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stm32 I2C通信与MPU6050（软件I2C读写MPU6050）

时间：2024-09-10 21:20:32浏览次数：14  
标签：SCL MyI2C void MPU6050 stm32 SDA I2C

理论

1.同步时序与异步时序

同步时序和异步时序是信号传输和时序控制中的两种基本类型：

  1. 同步时序：

    • 定义：所有信号变化都与一个共同的时钟信号同步。所有的数据传输和处理操作都在时钟信号的边沿触发。
    • 优点：时序控制较为简单，易于设计和调试。系统的整体时序一致性高，适用于高精度要求的场合。
    • 缺点：需要额外的时钟信号，可能导致时钟信号的干扰或时钟频率的限制。

  2. 异步时序：

    • 定义：信号变化不依赖于一个共同的时钟信号，而是基于信号之间的相对时间关系进行处理。通常依赖于信号的上升沿或下降沿来触发操作。
    • 优点：不需要时钟信号，可以在不同的时钟域中操作，适合于低功耗和灵活性的应用场景。
    • 缺点：设计和调试可能较为复杂，容易出现时序问题，如竞态条件和握手问题。

选择哪种时序类型取决于具体应用的需求，比如时钟的同步性、系统的复杂性以及功耗要求。

 实例

I2C和USART的时序具有不同的同步和异步特征。

I2C（同步时序）

I2C是一种同步串行通信协议，其中数据传输由时钟信号（SCL线）同步。主设备生成时钟信号，所有从设备使用该时钟信号进行数据的接收和发送。这种同步时序保证了数据传输的精确性和一致性。

  • 时序特征：数据线（SDA）和时钟线（SCL）共同定义了数据传输的时序。数据在时钟信号的高或低电平期间保持稳定，在时钟信号的边沿上进行读取。

USART（异步时序）

USART（通用同步/异步收发器）则是一种异步串行通信协议，其中数据传输不依赖于外部时钟信号，而是使用预设的波特率来同步发送和接收设备的操作。发送和接收数据的双方需配置相同的波特率，以确保数据的正确传输。

  • 时序特征：数据传输通过数据线（TX/RX）上的电平变化来进行同步。发送和接收数据时，双方依赖于相同的波特率，而不是时钟信号的边沿。

总的来说，I2C的同步时序依赖于时钟信号的同步，而USART的异步时序依赖于预设的波特率来进行数据传输。

2.为什么有通信协议

通信协议的主要目的是确保不同系统或设备之间的数据传输能够顺利进行。它定义了数据格式、传输方式和错误处理规则，确保信息准确、有效地传递

主要目的是为了拓展我们单片机的外设芯片，但是由于语言不通就必须规定一个协议进行芯片的信息交换（本质是进行各个芯片的寄存器的信息交换），它存在的意义关键词是数字数据的交换，它不包括电压的变化，因为它可以直接由stm32直接测量，不需要通信协议

举例

理解红外传感器和MPU6050的区别对于回答这个问题很重要：

  1. MPU6050：
    • 类型：MPU6050是一款具有内部数字处理的传感器，它包含一个陀螺仪和加速度计。它的输出是数字数据，需要通过通信协议（如I2C或SPI）与微控制器交换数据。
    • 通信协议：MPU6050使用I2C或SPI协议与微控制器通信。这些协议负责数据的传输、解析和控制，包括数据的读取、写入寄存器等。
  2. 红外传感器（模拟输出型）：
    • 类型：许多红外传感器提供的是模拟信号输出，这意味着它们直接输出一个电压信号，该电压与感测的物理量（如距离、强度等）成比例。
    • 读取方式：模拟输出型红外传感器的信号通过ADC（模拟到数字转换器）直接读取。这种情况下，没有数据传输协议的需求，因为模拟信号是通过电气信号直接传递的。ADC将这些模拟信号转换为数字值，微控制器可以直接处理这些值。
总结：
  • MPU6050需要通信协议（I2C或SPI）来交换数字数据，因为它的内部数据需要通过这些协议来传输和解析。
  • 模拟输出型红外传感器直接输出电压信号，通常不需要通信协议，只需通过ADC将模拟信号转换为数字信号，然后微控制器处理这些数字信号。

在处理数字信号的情况下（如MPU6050），通信协议负责数据的完整性和解析。而对于模拟信号（如某些红外传感器），传输方式是直接的电压变化，ADC负责将这些信号转换成数字形式进行处理。

3.I2C通信

I2C（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线

两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）

同步，半双工

带数据应答

支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）

4.硬件电路

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起

设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式

SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

为了防止出现短路必须在SDA与SCL上加一个电阻形成弱上拉模式外接高电压如图

5.I2C时序基本单元

（1）起始条件（SDA先行）

起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平（先SDA后SCL）

（2）终止条件（SDA先行）

终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

（3）发送一个字节

发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节

（4） 接收一个字节

接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）

（5） 发送应答

发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答

本质：从机是否进行下去

（6）接收应答

接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）

6.I2C时序

(1)指定地址写

指定地址写（在进行写的操作必须解除睡眠）（寄存器对应电路的状态）（W--->0）

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）

(2) 当前地址读

当前地址读

对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）(R----1)

