零基础玩转 MPU6050：I2C 协议白话解析 + STM32 初始化代码，直接套用

1.硬件介绍

本期介绍一下智能家居项目中用到的角度传感器MPU6050。此模块在项目中用于获取姿态角度，方便后续添加无按键控制功能以及步数获取功能。

1.1.产品参数

产品名称:MPU-6050模块(三轴陀螺仪+三轴加速度)

使用芯片：MPU-6050

供电电源：3-5V（内部低压差稳压）通信方式：标准IIC通信协议

芯片内置：16bit AD转换器，16位数据输出

陀螺仪范围: ±250 500 1000 2000°/s

加速度范围: ±2±4±8±16g

引脚间距:2.54mm

1.2.产品介绍详解

MPU-6050 这模块挺实用的，里面集成了 3 轴陀螺仪和 3 轴加速器，相当于一下子能测六个方向的运动状态。

更方便的是，它自带一个叫 DMP 的硬件加速引擎，专门处理运动数据。这个引擎能直接算出 9 轴融合的结果（虽然本身是 6 轴，但通过算法能实现类似 9 轴的效果），不用我们自己写复杂的融合代码。

它有两个 I2C 接口，主接口用来传输数据，第二个可以接其他传感器。最关键的是InvenSense 已经做好了现成的运动处理数据库，能帮我们处理那些复杂的运动数据计算，这样一来，单片机或者处理器就不用费劲儿去算这些，能减轻不少负担。

而且它还提供了结构化的 API，咱们做开发的时候，直接调用接口就行，不用从底层一点点写，用起来挺顺手的。

此外，MPU-6050 的角速度测量范围挺灵活的，能调到 ±250、±500、±1000 还有 ±2000 度每秒，不管是快动作还是慢动作都能精准捕捉到。加速度的测量范围也能自己设置，有 ±2g、±4g、±8g 和 ±16g 这几个档，按需调就行。

传数据的话，它支持两种方式：I2C 最快能到 400kHz，SPI 更快，能到 20MHz，看你项目需求选哪种都行。

供电方面也挺方便，主电源 VDD 可以用 2.5V、3.0V 或者 3.3V，误差在 ±5% 以内都没问题；不过逻辑接口的电压得是 1.8V±5%，这点要注意。

另外它的尺寸是真小，4x4x0.9 毫米的 QFN 封装，在业内算是很小巧的了，省空间。还有些实用功能，比如自带温度传感器，里面的振荡器在工作时误差也很小，只有 ±1%，稳定性不错。

2.I2C协议

2.1.I2C协议简介

I2C 协议说白了，就是电子设备之间 “聊天” 的一套规矩，专门用来解决多个小器件（比如传感器、显示屏、单片机）怎么用最少的线互相传数据的问题。

咱们具体说，它就靠两根线干活：一根叫 SDA（数据线），专门用来传实际的数据（比如传感器测到的温度、湿度）；另一根叫 SCL（时钟线），负责 “打拍子”—— 所有设备都跟着这根线的节奏走，保证传数据时不抢、不错位，就像大家一起听着同一个节拍唱歌，不会乱。

这协议厉害的地方在于 “一根线能接一串设备”。比如一个单片机，想连温湿度传感器、光照传感器、OLED 屏幕，不用给每个设备单独拉一堆线，只要把它们的 SDA 和 SCL 分别并到一起，再加上电源和地线，就能让单片机挨个跟它们 “聊天”。

每个设备都有自己独一无二的 “地址”，就像每家有个门牌号，单片机喊 “地址 0x48 的设备，把数据发过来”，对应的传感器就会回应，其他设备则乖乖等着，不会瞎掺和。

传数据的时候也有固定流程：比如单片机想从传感器拿数据，先通过 SDA 线发个 “开始信号”（告诉大家要说话了），然后发传感器的地址，再发 “我要读数据” 的指令，传感器收到后就会把数据通过 SDA 线传回来，最后单片机发个 “结束信号”，这次聊天就结束了。整个过程都跟着 SCL 线的节奏走，一步一步来，不容易出错。

平时咱们玩的开发板、智能家居里的小模块（比如 DHT11 温湿度传感器有时候也会用 I2C 版本），很多都靠它来传数据，主要就是因为省线、简单，一堆设备挤在一起也能有条不紊地通信。

 

2.2.I2C通讯过程

I2C 的通信过程其实就像两个人打电话，有一套固定的 “通话流程”：

首先，主机（比如单片机）得先 “拿起电话”—— 发一个起始信号，告诉总线上的设备 “准备开始通信了”。

接着，主机得说清 “打给谁、要干嘛”—— 发一个字节的数据，里面包含了目标从机（比如传感器）的地址，以及接下来是要 “听数据” 还是 “发数据”（也就是传送方向）。

