Abb. 09 · Robotik-Labor · Ein Gyro und ein Beschleunigungssensor an zwei Drähten

Kippalarm mit MPU-6050

Arduino Nano

Die Abbildung wird geladen …

Werkbank

Noch kein Messwert

Rollen

Noch kein Messwert

Stromaufnahme

0 mA

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes
Bis auf die nackte Platine zerlegen
Nimm jedes Bauteil von der blauen Platine. Du setzt sie so wieder zusammen, wie sie hergestellt wird: zuerst der Chip, der Regler und die kleinen Bauteile, dann die Stiftleiste.
2
Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten
3
Die 8-polige Stiftleiste einsetzen
4
Die Stiftleiste löten
5
Den Nano verdrahten
6
Den Summer verdrahten
7
Die Werkbank mit Strom versorgen
8
„Rohwerte“ hochladen
9
„Kippalarm“ hochladen
10
„Nie aufgeweckt“ hochladen
11
„I2C-Scan“ hochladen
12
VCC und GND vertauscht anschließenKaputt machen
13
VCC aus einem 2S-LiPo versorgenKaputt machen
14
C14 weglassenKaputt machen
15
R6 weglassenKaputt machen
16
Eine kalte Lötstelle an SDA lassenKaputt machen
17
C10 verkehrt herum einsetzenKaputt machen
18
Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Jeder Fehler ist einer, über den echte Bastler stolpern. Lös ihn aus, lies das Symptom an der Werkbank ab und beheb ihn dann.

VCC verpolt
Verpolung
Warum es passiert
Symptom: Die LED bleibt dunkel, und der Regler wird heiß; danach misst das Board vielleicht gar nichts mehr.
Nichts auf dem GY-521 blockiert eine verpolte Versorgung. Strom fließt rückwärts durch die Schutzdioden des Reglers und des Chips, nur vom USB des Nano begrenzt. Ein paar Sekunden können den 662K und manchmal den MPU-6050 töten.
Lösung: Sofort abstecken, VCC an 5V und GND an GND anschließen und den Regler ersetzen, wenn er heiß geworden ist.
7,4 V an VCC
falsche Spannung
Warum es passiert
Symptom: Der Regler brennt durch: Geruch, ein verfärbtes Gehäuse. Dann antwortet nichts mehr auf dem Bus.
Der 662K (XC6206) ist für 6 V Eingangsspannung ausgelegt. Ein 2S-LiPo liefert 7,4 bis 8,4 V. Fällt der Regler als Kurzschluss aus, erreicht die Akkuspannung auch den MPU-6050, der 3,46 V verträgt.
Lösung: Versorg VCC aus 5V des Nano, nie aus dem Akku des Roboters oder aus VIN.
Kein CPOUT-Kondensator
fehlendes Bauteil
Warum es passiert
Symptom: gx springt um Dutzende °/s, während das Board still liegt. Der Beschleunigungssensor ist in Ordnung.
Die Ladungspumpe des Gyros braucht ihren Kondensator, um die Spannung zu erzeugen, die die Messmassen antreibt. Ohne ihn ist die Ausgabe des Gyros Rauschen. Der Arduino Playground warnt davor: Ein falscher Kondensator ergibt einen hohen Rauschpegel.
Lösung: Setz C14 (2,2 nF) ein und löte ihn im Reflow-Ofen.
Kein Pull-down an AD0
offener Eingang
Warum es passiert
Symptom: Der Summer ertönt an einem stillstehenden Roboter: Der Sketch gibt roll -135° und ALARM aus.
Mit AD0 offen auf HIGH antwortet der Chip an 0x69. Der Sketch fragt 0x68, niemand antwortet, und Wire.read() gibt für jedes Byte -1 zurück. Jeder Wert ist -1 Count, und atan2(-1, -1) ist -135°.
Lösung: Setz R6 ein oder setz MPU im Sketch auf 0x69. Besser: Prüf, dass requestFrom() seine 14 Bytes bekommen hat, bevor du sie benutzt.
Kalte Lötstelle an SDA
kalte Lötstelle
Warum es passiert
Symptom: Kurze Fehlalarme: Ab und zu kommt ein Lesezugriff als roll -135° zurück.
Über eine Lötstelle, die mal Kontakt hat und mal nicht, bekommen manche Lesezugriffe keine Antwort und kommen überall als -1 zurück. Ein Alarm, der einem einzelnen Lesezugriff vertraut, piept bei jedem davon.
Lösung: Erhitz die Lötstelle mit frischem Lötzinn neu, bis es zu einem glänzenden Kegel verläuft. Ignorier im Sketch einen fehlgeschlagenen Lesezugriff.
C10 verkehrt herum
Bauteil verkehrt herum
Warum es passiert
Symptom: Der Tantal wird heiß, sobald das Board Strom bekommt, und kann reißen oder rauchen.
Die Oxidschicht eines Tantalkondensators sperrt Strom nur in einer Richtung. Verpolt leitet er, wird heiß und kann als Kurzschluss ausfallen.
Lösung: Abstecken und einen neuen einsetzen, mit dem Streifen (+) auf der 3,3-V-Seite, wie aufgedruckt.