没有指定当前选定的设备的寄存器位置，读取的是上一次读取该设备的指定寄存器的下一个地址

 (3)指定地址读

指定地址读

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）

7.MPU6050

MPU6050简介

MPU6050是一个6轴姿态传感器，可以测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角速度参数，通过数据融合，可进一步得到姿态角，常应用于平衡车、飞行器等需要检测自身姿态的场景

3轴加速度计（Accelerometer）：测量X、Y、Z轴的加速度

3轴陀螺仪传感器（Gyroscope）：测量X、Y、Z轴的角速度

MPU6050参数

16位ADC采集传感器的模拟信号，量化范围：-32768~32767

加速度计满量程选择：±2、±4、±8、±16（g）

陀螺仪满量程选择： ±250、±500、±1000、±2000（°/sec）

可配置的数字低通滤波器

可配置的时钟源

可配置的采样分频

I2C从机地址：1101000（AD0=0）     

                       1101001（AD0=1）

硬件电路

XCL,XDA作用是外接别的功能

 MPU6050框图

一般采用内部时钟

Charge Pump 电压泵 用于升压

代码 

软件I2C读写MPU6050

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MPU6050.h"

uint8_t ID;								//定义用于存放ID号的变量
int16_t AX, AY, AZ, GX, GY, GZ;			//定义用于存放各个数据的变量

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();		//OLED初始化
	MPU6050_Init();		//MPU6050初始化
	
	/*显示ID号*/
	OLED_ShowString(1, 1, "ID:");		//显示静态字符串
	ID = MPU6050_GetID();				//获取MPU6050的ID号
	OLED_ShowHexNum(1, 4, ID, 2);		//OLED显示ID号
	
	while (1)
	{
		MPU6050_GetData(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);		//获取MPU6050的数据
		OLED_ShowSignedNum(2, 1, AX, 5);					//OLED显示数据
		OLED_ShowSignedNum(3, 1, AY, 5);
		OLED_ShowSignedNum(4, 1, AZ, 5);
		OLED_ShowSignedNum(2, 8, GX, 5);
		OLED_ShowSignedNum(3, 8, GY, 5);
		OLED_ShowSignedNum(4, 8, GZ, 5);
	}
}

MyI2C.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"

/*引脚配置层*/

/**
  * 函    数：I2C写SCL引脚电平
  * 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SCL的电平，范围0~1
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SCL为低电平，当BitValue为1时，需要置SCL为高电平
  */
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SCL引脚的电平
	Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}

/**
  * 函    数：I2C写SDA引脚电平
  * 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SDA的电平，范围0~0xFF
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SDA为低电平，当BitValue非0时，需要置SDA为高电平
  */
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SDA引脚的电平，BitValue要实现非0即1的特性
	Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}

/**
  * 函    数：I2C读SDA引脚电平
  * 参    数：无
  * 返 回 值：协议层需要得到的当前SDA的电平，范围0~1
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当前SDA为低电平时，返回0，当前SDA为高电平时，返回1
  */
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
	uint8_t BitValue;
	BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);		//读取SDA电平
	Delay_us(10 );												//延时10us，防止时序频率超过要求
	return BitValue;											//返回SDA电平
}

/**
  * 函    数：I2C初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，实现SCL和SDA引脚的初始化
  */
void MyI2C_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);	//开启GPIOB的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);					//将PB10和PB11引脚初始化为开漏输出
	
	/*设置默认电平*/
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);			//设置PB10和PB11引脚初始化后默认为高电平（释放总线状态）
}

/*协议层*/

/**
  * 函    数：I2C起始
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void MyI2C_Start(void)
{
	MyI2C_W_SDA(1);							//释放SDA，确保SDA为高电平
	MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，确保SCL为高电平
	MyI2C_W_SDA(0);							//在SCL高电平期间，拉低SDA，产生起始信号
	MyI2C_W_SCL(0);							//起始后把SCL也拉低，即为了占用总线，也为了方便总线时序的拼接
}

/**
  * 函    数：I2C终止
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void MyI2C_Stop(void)
{
	MyI2C_W_SDA(0);							//拉低SDA，确保SDA为低电平
	MyI2C_W_SCL(0);
	MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，使SCL呈现高电平
	MyI2C_W_SDA(1);							//在SCL高电平期间，释放SDA，产生终止信号
}

/**
  * 函    数：I2C发送一个字节
  * 参    数：Byte 要发送的一个字节数据，范围：0x00~0xFF
  * 返 回 值：无
  */
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次发送数据的每一位
	{
		MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));	//使用掩码的方式取出Byte的指定一位数据并写入到SDA线
		MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，从机在SCL高电平期间读取SDA
		MyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，主机开始发送下一位数据
	}
}

/**
  * 函    数：I2C接收一个字节
  * 参    数：无
  * 返 回 值：接收到的一个字节数据，范围：0x00~0xFF
  */
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{
	uint8_t i, Byte = 0x00;					//定义接收的数据，并赋初值0x00，此处必须赋初值0x00，后面会用到
	MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送
	for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次接收数据的每一位
	{
		MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDA
		if (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}	//读取SDA数据，并存储到Byte变量
														//当SDA为1时，置变量指定位为1，当SDA为0时，不做处理，指定位为默认的初值0
		MyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，从机在SCL低电平期间写入SDA
	}
	return Byte;							//返回接收到的一个字节数据
}

