Raspberry Pi

Необходимые компоненты

Цифровой акселерометр ADXL345

Технические характеристики ADXL345

Распиновка ADXL345

Взаимодействие акселерометра ADXL345 с Raspberry Pi 4

Код Python для измерения ускорения и углов наклона

Объяснение работы кода

Тестирование работы проекта

Добавить комментарий Отменить ответ

Необходимые компоненты

Цифровой акселерометр ADXL345

Технические характеристики ADXL345

Распиновка ADXL345

Взаимодействие акселерометра ADXL345 с Raspberry Pi 4

Код Python для измерения ускорения и углов наклона

Объяснение работы кода

Тестирование работы проекта

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