Accelerometrar och gyroskopier blir alltmer populära i konsumentelektronik, så det kanske är dags att du lägger till dem i ditt projekt! När du bläddrar genom SparkFuns kategori för sensorer hittar du en stor lista med dessa sensorer som kan vara perfekta för ditt nästa projekt, om du bara visste vad de gör och vilken som passar bäst för ditt projekt. Målet med den här köpguiden är att få dig att tala samma språk som dessa sensorers datablad och att hjälpa dig att välja den som är bäst lämpad för dina behov.

Accelerometrar

Vad mäter en accelerometer? Jo, acceleration. Du vet… hur snabbt något accelererar eller saktar ner. Accelerationen visas antingen i enheterna meter per sekund i kvadrat (m/s2) eller G-kraft (g), som är ungefär 9,8 m/s2 (det exakta värdet beror på din höjd och massan på den planet du befinner dig på).

Accelerometrar används för att känna av både statisk (t.ex. gravitation) och dynamisk (t.ex. plötslig start/stopp) acceleration. En av de mer allmänt använda tillämpningarna för accelerometrar är lutningsmätning. Eftersom de påverkas av gravitationsaccelerationen kan en accelerometer berätta hur den är orienterad i förhållande till jordytan. Apples iPhone har till exempel en accelerometer som gör att den vet om den hålls i stående eller liggande läge. En accelerometer kan också användas för att känna av rörelse. En accelerometer i Nintendos WiiMote kan t.ex. användas för att känna av emulerade forehands och backhands på ett tennisracket eller rullar på en bowlingkula. Slutligen kan en accelerometer också användas för att känna av om en anordning befinner sig i fritt fall. Denna funktion är implementerad i flera hårddiskar: om ett fall registreras stängs hårddisken snabbt av för att skydda mot dataförlust.

När du nu vet vad de gör, låt oss fundera på vilka egenskaper du bör leta efter när du väljer din accelerometer:

• Räckvidd – Den övre och nedre gränsen för vad accelerometern kan mäta kallas också för dess räckvidd. I de flesta fall innebär ett mindre fullt skalområde en känsligare utgång, så du kan få en mer exakt avläsning av en accelerometer med ett lågt fullt skalområde.
  Du vill välja ett mätområde som passar bäst för ditt projekt. Om ditt projekt endast kommer att utsättas för accelerationer mellan +2g och -2g kommer en accelerometer med ett mätområde på ±250g inte att ge dig mycket, om ens någon, precision.
  Vi har ett bra sortiment av accelerometrar, med maximala områden som sträcker sig från ±1g till ±250g. De flesta av våra accelerometrar är inställda på ett hårt maximalt/minimalt intervall, men vissa av de mer avancerade accelerometrarna har valbara intervall.
• Gränssnitt – Detta är ytterligare en av de viktigare specifikationerna. Accelerometrar har antingen ett analogt, pulsbreddsmodulerat (PWM) eller digitalt gränssnitt.
  • Accelerometrar med analog utgång ger en spänning som är direkt proportionell mot den registrerade accelerationen. Vid 0 g kommer den analoga utgången vanligtvis att ligga ungefär i mitten av den tillförda spänningen (t.ex. 1,65 V för en 3,3 V-sensor). Generellt sett är detta gränssnitt det enklaste att arbeta med, eftersom analog-till-digitalomvandlare (ADC) är implementerade i de flesta mikrokontroller.
  • Accelerometrar med ett PWM-gränssnitt kommer att producera en fyrkantsvåg med en fast frekvens, men pulsens arbetscykel kommer att variera med den avvägda accelerationen. Dessa är ganska sällsynta; vi har bara en i vår katalog.
  • Digitala accelerometrar har vanligtvis ett seriellt gränssnitt vare sig det är SPI eller I²C. Beroende på din erfarenhet kan dessa vara de svåraste att få integrerade med din mikrokontroller. Med detta sagt är digitala accelerometrar populära eftersom de vanligtvis har fler funktioner och är mindre känsliga för brus än sina analoga motsvarigheter.
• Antal axlar som mäts – Den här är mycket enkel: av de tre möjliga axlarna (x, y och z), hur många kan accelerometern känna av? Accelerometrar med tre axlar är vanligtvis det bästa alternativet; de är de vanligaste och de är egentligen inte dyrare än motsvarande känsliga accelerometrar med en eller två axlar.
• Strömförbrukning – Om ditt projekt är batteridrivet bör du överväga hur mycket ström accelerometern kommer att förbruka. Den erforderliga strömförbrukningen kommer vanligtvis att ligga i 100-tals µA-området. Vissa sensorer har också en vilofunktion för att spara energi när accelerometern inte behövs.
• Bonusfunktioner – Många nyare utvecklade accelerometrar kan ha några smarta funktioner, utöver att bara producera accelerationsdata. Dessa nyare accelerometrar kan ha funktioner som valbara mätområden, sömnstyrning, 0-g-detektering och tappavkänning.

3

Gyroskop

Gyroskop mäter vinkelhastigheten, hur snabbt något snurrar runt en axel. Om du försöker övervaka orienteringen av ett objekt i rörelse ger en accelerometer kanske inte tillräckligt med information för att veta exakt hur det är orienterat. Till skillnad från accelerometrar påverkas gyroskopier inte av gravitationen, så de utgör ett utmärkt komplement till varandra. Du ser vanligtvis att vinkelhastigheten representeras i enheter av rotationer per minut (RPM) eller grader per sekund (°/s). De tre rotationsaxlarna anges antingen som x, y och z, eller roll, pitch och yaw.

