آموزش کنترل ال ای دی با سنسور شتاب و ژایرو MPU6050 و برد آردوینو Nano

برای تشخیص جهت و شتاب نیاز به سنسور منحصر به فردی داریم. سنسورهای شتاب و ژایرو دو عملکرد مهم دارند. یکی برای تشخیص پارامترهای یک جسم در حال حرکت و دوم تشخیص حرکت‌های یک جسم ثابت می‌باشد. انواع مختلفی از سنسورهای شتاب و ژایرو با قابلیت سنجش پارامترهای مختلف از ۳ محور تا ۹ محور وجود دارند. حتی بر اساس دقت و حساسیت هم دسته بندی می‌شوند. در این پست آموزش با استفاده از یک ماژول شتاب و ژایرو با تراشه MPU6050 به ال ای دی ها فرمان می‌دهیم. به عبارتی با چرخش این ماژول در جهت‌های مختلف، ال ای دی ها تغییر وضعیت می‌دهند. در ادامه این آموزش جذاب با مرجع تخصصی آردوینو به زبان فارسی، دیجی اسپارک همراه باشید.

سنسور شتاب و ژایرو MPU6050

هدف از آموزش آردوینو

توسط سنسور شتاب و ژایرو MPU6050 به ۴ ال ای دی در جهت محور X , Y فرمان می‌دهیم. در ادامه آموزش به بررسی اتصالات، وسایل مورد نیاز جهت اجرای پروژه و در نهایت کد آردوینو آن خواهیم پرداخت. از آنجایی که هر جهت دارای قسمت مثبت و منفی است، در خروجی شاهد چهار جهت خواهیم بود.

ال ای دی اوال Oval LED

ال ای دی Oval در مقایسه با سایر ال ای دی‌های نور بسیار واضح و شفاف با زوایه دید بیشتری دارد. همچنین ظاهر این نوع ال ای دی ها متفاوت است. اوال Oval در انگلیسی به معنای بیضی می‌باشد. ولتاژ مورد نیاز برای ال ای دی اوال Oval از ۳ تا ۳٫۲ ولت DC است. این ال ای دی دارای طول موج ۴۲۶ تا ۴۶۵ نانومتر است. همچنین دارای شدت نور ۶۰۰ تا ۸۰۰ MCD می‌باشد. جریان کاری این ال ای دی ۱۵ تا ۲۰ میلی متر است.

فراخوانی کتابخانه در آردوینو

جهت اجرای این کد نیاز به فراخوانی ۳ کتابخانه خواهیم داشت. چنانچه شیوه نصب کتابخانه در آردوینو را نمی‌دانید. به پستآموزش نصب کتابخانه در نرم افزار آردوینو مراجعه کنید. اگر هم شیوه نصب و راه اندازی نرم افزار آردوینو را نمی‌دانید. به آموزش کار با برد آردوینو و نصب نرم افزار آردوینو Arduino IDE مراجعه کنید.

• کتابخانه I2Cdev

کتابخانه I2Cdev برای ارتباط پروتکل I2C با میکروکنترل ها فراخوانی می‌شود. لینک دانلود کتابخانه در صفحه محصول سنسور شتاب و ژایرو MPU6050 قرار گرفته شده است. آن را دانلود و سپس فراخوانی کنید.

• کتابخانه MPU6050_6Axis_MotionApps20

کتابخانه MPU6050_6Axis_MotionApps20 جهت عملکرد سنسور شتاب و ژایرو MPU6050 فراخوانی می‌شود. لینک دانلود کتابخانه در صفحه محصول سنسور شتاب و ژایرو MPU6050 قرار گرفته شده است. آن را دانلود و سپس فراخوانی کنید.

• کتابخانه Wire

کتابخانه wire به صورت پیش فرض در لیست کتابخانه های آردوینو قرار گرفته شده است. آن را فراخوانی کنید.