被点名的从机收到后，得 “喂一声” 回应 —— 发一个应答信号，告诉主机 “我收到了，你说吧”。

然后就进入正题了：发送数据的一方（可能是主机也可能是从机）发一个字节的数据，接收的一方收到后，再发一个应答信号表示 “收到了，继续”。

就这样，发数据、回应答，一步一步循环着来，直到所有要传的内容都发完。

最后，主机 “挂电话”—— 发一个停止信号，告诉大家 “这次通信结束了”，总线就释放出来，其他设备可以用了。

整个过程就像按剧本走，每个步骤都有回应，保证数据传得又准又顺～

2.3.I2C起始与停止信号

2.3.1.起始信号

I2C发送一个起始信号：SDA和SCL线都设置为高电平，然后在SCL为高电平的期间，让SDA线让从高电平到低电平进行一个下降沿。

//产生IIC起始信号
void MPU_IIC_Start(void)
{
    MPU_SDA_OUT();     //sda线输出
    MPU_IIC_SDA=1;	  	  
    MPU_IIC_SCL=1;
    MPU_IIC_Delay();
    MPU_IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low 
    MPU_IIC_Delay();
    MPU_IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
}	  

2.3.2.停止信号

I2C发送一个停止信号：SCL和SDA线拉低，SCL线先拉高，再将SDA拉高，让SDA线在SCL高电平期间，经历一个上升沿。

//产生IIC停止信号
void MPU_IIC_Stop(void)
{
    MPU_SDA_OUT();//sda线输出
    MPU_IIC_SCL=0;
    MPU_IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
    MPU_IIC_Delay();
    MPU_IIC_SCL=1;  
    MPU_IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
    MPU_IIC_Delay();							   	
}

2.4.I2C应答信号

这是 I²C 总线里 “数据格式和应答机制” 的说明，用大白话拆解下：

数据是 8 位一组：不管传啥数据，都拆成一个一个 8 位的字节（比如温度值、设备地址 ），想传多少字节都行，没限制。

每传 1 字节必须跟个 “应答（ACK）”：就像你给朋友发消息，发一条得等对方回个 “收到”，保证数据没丢。

2.4.1.应答信号

发送完一字节数据后，拉低SCL线，SDA线，在SDA为低电平过程中，将SCL线拉高，再拉低为一个应答信号。

//产生ACK应答
void MPU_IIC_Ack(void)
{
    MPU_IIC_SCL=0;
    MPU_SDA_OUT();
    MPU_IIC_SDA=0;
    MPU_IIC_Delay();
    MPU_IIC_SCL=1;
    MPU_IIC_Delay();
    MPU_IIC_SCL=0;
}

2.4.1.不产生应答信号

发送完一字节数据后，拉低SCL线，SDA线为高电平，在SDA为低电平过程中，将SCL线拉高，再拉低为代表一个非应答信号。

//不产生ACK应答		
void MPU_IIC_NAck(void)
{
    MPU_IIC_SCL=0;
    MPU_SDA_OUT();
    MPU_IIC_SDA=1;
    MPU_IIC_Delay();
    MPU_IIC_SCL=1;
    MPU_IIC_Delay();
    MPU_IIC_SCL=0;
}

2.5.I2C写数据函数

SCL线拉低开始数据传输，SDA线每传输一位，SCL从低到高，再由高到低同步时钟一次。循环8次，发送一个字节数据。

//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答			  
void MPU_IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
    MPU_SDA_OUT(); 	    
    MPU_IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        MPU_IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
        txd<<=1; 	  
		MPU_IIC_SCL=1;
		MPU_IIC_Delay(); 
		MPU_IIC_SCL=0;	
		MPU_IIC_Delay();
    }	 
} 	    

2.6.I2C读数据函数

这是 “读 8 位数据” 的核心循环，逐位读取 SDA 上的数据：拉低SCL，告诉发送方 “准备发下一位数据”；Delay(); → 延时等待，让数据稳定；拉高SCL，此时 SDA 上的数据有效，receive<<=1; → 把 receive 里的二进制位 左移 1 位，给新数据腾位置；if(MPU_READ_SDA)receive++; → 读 SDA 引脚状态：如果 SDA 是高电平（MPU_READ_SDA 为真），receive 最低位加 1；如果是低电平，不加（保持 0）

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   
u8 MPU_IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
    unsigned char i,receive=0;
    MPU_SDA_IN();//SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
    {
        MPU_IIC_SCL=0; 
        MPU_IIC_Delay();
        MPU_IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(MPU_READ_SDA)receive++;   
        MPU_IIC_Delay(); 
    }					 
    if (!ack)
        MPU_IIC_NAck();//发送nACK
    else
        MPU_IIC_Ack(); //发送ACK   
    return receive;
}