Förr har gyroskop använts för rymdnavigering, missilstyrning, undervattensstyrning och flygstyrning. Nu börjar de användas tillsammans med accelerometrar för tillämpningar som rörelsefångst och fordonsnavigering.
En hel del av det som beaktades när man valde en accelerometer gäller fortfarande för att välja den perfekta gyro:

• Räckvidd – Se till att den maximala vinkelhastigheten som du förväntar dig att mäta inte överskrider gyrosystemets maximala räckvidd. Men för att få bästa möjliga känslighet bör du också se till att gyroskopets räckvidd inte är mycket större än vad du förväntar dig.
• Gränssnitt – Det finns faktiskt inte mycket variation i det här avsnittet, 95 % av de gyroskop som vi har har har en *analog *utgång. Det finns några få som har ett digitalt gränssnitt – antingen SPI eller I2C.
• Antal axlar som mäts – Jämfört med accelerometrar ligger gyros lite efter i utvecklingen. Det är först nyligen som billiga 3-axliga gyroskop har börjat dyka upp på marknaden. De flesta av våra gyroskop är antingen 1- eller 2-axliga. När du väljer dessa måste du vara uppmärksam på vilken av de tre axlarna gyroskopet kommer att mäta; till exempel kommer vissa tvåaxliga gyroskop att mäta lutning och rullning, medan andra mäter lutning och gir.
• Strömförbrukning – Om ditt projekt är batteridrivet kan du fundera på hur mycket ström gyroskopet kommer att förbruka. Den nödvändiga strömförbrukningen kommer vanligtvis att ligga i 100-tals µA-området. Vissa sensorer har också en sömnfunktion för att spara energi när gyroskopet inte behövs.
• Bonusfunktioner – Det är inte mycket i det här avsnittet som kommer att slå dig med häpnad. Många gyroskopier har en temperaturutgång, vilket är mycket användbart när man kompenserar för drift.

IMU:er

Gyroskop och accelerometrar är bra, men i sig själva ger de dig inte tillräckligt med information för att du bekvämt ska kunna beräkna saker som orientering, position och hastighet. För att mäta dessa och andra variabler kombinerar många människor de två sensorerna för att skapa en tröghetsmätningsenhet (IMU) som ger två till sex frihetsgrader (DOF). IMU:er används ofta i anordningar som kräver kunskap om sin exakta position, t.ex. robotarmar, styrda missiler och verktyg som används för att studera kroppens rörelser.

SparkFuns IMU:er kan egentligen delas upp i två klasser: enkla IMU-kombinationskort, som bara monterar en accelerometer och en gyro på ett enda kretskort, och mer komplexa enheter som kopplar ihop en mikrokontroller med sensorerna för att producera en seriell utgång. Om du har tittat på de tidigare avsnitten bör du veta vilken typ av specifikationer du ska leta efter i IMU:er: antalet axlar (både för accelerometer och gyro), sensorernas mätområde och gränssnittet.

Tillförteckning över termer

Range: Det värdeområde som en anordning kan mäta är en viktig faktor för att avgöra vilken anordning som är lämplig för ditt projekt. Det är uppenbart att en accelerometer på 24 g inte är till någon större nytta för att spåra kroppens rörelser om du inte planerar att slungas ut i rymden av världens största slunga. På samma sätt kommer du inte heller att få några användbara uppgifter om exempelvis en raketuppskjutning om din accelerometer når upp till 1 g. Räckvidden för en accelerometer mäts i g-kraft, eller multiplar av den acceleration som beror på gravitationen på jorden. Räckvidden för en gyro, som mäter rotationsaccelerationen, anges i rotationsgrader per sekund.

Interface: Den metod med vilken du skickar och tar emot data mellan en styrenhet och en enhet kallas för gränssnitt. Det finns flera standarder tillgängliga och var och en har sina för- och nackdelar. Analoga signaler är lätta att läsa och kan mätas av de flesta mikrokontroller med mycket lite kod. Seriell kommunikation hänvisar i det här fallet till UART och kräver lite mer bearbetningskapacitet men kan överföra mer information än analoga signaler, Seriell eller I2C är vanliga i situationer där flera axlar måste läsas ut till en styrenhet. I2C är ett tvåtrådigt seriellt gränssnitt som gör det möjligt för flera enheter att dela en buss och kommunicera med varandra, det är också en mycket vanlig förmåga bland mikrokontroller.

Axlar: Detta avser antalet riktningar i vilka acceleration kan mätas. Accelerometrar mäter accelerationen längs de angivna axlarna medan gyroskopier mäter accelerationen runt axlarna.

Effektkrav: Detta representerar den mängd ström som enheten vanligtvis kommer att förbruka under drift, ditt system bör kunna leverera minst denna mängd ström och lite till för att undvika felaktigt beteende eller brown-out-tillstånd. Många enheter har också lågeffekt- eller energisparlägen där de förbrukar betydligt mindre ström. Vi har också listat enhetens nominella spänning för din bekvämlighet.

Bonusfunktioner: Varje apparattillverkare har sina egna idéer om vilka ”klockor och visselpipor” som bör läggas till en gyro- eller accelerometer. I den här kolumnen listar vi de extra funktioner som skiljer varje enhet från de andra.