Акцелерометар (MPU-9250) са ESP32 платформом

У овој лекцији ученици ће научити како ради акцелерометар, један од три сензора који се налазе у оквиру MPU-9250 модула. Акцелерометар мери убрзање по три међусобно нормалне осе (X, Y и Z) и омогућава одређивање нагиба, детекцију покрета и анализу кретања објекта.

Иако назив говори да мери убрзање, акцелерометар може да одреди и оријентацију у односу на Земљину гравитацију. Управо зато се користи у мобилним телефонима, дроновима, паметним сатовима, роботима и бројним STEM пројектима.

Три сензора у једном модулу

MPU-9250 комбинује акцелерометар, жироскоп и магнетометар у једном интегрисаном колу.

Акцелерометар у MPU-9250

Акцелерометар непрекидно мери убрзање по три осе и омогућава одређивање нагиба и кретања уређаја.

📑 Садржај

• Шта је акцелерометар?
• Гравитација и убрзање
• Координатни систем и осе мерења
• Како се одређује нагиб?
• Практична примена
• Закључак

Шта је акцелерометар?

Акцелерометар је електронски сензор који мери убрзање. Под убрзањем не подразумевамо само повећање брзине, већ сваку промену кретања: полазак, успоравање, окретање или нагло заустављање.

Када је сензор потпуно миран на столу, он и даље мери приближно 1 g, јер на њега делује Земљина гравитација. Управо захваљујући томе можемо да одредимо како је плочица нагнута у простору.

Координатни систем акцелерометра

Акцелерометар мери убрзање по X, Y и Z оси које су везане за сам сензор.

Гравитација и убрзање

На Земљиној површини сва тела привлачи сила гравитације. Ако је сензор потпуно миран, једино убрзање које региструје потиче управо од гравитације и има вредност приближно:

g ≈ 9.81 m/s²

Када је плочица положена хоризонтално, скоро целокупно гравитационо убрзање пројектује се на Z осу, док су вредности на X и Y осама близу нуле.

При нагињању плочице мењају се пројекције вектора гравитације на све три осе. Управо из тих вредности могуће је израчунати угао нагиба.

Пројекције вектора гравитације

Нагињањем сензора мењају се компоненте гравитације по X, Y и Z оси, што омогућава одређивање нагиба.

Координатни систем и осе мерења

Акцелерометар мери убрзање по три међусобно нормалне осе које су везане за сам сензор. То значи да се координатни систем увек окреће заједно са плочицом, а не са простором у коме се она налази.

Када окренемо ESP32 или MPU-9250 модул, мења се положај његових оса у односу на Земљину гравитацију. Због тога ће се променити и вредности које очитавамо на X, Y и Z оси.

Осе су везане за сензор

Приликом окретања плочице окрећу се и координатне осе акцелерометра. Сензор увек мери компоненте убрзања у свом локалном координатном систему.

Како се одређује нагиб?

Док се плочица не креће нагло, највећи део измереног убрзања представља Земљина гравитација. Због тога се из односа компоненти убрзања могу израчунати углови нагиба.

Најчешће се користе два угла:

• Roll – нагиб око X осе.
• Pitch – нагиб око Y осе.

У пракси се најчешће користе следеће формуле:

Roll = atan2(AY, AZ)

Pitch = atan2(-AX, √(AY² + AZ²))

Функција atan2() враћа угао на основу односа две величине и омогућава исправно одређивање нагиба у свим квадрантима.

Pitch и Roll

Нагиб око X и Y осе израчунава се на основу вредности које мери акцелерометар.

Како изгледају мерења?

Замислимо да је ESP32 постављен потпуно хоризонтално на сто. Тада ће вредности бити приближно:

• AX ≈ 0 g
• AY ≈ 0 g
• AZ ≈ +1 g

Ако затим нагнемо плочицу улево, вредност по X оси почиње да расте или опада, док се вредност по Z оси смањује. Исто важи и за нагиб напред или назад, само што се тада мењају AY и AZ.

