模組介紹 : faya 加速度計模組

學習目標 : 認識faya 3軸加速度計模組的功能及使用方式
學習時間 : 60 mins
示範模組 : (1) faya brickNano
                   (2) faya 3軸加速度計
工具 : (1) 樂高積木 (相容)

====================功能介紹====================
faya 3軸加速度計模組透過I2C的接線，從Arduino的函式庫下指令，很簡單的就能讀到X軸、Y軸、Z軸共3組數值資料，並透過這3組數值了解模組移動的方向，本段僅解釋範例中用到的指令，更多的函示庫指令用法可參考官方說明。

介紹指令前，先看一下faya 3軸加速計計模組的外觀，它的左邊有六個埠，分別是SCL、SDA、SDO、CS、INT1、INT2，與Arduion的通訊方式和電子羅盤模組一樣，使用I2C通訊協定。模組的右下角有一個用來指示移動方向的圖案，分別標示X、Y、Z 共3個方向軸，其中Z軸需要發揮一點想像力，因為Z軸的方向是與模組平面向上垂直的方向。

把左邊圖片中的模組想像成一個方塊如右邊圖片，紅色箭頭標示的方向就為Z軸，藍色箭頭為X軸，綠色則為Y軸。

上面圖片為Arduino UNO中的I2C的腳位。左、右兩邊的SDA與SCL各別互相導通，因此從右邊接線或者左邊接線都可以使用。

接下來介紹所使用的指令

• #include  <Adafruit_ADXL345_U.h>

引入3軸加速度計的函示庫。

• #include <Wire.h>

引入I2C介面，讓Arduino打開I2C的通訊界面。 

• #include <Adafruit_Sensor.h>

這是Adafruit官方將多種體感型感測器的單位換算整合成這個函示庫，我們可以引入這個函示庫，用來換算3軸加速度計的單位。 

• Adafruit_ADXL345_Unified物件名稱= Adafruit_ADXL345_Unified();

此指令將3軸加速度計的函示庫名稱，宣告成自己的物件名稱。 

• 物件名稱.begin()

初始化3軸加速度模組。

• 物件名稱.setRange(ADXL345_RANGE_16_G);

設定模組重力加速度的顯示範圍為16G，總共有4個範圍：2G、4G、8G、16G可供選擇。

• 類別名稱.getEvent(&event);

更新模組中的重力加速度數值。 

• event.acceleration.方向軸

取得模組中對應方向的加速度數值，方向軸的意思是3個不同方向的代號，即為x、y、z。

====================原理知識====================

以下解釋提供給有需要知道背後原理的人:

重力加速度是根據地球引力所牽引的物理現象，其表示符號為：g  (這裡的g並不是重力單位的公克)。1g等於每平方秒9.8公尺，也就是說當沒有空氣阻力時，物體在地球表面上自由落下的加速度為9.8 m/s²。

3軸加速度計是使用電容偵測的方式來感測加速度，如下圖由兩片電極片之間裝入一片可移動的物體。當模組沿著動作方向移動時，中間可移動的物體會改變兩片電極片之間的電容值，計算出電容的差值後，就可得到移動物體的重心位移和移動的方向。

模組的電路圖如下所示，模組使用了一顆降壓IC，將5V的電源降到3.3V，以符合此IC的供電需求，其他部分僅根據datasheet連接周邊被動元件，有興趣的人可以參考datasheet!