Die Werkbank im Überblick

Bau das GY-521 auf, weck es auf und lass es dann warnen, wenn der Roboter kippt

Ein Roboter muss wissen, wo unten ist. Der MPU-6050 auf diesem kleinen blauen GY-521-Board misst die Beschleunigung auf drei Achsen, die Schwerkraft eingeschlossen, und die Drehrate auf drei weiteren und liefert alles über I2C an Adresse 0x68. Flach liegend misst er 1 g auf Z; gekippt wandert ein Teil dieses 1 g nach Y, und atan2(ay, az) ergibt den Winkel. Bau das Board auf, lies es von einem Nano aus mit einfachen Wire-Aufrufen und lass dann einen Summer ertönen, wenn der Roboter über 20° kippt. Dann mach es kaputt: versorg es verpolt oder aus einem LiPo, lass den Kondensator weg, den das Gyro braucht, verlier den Pull-down der Adresse, lass eine kalte Lötstelle an SDA und setz den Tantal verkehrt herum ein.

Quellen

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 4.598 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Rohwerte

// MPU-6050: rohe I2C-Lesezugriffe, keine Bibliothek
#include <Wire.h>

const int MPU = 0x68;   // AD0 auf LOW: Adresse 0x68
int16_t ax, ay, az, gx;

void wake() {
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x6B);     // PWR_MGMT_1: 0 schreiben, um den Chip aufzuwecken (er startet im Schlaf)
  Wire.write(0);
  Wire.endTransmission();
}

void readImu() {
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x3B);     // ACCEL_XOUT_H: 14 Bytes ab hier sind Beschleunigung X, Y, Z, Temperatur, Gyro X, Y, Z
  Wire.endTransmission(false);
  Wire.requestFrom(MPU, 14);
  ax = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  ay = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  az = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  Wire.read(); Wire.read();   // die Temperatur: übersprungen
  gx = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  Wire.read(); Wire.read(); Wire.read(); Wire.read();
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  wake();
  Serial.println("mpu6050: awake, +-2 g, +-250 deg/s");
}

void loop() {
  readImu();
  Serial.print("ax ");
  Serial.print(ax / 16384.0, 2);   // 16384 Counts = 1 g bei ±2 g
  Serial.print(" ay ");
  Serial.print(ay / 16384.0, 2);
  Serial.print(" az ");
  Serial.print(az / 16384.0, 2);
  Serial.print(" g | gx ");
  Serial.print(gx / 131.0, 1);     // 131 Counts = 1 °/s bei ±250 °/s
  Serial.println(" deg/s");
  delay(1000);
}

Übungsaufgaben

0/2 Aufgaben

Schreib den Code und führ dann die Prüfungen aus. Der Lauf nutzt eine virtuelle Uhr und eine geskriptete Umgebung, deshalb liefert derselbe Code immer dasselbe Ergebnis.