Povezivanje MPU-9250 sa ESP32

Instalacija biblioteke

U Arduino IDE instalirati biblioteku:

MPU9250_asukiaaa

Prvo očitavanje akcelerometra

#include <Wire.h>
#include <MPU9250_asukiaaa.h>

#define SDA_PIN 23
#define SCL_PIN 22

MPU9250_asukiaaa mpu;

void setup() {

  Serial.begin(115200);
  delay(1000);

  Wire.begin(SDA_PIN, SCL_PIN);

  mpu.setWire(&Wire);
  mpu.beginAccel();

  Serial.println("MPU-9250 je spreman.");
}

void loop() {

  // Učitavanje novog merenja
  mpu.accelUpdate();

  // Slanje: AX, AY, AZ i intenzitet ubrzanja
  Serial.print(mpu.accelX(),3);
  Serial.print(",");

  Serial.print(mpu.accelY(),3);
  Serial.print(",");

  Serial.print(mpu.accelZ(),3);
  Serial.print(",");

  Serial.println(mpu.accelSqrt(),3);

  delay(100);
}

Шта треба да се прикаже?

Уколико је све исправно повезано, у Serial Monitor-у добијају се вредности сличне следећим:

AX: 0.01   AY: -0.03   AZ: 0.99
AX: 0.02   AY: -0.04   AZ: 0.98
AX: 0.00   AY: -0.02   AZ: 1.00

Processing P3D

Ovaj program u okruženju Processing koristi biblioteku Serial za prijem podataka sa mikrokontrolera (preko serijske komunikacije) i njihov prikaz u 3D prostoru pomoću P3D renderera. Crvena, zelena i plava linija predstavljaju koordinatne ose (X, Y i Z), dok narandžasta linija prikazuje vektor ubrzanja dobijen sa senzora.

import processing.serial.*;   // Biblioteka za serijsku komunikaciju

Serial port;                  // Objekat za komunikaciju preko serijskog porta

// Promenljive za komponente ubrzanja i ukupno ubrzanje
float ax, ay, az, a;

void setup() {

  // Kreiranje prozora dimenzija 900x700 sa P3D rendererom
  size(900, 700, P3D);

  // Otvaranje prvog dostupnog serijskog porta brzinom 115200 bps
  port = new Serial(this, Serial.list()[0], 115200);

  // Čitanje podataka tek kada stigne novi red ('\n')
  port.bufferUntil('\n');
}

void draw() {

  // Svetlosiva pozadina
  background(240);

  // Uključivanje osvetljenja za 3D prikaz
  lights();

  // Pomeranje koordinatnog sistema u centar prozora
  translate(width/2, height/2);

  // Blago naginjanje scene radi boljeg prikaza
  rotateX(-PI/6);

  // Kontinuirana rotacija oko Y ose
  rotateY(frameCount * 0.002);

  // Debljina linija koordinatnih osa
  strokeWeight(3);

  // X osa - crvena
  stroke(255, 0, 0);
  line(0, 0, 0, 150, 0, 0);

  // Y osa - zelena
  stroke(0, 255, 0);
  line(0, 0, 0, 0, 150, 0);

  // Z osa - plava
  stroke(0, 0, 255);
  line(0, 0, 0, 0, 0, 150);

  // Deblja narandžasta linija predstavlja vektor ubrzanja
  strokeWeight(6);
  stroke(255, 120, 0);

  // Skaliranje vrednosti senzora radi preglednijeg prikaza
  // Negativni znaci kod Y i Z prilagođavaju orijentaciju Processing koordinatnom sistemu
  line(0, 0, 0,
       ax * 120,
      -ay * 120,
      -az * 120);
}

// Funkcija se automatski poziva kada stigne novi red podataka
void serialEvent(Serial p) {

  // Čitanje jednog reda i uklanjanje praznih karaktera
  String s = trim(p.readString());

  // Razdvajanje vrednosti po zarezu
  String[] v = split(s, ',');

  // Očekuje se format:
  // ax,ay,az,a
  if (v.length == 4) {

    // Konverzija tekstualnih vrednosti u decimalne brojeve
    ax = float(v[0]);
    ay = float(v[1]);
    az = float(v[2]);

    // Ukupno ubrzanje (trenutno se ne koristi u prikazu,
    // ali može poslužiti za ispis ili dodatne analize)
    a = float(v[3]);
  }
}

Израчунавање углова нагиба (Pitch и Roll)

Вредности које очитава акцелерометар представљају пројекције вектора гравитације на координатне осе сензора. Из тих вредности могуће је израчунати угао нагиба уређаја.