اتصال سنسور شتاب و ژایرو MPU

• پایه VCC سنسور شتاب و ژایرو MPU6050 را به پایه ۳٫۳ ولت آردوینو نانو Arduino Nano اتصال دهید.
• پایه GND سنسور شتاب و ژایرو MPU6050 را به پایه GND آردوینو نانو Arduino Nano اتصال دهید.
• پایه SCL سنسور شتاب و ژایرو MPU6050 را به پایه آنالوگ A5 آردوینو نانو Arduino Nano اتصال دهید.
• پایه SDA سنسور شتاب و ژایرو MPU6050 را به پایه آنالوگ A4 آردوینو نانو Arduino Nano اتصال دهید.
• پایه INT سنسور شتاب و ژایرو MPU6050 را به پایه دیجیتال D2 آردوینو نانو Arduino Nano اتصال دهید.

اتصال ال ای دی LED

• ال ای دی LED اول را به پایه دیجیتال D3 آردوینو نانو Arduino Nano اتصال دهید.
• ال ای دی LED دوم را به پایه دیجیتال D5 آردوینو نانو Arduino Nano اتصال دهید.
• ال ای دی LED سوم را به پایه دیجیتال D6 آردوینو نانو Arduino Nano اتصال دهید.
• ال ای دی LED چهارم را به پایه دیجیتال D9 آردوینو نانو Arduino Nano اتصال دهید.

کد برنامه آردوینو

#include <I2Cdev.h> // فراخوانی کتابخانه  
#include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h" // فراخوانی کتابخانه
#define SIMPLE_IMPLEMENTATION false

const int frontLed = 3; // تعریف ال ای دی 
const int bottomLed = 5; // تعریف ال ای دی
const int rightLed = 10; // تعریف ال ای دی 


const int leftLed = 9;

long int lastPrintTime;

typedef struct 
{
    byte pin;
    byte positionInsideGroup;    
    char thePosition; // Left, Right, Up, Down
    byte minAngle;
    byte maxAngle;    
} ledConfig;

ledConfig leds[] = {
    {۳, ۱, 'u', 31, 45},  
    {۱۲, ۲, 'u', 16, 30},
    {۱۱, ۳, 'u', 5, 15},  
    {۵, ۱, 'd', 5, 15},  
    {۶, ۲, 'd', 16, 30},
    {۷, ۳, 'd', 31, 45},  
    {۸ , ۱, 'r', 5, 23},  
    {۹, ۲, 'r', 24, 45},
    {۱۰, ۱, 'l', 5, 23},  
    {۴, ۲, 'l', 24, 45},
};



#if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
    #include "Wire.h"
#endif

MPU6050 mpu; // فرخوانی MPU6050

bool dmpReady = false;  // در صورتیکه سنسور عمل کند 
uint8_t mpuIntStatus;   // ذخیره بایت ۸ بیتی 
uint8_t devStatus;      // تغییر وضعیت بعد از اجرای هر عملکرد
uint16_t packetSize;    
uint16_t fifoCount;     
uint8_t fifoBuffer[64];

// تعیین جهت و حرکت سنسور شتاب و ژایرو 
Quaternion q;           // [w, x, y, z]         quaternion container
VectorInt16 aa;         // [x, y, z]            accel sensor measurements
VectorInt16 aaReal;     // [x, y, z]            gravity-free accel sensor measurements
VectorInt16 aaWorld;    // [x, y, z]            world-frame accel sensor measurements
VectorFloat gravity;    // [x, y, z]            gravity vector
float euler[3];         // [psi, theta, phi]    Euler angle container
float ypr[3];           // [yaw, pitch, roll]   yaw/pitch/roll container and gravity vector
volatile bool mpuInterrupt = false;     // indicates whether MPU interrupt pin has gone high

void setup() 
{
    #if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
        Wire.begin();
        TWBR = 24; 
    #elif I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE
        Fastwire::setup(400, true);
    #endif

