STC51单片机15——MPU6050六轴数据融合，互补滤波，时间常数可调，可稳定运行，串口显示角度值

51单片机用模拟IIC的方式读取MPU6050的原始数据，之后经过换算转成三轴加速度和三轴角速度。设定定时器，以固定的频率采集以上得到的数据，并加入互补滤波，去除加速度的噪声以及陀螺仪的零飘。注意，本次程序不能测量位移，只能测量对重力的倾角。

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关键程序：

//****************************************
//
// 注意MPU6050必须芯片正面朝上
// 功能: 显示角度值
//****************************************
// GY-52 MPU6050 IIC测试程序
// 使用单片机STC89C52
// 晶振：11.0592M ，波特率19200
//****************************************
#include <REG52.H>
#include <math.h>    //Keil library
//#include <stdio.h>   //Keil library
#include <INTRINS.H>
typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned short ushort;
typedef unsigned int   uint;
//****************************************
// 定义51单片机端口
//****************************************

sbit SCL=P2^2; //IIC时钟引脚定义
sbit SDA=P2^3; //IIC数据引脚定义

//****************************************
// 定义MPU6050内部地址
//****************************************
#define   SMPLRT_DIV       0x19   //陀螺仪采样率，典型值：0x07(125Hz)
#define   CONFIG           0x1A   //低通滤波频率，典型值：0x06(5Hz)
#define   GYRO_CONFIG       0x1B   //陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s)
#define   ACCEL_CONFIG   0x1C   //加速计自检、测量范围及高通滤波频率，典型值：0x01(不自检，2G，5Hz)
#define   ACCEL_XOUT_H   0x3B
#define   ACCEL_XOUT_L   0x3C
#define   ACCEL_YOUT_H   0x3D
#define   ACCEL_YOUT_L   0x3E
#define   ACCEL_ZOUT_H   0x3F
#define   ACCEL_ZOUT_L   0x40
#define   TEMP_OUT_H       0x41
#define   TEMP_OUT_L       0x42
#define   GYRO_XOUT_H       0x43
#define   GYRO_XOUT_L       0x44
#define   GYRO_YOUT_H       0x45
#define   GYRO_YOUT_L       0x46
#define   GYRO_ZOUT_H       0x47
#define   GYRO_ZOUT_L       0x48
#define   PWR_MGMT_1       0x6B   //电源管理，典型值：0x00(正常启用)
#define   WHO_AM_I           0x75   //IIC地址寄存器(默认数值0x68，只读)
#define   SlaveAddress   0xD0   //IIC写入时的地址字节数据，+1为读取

在此还发现一个有意思的问题：

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//发现一个神奇的地方！！！！！
//如果不写串口中断函数，以下函数尽管没有调用，但是不能删除，一旦删除，程序就不能正常运行。
//这是因为打开了串口中断，但是没有写中断函数，导致程序存储空间中串口中断入口地址被其他代码占用，而执行错误的程序。
//所以打开中断时，必须写出对应的中断函数。！！！！！！！！！！
//****************************************

//主程序
//*********************************************************

void main()
{
   int Ax,Ay,Az,Gx,Gy,Gz;
   unsigned long Gravity ;
   float time,tosc;
   float AngleX1,AngleY1,AngleZ1,AngleX2,AngleY2,AngleZ2,dx,dy,dz;
   float Filter;
   Filter=0.8; //互补滤波系数
   delay(500);       //上电延时

init_uart();
   InitMPU6050();   //初始化MPU6050
   delay(150);
   tosc=12.0/11059200.0;
   AngleX1=0;
   AngleY1=0;
   AngleZ1=0;
   AngleX2=0;
   AngleY2=0;
   AngleZ2=0;
   dx=0;
   dy=0;
   dz=0;

while(1)
   {
      Ax=GetData(ACCEL_XOUT_H);
       Ay=GetData(ACCEL_YOUT_H);
       Az=GetData(ACCEL_ZOUT_H);
       Gx=GetData(GYRO_XOUT_H);
       Gy=GetData(GYRO_YOUT_H);
       Gz=GetData(GYRO_ZOUT_H);

       //计算采样时间
       TR0=0;
       time=TH0<<8 + TL0;
       time=(float)(time+tn*65536.0)*tosc;
//       Show_int(tn);
//       Show_int((int)(time*1000));
       TH0=0;
       TL0=0;
       tn=0;
       TR0=1;


       //sqrt的输入必须严格是float
       Gravity=sqrt((float)Ax*Ax+(float)Ay*Ay+(float)Az*Az); //Ax*Ax+Ay*Ay+Az*Az
       AngleX1=acos((float)Ax/Gravity)*180.0/3.14-90;;
       AngleY1=acos((float)Ay/Gravity)*180.0/3.14-90;
       AngleZ1=acos((float)Az/Gravity)*180.0/3.14;
       dy=time*Gx/-16.4; //陀螺仪测的转角y
       dx=time*Gy/16.4; //陀螺仪测的转角x
       dz=time*Gz/16.4; //陀螺仪测的转角z

//x和y轴数据是融合加速度计和陀螺仪数据, z轴只采用陀螺仪数据
       AngleX2=Filter*(AngleX2+dx)+(1-Filter)*AngleX1;
       AngleY2=Filter*(AngleY2+dy)+(1-Filter)*AngleY1;
    // z轴数据有两种方式，一种是只使用陀螺仪的数据，舍弃z轴加速度（z轴零飘严重）：
       AngleZ2=AngleZ2+dz;       // 注意MPU6050必须芯片正面朝上


       //显示角度
       SeriPushSend('x');
       SeriPushSend(':');
       Show_int((int)(AngleX2));
       SeriPushSend('y');
       SeriPushSend(':');
       Show_int((int)(AngleY2));
       SeriPushSend('z');
       SeriPushSend(':');
       Show_int((int)(AngleZ2));

       SeriPushSend(0x0d);
    SeriPushSend(0x0a);//换行，回车
       ES=0;
       while(RI==0);
       RI=0;
       ES=1;
//       delay(80);
   }
}

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有网友咨询，为什么用我的代码不能正常显示角度值？现在我来仔细回答一下。

首先用我的代码必须将串口助手设定为自动发送模式，比如自动发送周期为100ms：

其次，来回答一下为什么这么做。

以前我做单片机程序的时候，也喜欢串口“无脑”向外发送数据，在这里经常会遇到一个问题：电脑蓝屏！经常体会到被蓝屏支配的恐惧。那这为啥会引起蓝屏呢？假如我们重新将USB转串口模块插入电脑后，电脑要经过几秒才能将这个驱动运行起来，在这个过程中，如果单片机向电脑发送了大量数据，势必会导致电脑串口缓存区沾满，从而崩溃，进而产生蓝屏。

为了防止这种事情的发送，那么最保险的办法就是采用“应答”式通讯，即上位机向单片机发送数据后，单片机才能将所需数据上传。在本次程序中，就是串口助手向单片机发送任意一字节数据，那么才能收到MPU6050的姿态数据。串口助手发送的数据频率，决定了上位机接收的数据频率。

另外，也询问程序中的“time”变量是做什么用？其实，它就是记录单片机两次上传数据的时间间隔，即串口发送数据的时间间隔。用陀螺仪测量转角，需要对时间进行积分，时间长度由串口向单片机发送两次数据的间隔确定，最好以固定频率向单片机发送数据（建议10Hz），这样就能持续获得转角。如果时间间隔很大，那么陀螺仪的零飘就会严重影响计算的结果。

最后，是我的一些实验过程：

X轴：

Y轴：

Z轴：

还有很早之前用OpenGL做的联合运动：

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