/**
  * 函    数：I2C发送应答位
  * 参    数：Byte 要发送的应答位，范围：0~1，0表示应答，1表示非应答
  * 返 回 值：无
  */
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
	MyI2C_W_SDA(AckBit);					//主机把应答位数据放到SDA线
	MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，从机在SCL高电平期间，读取应答位
	MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块
}

/**
  * 函    数：I2C接收应答位
  * 参    数：无
  * 返 回 值：接收到的应答位，范围：0~1，0表示应答，1表示非应答
  */
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
	uint8_t AckBit;							//定义应答位变量
	MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送
	MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDA
	AckBit = MyI2C_R_SDA();					//将应答位存储到变量里
	MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块
	return AckBit;							//返回定义应答位变量
}

MyI2C.h

#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_H

void MyI2C_Init(void);
void MyI2C_Start(void);
void MyI2C_Stop(void);
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void);
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void);

#endif

MPU6050.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MyI2C.h"
#include "MPU6050_Reg.h"

#define MPU6050_ADDRESS		0xD0		//MPU6050的I2C从机地址

/**
  * 函    数：MPU6050写寄存器
  * 参    数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述
  * 参    数：Data 要写入寄存器的数据，范围：0x00~0xFF
  * 返 回 值：无
  */
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
	MyI2C_Start();						//I2C起始
	MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);	//发送从机地址，读写位为0，表示即将写入
	MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答
	MyI2C_SendByte(RegAddress);			//发送寄存器地址
	MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答
	MyI2C_SendByte(Data);				//发送要写入寄存器的数据
	MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答
	MyI2C_Stop();						//I2C终止
}

/**
  * 函    数：MPU6050读寄存器
  * 参    数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述
  * 返 回 值：读取寄存器的数据，范围：0x00~0xFF
  */
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
	uint8_t Data;
	
	MyI2C_Start();						//I2C起始
	MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);	//发送从机地址，读写位为0，表示即将写入
	MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答
	MyI2C_SendByte(RegAddress);			//发送寄存器地址
	MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答
	
	MyI2C_Start();						//I2C重复起始
	MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01);	//发送从机地址，读写位为1，表示即将读取
	MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答
	Data = MyI2C_ReceiveByte();			//接收指定寄存器的数据
	MyI2C_SendAck(1);					//发送应答，给从机非应答，终止从机的数据输出
	MyI2C_Stop();						//I2C终止
	
	return Data;
}

/**
  * 函    数：MPU6050初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void MPU6050_Init(void)
{
	MyI2C_Init();									//先初始化底层的I2C
	
	/*MPU6050寄存器初始化，需要对照MPU6050手册的寄存器描述配置，此处仅配置了部分重要的寄存器*/
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);		//电源管理寄存器1，取消睡眠模式，选择时钟源为X轴陀螺仪
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);		//电源管理寄存器2，保持默认值0，所有轴均不待机
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);		//采样率分频寄存器，配置采样率
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);			//配置寄存器，配置DLPF
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);	//陀螺仪配置寄存器，选择满量程为±2000°/s
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);	//加速度计配置寄存器，选择满量程为±16g
}

/**
  * 函    数：MPU6050获取ID号
  * 参    数：无
  * 返 回 值：MPU6050的ID号
  */
uint8_t MPU6050_GetID(void)
{
	return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);		//返回WHO_AM_I寄存器的值
}

/**
  * 函    数：MPU6050获取数据
  * 参    数：AccX AccY AccZ 加速度计X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767
  * 参    数：GyroX GyroY GyroZ 陀螺仪X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767
  * 返 回 值：无
  */
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, 
						int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{
	uint8_t DataH, DataL;								//定义数据高8位和低8位的变量
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);		//读取加速度计X轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);		//读取加速度计X轴的低8位数据
	*AccX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);		//读取加速度计Y轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);		//读取加速度计Y轴的低8位数据
	*AccY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);		//读取加速度计Z轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);		//读取加速度计Z轴的低8位数据
	*AccZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);		//读取陀螺仪X轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);		//读取陀螺仪X轴的低8位数据
	*GyroX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);		//读取陀螺仪Y轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);		//读取陀螺仪Y轴的低8位数据
	*GyroY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);		//读取陀螺仪Z轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);		//读取陀螺仪Z轴的低8位数据
	*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
}

MPU6050.h

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_H

void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data);
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress);

void MPU6050_Init(void);
uint8_t MPU6050_GetID(void);
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, 
						int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ);

#endif

MPU6050_Reg.h

#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H

#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C

#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48

#define	MPU6050_PWR_MGMT_1		0x6B
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#define	MPU6050_WHO_AM_I		0x75

#endif

接线图

标签：SCL,MyI2C,void,MPU6050,stm32,SDA,I2C
From： https://blog.csdn.net/2302_79504723/article/details/142106281

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