    Serial.begin(9600);
    while (!Serial); 
    Serial.println(F("Initializing I2C devices..."));
    mpu.initialize();
    Serial.println(F("Testing device connections..."));
    Serial.println(mpu.testConnection() ? F("MPU6050 connection successful") : F("MPU6050 connection failed"));
    Serial.println(F("Initializing DMP..."));
    devStatus = mpu.dmpInitialize();
    mpu.setXGyroOffset(101);
    mpu.setYGyroOffset(41);
    mpu.setZGyroOffset(6);
    mpu.setZAccelOffset(1273); 
    if (devStatus == 0) {
        // فعال شدن DMP
        Serial.println(F("Enabling DMP..."));
        mpu.setDMPEnabled(true);
        Serial.println(F("Enabling interrupt detection (Arduino external interrupt 0)..."));
        attachInterrupt(0, dmpDataReady, RISING);
        mpuIntStatus = mpu.getIntStatus();
        Serial.println(F("DMP ready! Waiting for first interrupt..."));
        dmpReady = true;
        packetSize = mpu.dmpGetFIFOPacketSize();
    } else {
        Serial.print(F("DMP Initialization failed (code "));
        Serial.print(devStatus);
        Serial.println(F(")"));
    }
    if (SIMPLE_IMPLEMENTATION) { 
        initializeLEDsSimple();
    } else {
        initializeLEDsMultiple();
    }
    lastPrintTime = millis();    
}

void loop() 
{
    if (!dmpReady) return;
    mpuInterrupt = false;
    mpuIntStatus = mpu.getIntStatus();
    fifoCount = mpu.getFIFOCount();
    if ((mpuIntStatus & 0x10) || fifoCount == 1024) {
        mpu.resetFIFO();
        Serial.println(F("FIFO overflow!"));
    } else if (mpuIntStatus & 0x02) {
        while (fifoCount < packetSize) {
          fifoCount = mpu.getFIFOCount();
        }
        mpu.getFIFOBytes(fifoBuffer, packetSize);        
        fifoCount -= packetSize;
        mpu.dmpGetQuaternion(&q, fifoBuffer);
        mpu.dmpGetGravity(&gravity, &q);
        mpu.dmpGetYawPitchRoll(ypr, &q, &gravity);
        int x = ypr[0] * 180/M_PI;
        int y = ypr[1] * 180/M_PI;
        int z = ypr[2] * 180/M_PI;
        Serial.print(y);Serial.print("\t");Serial.println(z);   
        if (SIMPLE_IMPLEMENTATION) {        
            flashLEDsSimple(x, y, z);
        } else {
            flashLEDsMultiple(x, y, z);
        }
    }
}

void initializeLEDsSimple() 
{
    pinMode(frontLed, OUTPUT);
    pinMode(bottomLed, OUTPUT);    
    pinMode(rightLed, OUTPUT);
    pinMode(leftLed, OUTPUT); 
}

void initializeLEDsMultiple() 
{ 
    for (int i=0; i<10; i++) {
        Serial.println(leds[i].pin);
        pinMode(leds[i].pin, OUTPUT);
    }
    delay(3000);
}

void flashLEDsSimple(int x, int y, int z)
{
    if (y > 0) {
        analogWrite(rightLed, y*4);
        analogWrite(leftLed, 0);           
    } else {
        analogWrite(leftLed, y*4*-1);      
        analogWrite(rightLed, 0);      
    }
    if (z > 0) {
        analogWrite(bottomLed, z*4);
        analogWrite(frontLed, 0);          
    } else {
        analogWrite(frontLed, z*4*-1);      
        analogWrite(bottomLed, 0);      
    }     
}