====================範例實作(一)====================

了解模組功能(原理)後，我們用以下範例來展示模組的功能:

目標:

(1)使用Serial Monitor，查看3軸加速度計模組位移的資料變化
(2)請分別測試前到後、左到右、上到下...等3個動作，查看X、Y、Z軸的數值變化

接線:

(1) 電源線連接如下圖所示，連接的說明請看這篇文章 或簡易版

(2) 訊號線連接

                   Arduino_A4 ===> 電子羅盤模組_SDA 

                   Arduino_A5 ===> 電子羅盤模組_SCL

範例程式:

(上傳程式前請記得下載[ADXL345]函示庫，解壓縮並複製整個資料夾到Arduino的Libraries資料夾)

	// 2019/02/13
	// Faya-Nugget 範例程式 (accelerometer_1.ino)
	// 單元: 模組介紹-faya3軸加速度計模組
	// 網址:https://fayalab.blogspot.com/2019/02/accelerometer.html
	// 目標: (1)使用Serial Monitor，查看3軸加速度計模組位移的資料變化
	// (2)請分別測試前到後、左到右、上到下...等3個動作，查看X、Y、Z軸的數值變化
	//
	// 接線: Arduino ==> faya模組
	// A4 ==> SDA (3軸加速度計模組)
	// A5 ==> SCL (3軸加速度計模組)
	//
	#include <Wire.h>
	#include <Adafruit_Sensor.h>
	#include <Adafruit_ADXL345_U.h>
	//定義自己的物件名稱
	Adafruit_ADXL345_Unified accel = Adafruit_ADXL345_Unified();
	void setup(void)
	{
	//宣告UART的Board rate為9600
	Serial.begin(9600);
	//3軸加速度計模組的初始設定
	if(!accel.begin())
	{
	//如果Arduino沒有偵測到模組，則會顯示以下訊息，請重新確認模組電源與I2C接線
	Serial.println("Ooops, no ADXL345 detected ... Check your wiring!");
	while(1);
	}
	// 設定3軸加速度計模組，加速度偵測最大值
	accel.setRange(ADXL345_RANGE_16_G);
	}
	void loop(void)
	{
	//更新3軸加速度計模組的資料
	sensors_event_t event;
	accel.getEvent(&event);
	//顯示 X、Y、Z各別的數值(單位為:平方公尺/秒)
	Serial.print("X: "); Serial.print(event.acceleration.x); Serial.print(" ");
	Serial.print("Y: "); Serial.print(event.acceleration.y); Serial.print(" ");
	Serial.print("Z: "); Serial.print(event.acceleration.z); Serial.print(" ");
	Serial.println("m/s^2 ");
	delay(200);
	}

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備註:
- L19 / L42 /  L61 : 一點程式小技巧，讓每次讀取資料的時間點固定，L19設定了每10ms讀取一次感測值，但是由於Arduino讀取和秀出感測值時 (L45 ~ L58) 會花一些時間，因此我們L42先記錄起始時間，然後在L61中的 (millis() - timer) 算出總共花了多少時間，假設花了2ms，最後只要delay (10ms-2ms) = 8ms 就會得到我們希望的每10ms讀取一次感測值。

範例結果:

討論:

程式下載到Arduino後，打開Serial Monitor，先將模組平放在你的桌子上，這時候會看到X軸跟Y軸的數值都趨近為0，只有Z軸的數值為8 m/s²，換算成g (除以9.8)：大約等於1g。

這裡解釋一下為什麼模組還沒有任何動作而且平放在桌面上時，Z軸的數值卻不是為0。根據前面介紹的3軸加速度計模組偵測的原理與上面資料手冊的使用圖片，模組在平放的時候，Z軸與桌面呈現垂直，因此Z軸的偵測結構正處於穩定向下的狀態，所以現在看到Z軸的數值約為8 m/s² (快到1g)。

接著我們試著將模組朝不同方向的擺放，查看X軸、Y軸、Z軸的數值變化，如下圖將模組站立起來使模組上的圖案Y軸箭頭朝向上方，查看Serial Monitor的數值就會發現，Z軸趨近為0，而Y軸約為9.8 m/s² (約為1g)。

模組圖案上的Y軸箭頭朝向下方的話，在Serial Monitor中Y軸的數值則會變成 -10.1 m/s²(約為-1g)以此類推，剩下的X軸跟Y軸可以透過這個動作，查看實驗變化。

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