Родунер Д.Д.
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. ArduinoUNO- 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.Обработка 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.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.Рис. 1. Скетч считывания данных ускорения по трем координатам с акселерометра.Компилируем и загружаем скетч на плату Arduino Uno, получаем данные измерения ускорения по трем координатам в мониторе порта.Рис. 2. Результаты измерения ускорения.
Номер журнала Вестник науки №2 (71) том 3
Ссылка для цитирования:
Родунер Д.Д. ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЕНИЯ ПО ТРЕМ КООРДИНАТАМ С АКСЕЛЕРОМЕТРА НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ARDUINO // Вестник науки №2 (71) том 3. С. 557 - 564. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/13046 (дата обращения: 17.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2024. 16+