void flashLEDsMultiple(int x, int y, int z)
{
    for (int i=0; i<10; i++) {
        
        bool modified = false;
        if (z < 0 && leds[i].thePosition == 'u' && abs(z) > leds[i].minAngle) {
            digitalWrite(leds[i].pin, HIGH);
            modified = true;
        }
        if (z > 0 && leds[i].thePosition == 'd' && abs(z) > leds[i].minAngle) {
            digitalWrite(leds[i].pin, HIGH);
            modified = true;
        }
        if (y < 0 && leds[i].thePosition == 'l' && abs(y) > leds[i].minAngle) {
            digitalWrite(leds[i].pin, HIGH);
            modified = true;
        }
        if (y > 0 && leds[i].thePosition == 'r' && abs(y) > leds[i].minAngle) {
            digitalWrite(leds[i].pin, HIGH);
            modified = true;
        } 
        if (!modified) {
            digitalWrite(leds[i].pin, LOW);
        }
    }
}

void dmpDataReady() 
{
    mpuInterrupt = true;
}

تحلیل کد آردوینو

از طریق کلیدهای میانبری که برای انتقال کدها در نظر گرفته شده است، کد را به نرم افزار آردوینو منتقل کنید. سپس کامپایل کنید. طبق اتصالات گفته شده در متن آموزش اتصالات را انجام دهید. نکته مهم، بسیاری از سنسور ها برای نمایش دقیق مقادیر اندازه گیری شده و تعیین صحت و دقت نیاز به کالبیراسیون دارند. پیشنهاد می‌شود برای اندازه گیری دقیق تر محور X,Y,Z سنسور را کالیبره کنید.

تحلیل مدار MPU6050

با قرار گرفتن سنسور در زاویه افقی Horizental، طبق تعریف کدها با جا به جا کردن سنسور به سمت بالا، پایین، چپ و راست به ترتیب ۴ ال ای دی LED به عنوان خروجی فعال می‌شود. به این صورت که با کج کردن سنسور به سمت بالا ال ای دی متصل به پایه ۳ دیجیتال، به سمت پایین ال ای دی متصل به پایه ۵ دیجیتال ، به سمت چپ ال ای دی متصل به سمت ۹ دیجیتال و در نهایت به سمت راست ال ای دی متصل به پایه ۱۰ دیجیتال روشن خواهد شد.

وسایل مورد نیاز

برد آردوینو نانو Arduino Nano

ُسنسور شتاب و ژایرو MPU6050

ال ای دی Oval 

بردبورد 

۶۰ رشته کابل مخصوص بردبورد

چنانچه در مراحل راه اندازی و انجام این پروژه با مشکل مواجه شدید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد. همچنین اگر ایرادی در کدها و یا مراحل اجرایی وجود دارند می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید.

پروژه

طی چند قسمت قبلی که طرح پروژه را پیاده سازی کردیم، با استقبال شما کاربران مواجه شدیم. در این سری برای اینکه گستره بیشتری از افراد بتوانند فرصت استفاده از بن خرید را داشته باشند؛ روال دیگری را در پیش گرفتیم. در این روش تصمیم گرفته‌ایم به ۱۰ نفر از کاربران بن خرید ارایه شود. برای دریافت بن خرید از دانشجو کیت، کاربران بایستی با استفاده از وسایل این آموزش، پروژه را اجرا کرده و بسته به خلاقیت، مدار جدیدی ایجاد کنید. سپس از اجرای کار فیلم گرفته و در شبکه‌های اجتماعی از جمله آپارات و اینستگرام، با هشتگ «#دیجی_اسپارک» و «#دانشجوکیت» و «#digispark» و «#daneshjookit» منتشر کنند. سپس از طریق بخش نظرات در ادامه همین آموزش، جهت دریافت بن خرید ارسال رایگان به ارزش ۱۰۳۰۰ تومان از دانشجو کیت، لینک را زیر همین پست ارسال کنید.

در پایان نظرات و پیشنهادات خود را با ما درمیان بگذارید و با اشتراک گذاری این آموزش در شبکه های اجتماعی , از وبسایت دیجی اسپارک حمایت کنید.