У овој лекцији користићемо два најважнија угла:

• Roll — нагиб лево–десно (око X осе)
• Pitch — нагиб напред–назад (око Y осе)

Функција atan2() враћа угао у радијанима, па је потребно резултат претворити у степене множењем са 180/PI.

Израчунавање нагиба

Из измерених вредности AX, AY и AZ могу се израчунати углови нагиба Pitch и Roll.

ESP32 program za izračunavanje nagiba (biblioteka MPU9250_asukiaaa)

Ovaj program koristi biblioteku MPU9250_asukiaaa za komunikaciju sa MPU9250 IMU senzorom preko I²C magistrale. U svakom prolazu kroz glavnu petlju očitavaju se vrednosti ubrzanja po osama X, Y i Z, nakon čega se na osnovu akcelerometra izračunavaju uglovi pitch (nagib napred–nazad) i roll (nagib levo–desno). Dobijeni uglovi se šalju preko serijskog porta u formatu pitch,roll, što omogućava njihovu jednostavnu obradu ili vizuelizaciju u programu Processing.

#include <Wire.h>
#include <MPU9250_asukiaaa.h>

// Kreiranje objekta za rad sa MPU9250 senzorom
MPU9250_asukiaaa imu;

// Promenljive za komponente ubrzanja
float ax, ay, az;

// Promenljive za uglove nagiba
float pitch, roll;

void setup() {

  // Pokretanje serijske komunikacije
  Serial.begin(115200);

  // Pokretanje I2C magistrale
  // SDA = GPIO21
  // SCL = GPIO22
  Wire.begin(21, 22);

  // Povezivanje biblioteke sa I2C magistralom
  imu.setWire(&Wire);

  // Inicijalizacija senzora
  imu.beginAccel();

  Serial.println("MPU9250 inicijalizovan.");
}

void loop() {

  // Očitavanje novih podataka sa akcelerometra
  imu.accelUpdate();

  // Učitavanje ubrzanja po osama (u jedinicama g)
  ax = imu.accelX();
  ay = imu.accelY();
  az = imu.accelZ();

  // Izračunavanje ugla roll
  // Određuje nagib oko X ose
  roll = atan2(ay, az) * 180.0 / PI;

  // Izračunavanje ugla pitch
  // Određuje nagib oko Y ose
  pitch = atan2(-ax,
                sqrt(ay * ay + az * az))
          * 180.0 / PI;

  // Slanje rezultata preko serijskog porta
  // Format:
  // pitch,roll
  Serial.print(pitch);
  Serial.print(",");
  Serial.println(roll);

  // Očitavanje približno 50 puta u sekundi
  delay(20);
}

Program koristi samo podatke sa akcelerometra, zbog čega je veoma jednostavan i pogodan za određivanje statičkog nagiba senzora. Međutim, prilikom brzih pokreta ili vibracija merenja mogu biti manje stabilna, jer akcelerometar registruje i dinamička ubrzanja. Za preciznije određivanje orijentacije u pokretu potrebno je kombinovati podatke akcelerometra i žiroskopa primenom odgovarajućeg filtra (npr. komplementarnog ili Kalmanovog filtra).

Визуелизација у Processing окружењу

Један од најзанимљивијих начина да ученици разумеју рад акцелерометра јесте приказ нагиба на екрану рачунара. Processing ће читати вредности које шаље ESP32 и приказивати линију која се окреће у складу са нагибом плочице.