2.7.I2C通讯全过程

这段文字和波形图讲的是 I²C 通信的完整流程，用大白话拆解每一步：

1. 主机（例如单片机）先给一个起始信号（S）

2. 接着发 7 位从机地址（比如传感器的地址，总线上设备靠这个区分）

3. 再跟 1 位 读写位（R/W）：读写位是 0 → 主机要 “写数据” 给从机（比如给显示屏发内容）；读写位是 1 → 主机要 “读数据” 从从机（比如从温湿度传感器拿数据）。

4. 发完地址 + 读写位后，主机松开 SDA 线，等从机应答：

5. 从机收到地址后，如果是自己的地址，就把 SDA 拉低，并在 SCL 高电平期间保持低电平 → 这就是 应答（ACK）

6. 接下来进入 “传数据阶段”：主机 / 从机发 8 位数据（比如传感器的温度值），每发 1 字节，必须等对方应答（ACK）；应答逻辑和之前一样：接收方拉低 SDA，在 SCL 高电平时保持低 → 确认 “收到这字节了”。

7. 最后主机想结束通信时，发 “停止信号”：SCL 高电平时，SDA 从低变高 ，相当于说 “不传啦，总线释放，大家可以用了”。

3.MPU6050代码

3.1.I2C通讯应用

以下代码就是对上面I2C通讯全过程的实现，包括读和写的过程。

//IIC写一个字节 
//reg:寄存器地址
//data:数据
//返回值:0,正常
//    其他,错误代码
u8 MPU_Write_Byte(u8 reg,u8 data) 				 
{ 
    MPU_IIC_Start(); 
    MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//发送器件地址+写命令	
    if(MPU_IIC_Wait_Ack())	//等待应答
    {
        MPU_IIC_Stop();		 
        return 1;		
    }
    MPU_IIC_Send_Byte(reg);	//写寄存器地址
    MPU_IIC_Wait_Ack();		//等待应答 
    MPU_IIC_Send_Byte(data);//发送数据
    if(MPU_IIC_Wait_Ack())	//等待ACK
    {
        MPU_IIC_Stop();	 
        return 1;		 
    }		 
    MPU_IIC_Stop();	 
    return 0;
}

//IIC读一个字节 
//reg:寄存器地址 
//返回值:读到的数据
u8 MPU_Read_Byte(u8 reg)
{
    u8 res;
    MPU_IIC_Start(); 
    MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//发送器件地址+写命令	
    MPU_IIC_Wait_Ack();		//等待应答 
    MPU_IIC_Send_Byte(reg);	//写寄存器地址
    MPU_IIC_Wait_Ack();		//等待应答
    MPU_IIC_Start();
    MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|1);//发送器件地址+读命令	
    MPU_IIC_Wait_Ack();		//等待应答 
    res=MPU_IIC_Read_Byte(0);//读取数据,发送nACK 
    MPU_IIC_Stop();			//产生一个停止条件 
    return res;		
}

3.2.初始化配置

以下是对MPU6050寄存器的一系列配置，详细可见其数据手册。

//初始化MPU6050
//返回值:0,成功
//其他,错误代码
u8 MPU_Init(void)
{ 
    u8 res; 
    MPU_IIC_Init();//初始化IIC总线
    MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);	//复位MPU6050
    delay_ms(100);
    MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);	//唤醒MPU6050 
    MPU_Set_Gyro_Fsr(3);					//陀螺仪传感器,±2000dps
    MPU_Set_Accel_Fsr(0);					//加速度传感器,±2g
    MPU_Set_Rate(200);						//设置采样率50Hz
    MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00);	//关闭所有中断
    MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00);	//I2C主模式关闭
    MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00);	//关闭FIFO
    res=MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG); 
    printf("ID: %d\r\n", res);

    if(res==MPU_ADDR)//器件ID正确
    {
        MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);	//设置CLKSEL,PLL X轴为参考
        MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);	//加速度与陀螺仪都工作
        MPU_Set_Rate(100);						//设置采样率为100Hz,周期为10ms
    }else return 1;
    return 0;
}

3.2.main.c

调用初始化函数，初始化MPU6050配置和启动专门处理运动数据的DMP硬件加速引擎。

int main()
{	
    MPU_Init();
    mpu_dmp_init();
    
    while(1)
    {
        MPU_Get_Gyroscope(&g_ngyrox,&g_ngyroy,&g_ngyroz);  // 读取角速度
        MPU_Get_Accelerometer(&g_naacx,&g_naacy,&g_naacz); // 读取加速度
    }
}

4.完整代码

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