Arduino 课程设计小项目（ 卧推器材的失速检测与保护装置设计）

Arduino 课程设计小项目（ 卧推器材的失速检测与保护装置设计）

摘要： 本文详细介绍了使用Arduino结合MPU6050传感器检测失速状态，并通过舵机驱动保护装置的课程小设计。从硬件选型、电路连接到软件编程，全面阐述了项目的实现过程，旨在为对嵌入式系统开发和传感器应用感兴趣的读者提供一个实用的参考案例。

一、引言

在一些特定的应用场景中，如工业生产中的机械手臂操作或者日常生活中的智能家居设备，对于运动部件的状态监测至关重要。本次课程小设计旨在通过Arduino平台，利用MPU6050传感器检测卧推杆的失速状态，一旦检测到失速，立即驱动舵机打开保护装置，以防止可能的损坏或危险情况发生。

二、硬件选型

1. Arduino开发板
   选用了Arduino系列中的[具体型号]开发板，它具有丰富的接口资源，易于编程和扩展，能够满足本设计中对传感器数据采集和舵机控制的需求。
   

2. MPU6050传感器
   MPU6050是一款集成了3轴加速度计和3轴陀螺仪的传感器模块，能够精确测量物体的加速度和角速度信息，通过对这些数据的分析，可以判断卧推杆的运动状态，进而检测失速情况。
   
   

3. 舵机
   选择了最普通的SG90舵机，用来模拟保护装置的开启和关闭，并且能够快速响应Arduino发出的控制信号。

三、电路连接

1. 将MPU6050传感器的VCC和GND引脚分别连接到Arduino开发板的5V和GND引脚，以提供电源。其SCL和SDA引脚连接到Arduino的对应I2C接口引脚，用于数据传输。
2. 舵机的红色线连接到Arduino的5V引脚，棕色线连接到GND引脚，橙色线连接到Arduino的一个数字输出引脚，通过该引脚发送PWM信号来控制舵机的角度。

四、软件编程

1. 首先，引入了必要的Arduino库，包括Wire库用于I2C通信和Servo库用于舵机控制。

#include <Wire.h>
#include <Servo.h>

2. 初始化MPU6050传感器和舵机。

Servo myservo;
void setup() {
  Wire.begin();
  myservo.attach();  // 假设舵机连接到数字引脚9
  // 初始化MPU6050的代码
}

3. 在主循环中，不断读取MPU6050传感器的数据，并进行失速判断。

void loop() {
  // 读取加速度和角速度数据的代码
  // 根据数据判断是否失速的逻辑代码
  if (isStalled) {  // 如果失速
    myservo.write(90);  // 驱动舵机打开保护装置到90度位置
  } else {
    myservo.write(0);  // 正常状态下舵机保持在0度位置
  }
  delay(100);
}

4. 失速判断算法可以基于加速度和角速度的阈值设定。例如，如果加速度在一段时间内保持接近零，且角速度也接近零，则可以判断为失速状态。

完整代码

// Arduino Wire library is required if I2Cdev I2CDEV_ARDUINO_WIRE implementation
// is used in I2Cdev.h
#include "Wire.h"

// I2Cdev and MPU6050 must be installed as libraries, or else the .cpp/.h files
// for both classes must be in the include path of your project
#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050.h"
#include <Servo.h> 

// class default I2C address is 0x68
// specific I2C addresses may be passed as a parameter here
// AD0 low = 0x68 (default for InvenSense evaluation board)
// AD0 high = 0x69
MPU6050 accelgyro;
Servo myServo; 

int16_t ax, ay, az;
int16_t gx, gy, gz;

const int16_t THRESHOLD = 600; // 根据实际情况调整
const float GRAVITY = 9.81; // 重力加速度
const int buttonPin = 2; // 按钮引脚
#define LED_PIN 13
bool blinkState = false;

void setup() {
    // join I2C bus (I2Cdev library doesn't do this automatically)
    Wire.begin();

    // initialize serial communication
    // (38400 chosen because it works as well at 8MHz as it does at 16MHz, but
    // it's really up to you depending on your project)
    Serial.begin(38400);

    // initialize device
    Serial.println("Initializing I2C devices...");
    accelgyro.initialize();

    // verify connection
    Serial.println("Testing device connections...");
    Serial.println(accelgyro.testConnection() ? "MPU6050 connection successful" : "MPU6050 connection failed");

    // configure Arduino LED for
    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
    myServo.attach(9); // 将舵机连接到引脚9
    
    pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP); // 设置按钮引脚为上拉输入
}

void loop() {
    // read raw accel/gyro measurements from device
    accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);

    // these methods (and a few others) are also available
    //accelgyro.getAcceleration(&ax, &ay, &az);
    //accelgyro.getRotation(&gx, &gy, &gz);

    // display tab-separated accel/gyro x/y/z values
//    Serial.print("a/g:\t");
//    Serial.print(ax); Serial.print("\t");
//    Serial.print(ay); Serial.print("\t");
//    Serial.print(az); Serial.print("\t");
//    Serial.print(gx); Serial.print("\t");
//    Serial.print(gy); Serial.print("\t");
//    Serial.println(gz);

      // 打印加速度计数据
      //Serial.print("ax: "); Serial.println(ax);
      //Serial.print("\tay: "); Serial.print(ay);
      Serial.print("\taz: "); Serial.println(az);
      
      
      // 计算加速度的模
      //float accelerationMagnitude = sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az) / 16384.0;   //&&accelerationMagnitude<GRAVITY
     
      // 检测失速 
      if (az < THRESHOLD) { // 检测Z轴加速度是否低于阈值
          Serial.println("失速检测：卧推杆掉落！");
          // 这里可以添加其他处理逻辑，比如发出警报或记录数据
          
          // blink LED to indicate activity
          blinkState = !blinkState;
          myServo.write(90); 
          digitalWrite(LED_PIN, blinkState);
        }
        
        if (digitalRead(buttonPin) == LOW) { // 按钮按下时返回
          Serial.println("按钮按下，舵机返回到0度！");
          myServo.write(0); // 返回到0度
          delay(500); // 等待1秒，确保舵机完成转动
        }
     

      blinkState = !blinkState;

  }

五、测试与结果

经过多次测试，当卧推杆处于正常运动状态时，舵机保持关闭，保护装置未启动。而当模拟失速情况发生时，MPU6050能够准确检测到状态变化，Arduino迅速驱动舵机打开保护装置，达到了预期的设计效果。

六、总结与展望

本次基于Arduino的失速检测与保护装置设计成功实现了预期功能，通过硬件和软件的协同工作，有效地提高了系统的安全性和可靠性。在未来的改进中，可以进一步优化失速判断算法，提高检测的准确性和灵敏度，同时可以考虑增加更多的传感器，如压力传感器等，以实现更全面的状态监测和保护功能。

通过这个课程小设计，不仅加深了对Arduino开发和传感器应用的理解，也为解决实际工程问题提供了一个可行的思路和方法。