Processing код

import processing.serial.*;

Serial port;

float pitch = 0;

void setup()
{
  size(600,600);

  println(Serial.list());

  port = new Serial(this,
                    Serial.list()[0],
                    115200);

  port.bufferUntil('\n');
}

void draw()
{
  background(240);

  translate(width/2,height/2);

  rotate(radians(pitch));

  strokeWeight(8);

  line(-150,0,150,0);

  fill(0);

  ellipse(0,0,20,20);
}

void serialEvent(Serial p)
{
  String data = p.readStringUntil('\n');

  if(data!=null)
  {
    data=trim(data);

    String vrednosti[] = split(data,',');

    if(vrednosti.length==2)
    {
      pitch=float(vrednosti[0]);
    }
  }
}

Processing визуелизација

Како ученик помера ESP32 плочицу, линија на екрану ротира и приказује угао нагиба у реалном времену.

Визуелизација нагиба у Processing-у

Једна од великих предности рада са ESP32 је могућност да се измерени подаци не приказују само као бројеви у Serial Monitor-у, већ и графички. На тај начин много је лакше разумети како се вредности акцелерометра мењају приликом померања сензора.

У овој лекцији направићемо једноставан индикатор нагиба. ESP32 ће преко серијске комуникације слати вредности углова израчунатих на основу акцелерометра, а Processing ће приказати линију која представља тренутни нагиб плоче.

Визуелизација нагиба

У Processing-у се угао нагиба приказује графички, што омогућава једноставно праћење оријентације ESP32 плоче.

Пример програма у Processing-у

import processing.serial.*;

Serial port;

float angle = 0;

void setup() {

  size(600,600);

  port = new Serial(this,"COM5",115200);

  port.bufferUntil('\n');

}

void draw(){

  background(240);

  translate(width/2,height/2);

  rotate(radians(angle));

  strokeWeight(8);

  line(0,0,180,0);

  fill(255,0,0);

  ellipse(0,0,18,18);

}

void serialEvent(Serial p){

  String s = trim(p.readString());

  angle = float(s);

}

Практичне вежбе

✅ Вежба 1 – Посматрање гравитације

Поставите ESP32 на сто тако да мирује. Запишите вредности AX, AY и AZ. Потом ротирајте плочу за 90° око сваке осе и поново измерите вредности.

Питања:

• Која оса показује вредност приближно 1 g?
• Шта се дешава када се плоча окрене?
• Зашто једна компонента постаје већа, а друга мања?

✅ Вежба 2 – Мерење нагиба

Напишите програм који приказује угао нагиба око X осе. Полако нагињите плочу и пратите како се угао мења.

Задатак:

• одредити максимални угао који може да се измери,
• испитати како брзо очитавања реагују на промену положаја.

✅ Вежба 3 – Processing визуелизација

Повежите ESP32 са Processing програмом и прикажите линију која прати угао нагиба.

Проширење:

• уместо линије приказати стрелицу,
• додати испис угла,
• приказати две осе нагиба истовремено.

Домаћи задатак

Вежба: Дигитални компас помоћу MPU-9250 и ESP32 платформе

У претходној лекцији упознали смо се са MPU-9250 сензором и сазнали да он у себи обједињује три различита сензора: акцелерометар, жироскоп и магнетометар. У овој лекцији посветићемо се само магнетометру, који омогућава одређивање правца у односу на Земљино магнетно поље и представља основу за израду дигиталног компаса.

Ученици ће научити како функционише магнетометар, зашто је неопходна његова калибрација и како се добијени подаци могу обрадити на ESP32 платформи. На крају лекције направићемо једноставан дигитални компас, а затим приказати његов рад помоћу графичке визуелизације у програмском окружењу Processing.

Магнетометар у MPU-9250 модулу

Магнетометар омогућава мерење Земљиног магнетног поља и одређивање смера кретања, па се користи као дигитални компас у бројним електронским системима.

📑 Садржај

• Шта је магнетометар?
• Земљино магнетно поље
• Како ради компас?
• Магнетометар AK8963 у MPU-9250
• Повезивање са ESP32
• Калибрација магнетометра
• Вежба 1 – Очитавање магнетног поља
• Вежба 2 – Израда дигиталног компаса
• Визуелизација у Processing-у
• Домаћи задатак

Шта је магнетометар?