Über 20° Alarm schlagen

Arduino C++

Der Starter liest die Neigung und gibt sie aus, aber nichts warnt irgendwen. Ist das Rollen über 20° in eine der beiden Richtungen, setz D13 auf HIGH und spiel einen 2-kHz-Ton auf dem Summer (D8); sonst D13 auf LOW und noTone(). Das Board ist zuerst waagerecht, bei 2 s um 35° gekippt, bei 3,5 s zurück auf -10° und bei 5 s um -40° gekippt.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft
Noch nicht ausgeführtWaagerecht: D13 LOW
Noch nicht ausgeführtUm 35° gekippt: D13 HIGH
Noch nicht ausgeführtUm 35° gekippt: Der Summer tönt mit etwa 2 kHz
Noch nicht ausgeführtZurück auf -10°: D13 wieder LOW
Noch nicht ausgeführtUm -40° gekippt: D13 HIGH
Noch nicht ausgeführtUm -40° gekippt: Der Summer tönt

Tipps

abs(roll) > 20 erfasst beide Richtungen.
tone(BUZZER, 2000) spielt weiter bis noTone(BUZZER).
digitalWrite(13, alarm ? HIGH : LOW); setzt die LED in einer Zeile.

Code für Über 20° Alarm schlagen

// Mit D13 und dem Summer warnen, wenn der Roboter über 20° kippt
#include <Wire.h>

const int MPU = 0x68;   // AD0 auf LOW: Adresse 0x68
int16_t ax, ay, az, gx;

void wake() {
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x6B);     // PWR_MGMT_1: 0 schreiben, um den Chip aufzuwecken (er startet im Schlaf)
  Wire.write(0);
  Wire.endTransmission();
}

void readImu() {
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x3B);     // ACCEL_XOUT_H: 14 Bytes ab hier sind Beschleunigung X, Y, Z, Temperatur, Gyro X, Y, Z
  Wire.endTransmission(false);
  Wire.requestFrom(MPU, 14);
  ax = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  ay = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  az = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  Wire.read(); Wire.read();   // die Temperatur: übersprungen
  gx = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  Wire.read(); Wire.read(); Wire.read(); Wire.read();
}

const int BUZZER = 8;
unsigned long lastPrint = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  wake();
  pinMode(13, OUTPUT);
  Serial.println("tilt alarm: beeps past 20 deg");
}

void loop() {
  readImu();
  float roll = atan2(ay, az) * 180.0 / PI;
  // über 20° in eine der beiden Richtungen: D13 HIGH und ein 2-kHz-Ton; sonst D13 LOW und noTone()
  if (millis() - lastPrint >= 1000) {
    lastPrint = millis();
    Serial.print("roll ");
    Serial.print(roll, 0);
    Serial.print(" deg");
    if (abs(roll) > 20) Serial.print(" ALARM");
    Serial.println();
  }
  delay(100);
}

Das Gyro kalibrieren

Arduino C++

Das Board liegt still, und trotzdem misst gx etwa 0,6 °/s: der Nullpunktfehler des Gyros, bei diesem Chip bis zu ±20 °/s. Integrier das, und der Winkel driftet davon. Lies in setup() gx 200-mal, mittle die Counts in offset und gib es als "calibrated: offset N counts" aus. loop() zieht es schon ab.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft
Noch nicht ausgeführtGibt den gemessenen Offset aus, etwa 79 Counts
Noch nicht ausgeführtNach dem Kalibrieren misst gx in Ruhe 0.00 °/s

Tipps

long sum = 0; for (int i = 0; i < 200; i++) { sum += readGx(); delay(2); }
offset = sum / 200; behält es in Counts, wie die Lesezugriffe.
Halte das Board still, während es kalibriert: Jede Drehung wird Teil des Offsets.

Code für Das Gyro kalibrieren

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Nimm jedes Bauteil von der blauen Platine. Du setzt sie so wieder zusammen, wie sie hergestellt wird: zuerst der Chip, der Regler und die kleinen Bauteile, dann die Stiftleiste.

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die 8-polige Stiftleiste einsetzen

Die Stiftleiste löten

Den Nano verdrahten

Den Summer verdrahten

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Rohwerte“ hochladen

„Kippalarm“ hochladen

„Nie aufgeweckt“ hochladen

„I2C-Scan“ hochladen

VCC und GND vertauscht anschließenKaputt machen

VCC aus einem 2S-LiPo versorgenKaputt machen

C14 weglassenKaputt machen

R6 weglassenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an SDA lassenKaputt machen

C10 verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Explosionsansicht

Die Werkbank im Überblick

Bau das GY-521 auf, weck es auf und lass es dann warnen, wenn der Roboter kippt

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 4.598 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Rohwerte

// MPU-6050: rohe I2C-Lesezugriffe, keine Bibliothek
#include <Wire.h>

const int MPU = 0x68;   // AD0 auf LOW: Adresse 0x68
int16_t ax, ay, az, gx;

void wake() {
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x6B);     // PWR_MGMT_1: 0 schreiben, um den Chip aufzuwecken (er startet im Schlaf)
  Wire.write(0);
  Wire.endTransmission();
}

void readImu() {
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x3B);     // ACCEL_XOUT_H: 14 Bytes ab hier sind Beschleunigung X, Y, Z, Temperatur, Gyro X, Y, Z
  Wire.endTransmission(false);
  Wire.requestFrom(MPU, 14);
  ax = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  ay = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  az = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  Wire.read(); Wire.read();   // die Temperatur: übersprungen
  gx = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  Wire.read(); Wire.read(); Wire.read(); Wire.read();
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  wake();
  Serial.println("mpu6050: awake, +-2 g, +-250 deg/s");
}

void loop() {
  readImu();
  Serial.print("ax ");
  Serial.print(ax / 16384.0, 2);   // 16384 Counts = 1 g bei ±2 g
  Serial.print(" ay ");
  Serial.print(ay / 16384.0, 2);
  Serial.print(" az ");
  Serial.print(az / 16384.0, 2);
  Serial.print(" g | gx ");
  Serial.print(gx / 131.0, 1);     // 131 Counts = 1 °/s bei ±250 °/s
  Serial.println(" deg/s");
  delay(1000);
}

Kippalarm mit MPU-6050

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die 8-polige Stiftleiste einsetzen

Die Stiftleiste löten

Den Nano verdrahten

Den Summer verdrahten

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Rohwerte“ hochladen

„Kippalarm“ hochladen

„Nie aufgeweckt“ hochladen

„I2C-Scan“ hochladen

VCC und GND vertauscht anschließenKaputt machen

VCC aus einem 2S-LiPo versorgenKaputt machen

C14 weglassenKaputt machen

R6 weglassenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an SDA lassenKaputt machen

C10 verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

VCC verpolt

7,4 V an VCC

Kein CPOUT-Kondensator

Kein Pull-down an AD0

Kalte Lötstelle an SDA

C10 verkehrt herum

Live-Status

Stromaufnahme

Teste dich selbst

Nach: Die Stiftleiste löten

Nach: „Kippalarm“ hochladen

Nach: C10 verkehrt herum einsetzen

Abschlussquiz der Werkbank

Die Werkbank im Überblick

Quellen

Auf der Werkbank

Übungsaufgaben

Über 20° Alarm schlagen

Prüfungen

Das Gyro kalibrieren

Prüfungen

Kippalarm mit MPU-6050

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die 8-polige Stiftleiste einsetzen

Die Stiftleiste löten

Den Nano verdrahten

Den Summer verdrahten

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Rohwerte“ hochladen

„Kippalarm“ hochladen

„Nie aufgeweckt“ hochladen

„I2C-Scan“ hochladen

VCC und GND vertauscht anschließenKaputt machen

VCC aus einem 2S-LiPo versorgenKaputt machen

C14 weglassenKaputt machen

R6 weglassenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an SDA lassenKaputt machen

C10 verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

VCC verpolt

7,4 V an VCC

Kein CPOUT-Kondensator

Kein Pull-down an AD0

Kalte Lötstelle an SDA

C10 verkehrt herum

Live-Status

Stromaufnahme

Teste dich selbst

Nach: Die Stiftleiste löten

Nach: „Kippalarm“ hochladen

Nach: C10 verkehrt herum einsetzen

Abschlussquiz der Werkbank

Die Werkbank im Überblick

Quellen