Магнетометар је електронски сензор који мери јачину и правац магнетног поља. Он не мери растојање нити положај, већ детектује магнетне силе које делују у његовој околини. Захваљујући томе, магнетометар може да одреди где се налази магнетни север, па се често користи као основа за дигитални компас.

У MPU-9250 модулу магнетометар истовремено мери магнетно поље дуж три просторне осе:

• X – магнетно поље у правцу лево–десно,
• Y – магнетно поље у правцу напред–назад,
• Z – магнетно поље у правцу горе–доле.

Комбиновањем ова три мерења могуће је одредити оријентацију уређаја у простору и израчунати угао окретања у односу на север.

Три осе магнетометра

Магнетометар истовремено мери компоненте магнетног поља по X, Y и Z оси.

Земљино магнетно поље

Да би магнетометар могао да одреди правац, потребно је да постоји природно магнетно поље које ће мерити. Управо то омогућава Земљино магнетно поље. Наша планета се понаша као огроман магнет чије се линије магнетног поља простиру од једног пола до другог.

Игла класичног компаса увек покушава да се поравна са овим линијама, па зато показује приближно ка северу. Дигитални компас не користи механичку иглу већ магнетометар који електронски мери исти ефекат.

Magnetne linije prikazuju oblik Земљиног магнетног поља. У свакој тачки простора постоји вектор магнетног поља B , који је увек тангента на магнетну линију у тој тачки. Магнетометар не мери саме линије, већ компоненте тог вектора по X, Y и Z осама свог координатног система.

Земља као огроман магнет

Линије магнетног поља окружују Земљу и омогућавају компасу да одреди правац севера.

Јачина Земљиног магнетног поља није свуда иста. Она зависи од географске локације и најчешће износи између 25 и 65 μT (микротесла). Управо тако мале вредности магнетометар може веома прецизно да измери.

Како ради компас?

Класичан компас садржи магнетну иглу која може слободно да се окреће. Пошто је игла магнетисана, она се увек поставља у смеру Земљиног магнетног поља. Један крај игле показује ка магнетном северу, а други ка магнетном југу.

Дигитални компас ради по истом принципу, али уместо механичке игле користи магнетометар. Сензор мери вредности магнетног поља по X и Y оси, а затим микроконтролер израчунава угао у односу на север.

Принцип рада компаса

И механички и дигитални компас користе Земљино магнетно поље за одређивање правца.

За израчунавање смера најчешће се користи функција:

ugao = atan2(Y, X)

Функција atan2() израчунава угао на основу односа вредности X и Y осе. Добијени резултат представља смер у степенима:

• 0° → север (N)
• 90° → исток (E)
• 180° → југ (S)
• 270° → запад (W)

Магнетометар AK8963 у MPU-9250 модулу

Унутар MPU-9250 модула налази се посебан магнетометар под називом AK8963. Овај сензор производи компанија Asahi Kasei Microsystems и комуницира са главним MPU чипом преко интерне I2C магистрале.

AK8963 омогућава мерење магнетног поља по све три осе и има довољну прецизност за израду дигиталног компаса, навигационих система и роботичких пројеката.

AK8963 магнетометар

Посебан чип унутар MPU-9250 модула задужен за мерење магнетног поља.

Повезивање MPU-9250 са ESP32

За рад магнетометра није потребно посебно повезивање. Пошто је AK8963 део MPU-9250 модула, довољно је повезати цео модул са ESP32 преко I2C комуникације.

Повезивање ESP32 и MPU-9250

За коришћење магнетометра користе се исте I2C везе као и за цео MPU-9250 модул.

Калибрација магнетометра

Један од најважнијих корака приликом рада са магнетометром је калибрација. Без калибрације компас може показивати погрешан смер чак и када сензор ради исправно.

На мерења утичу:

• метални предмети у близини сензора,
• електромотори и звучници,
• магнети,
• струје које протичу кроз проводнике,
• сама електроника на плочи.

Због тога је потребно одредити минималне и максималне вредности које сензор очитава током окретања у свим правцима.

Поступак калибрације

Сензор се полако окреће у облику броја 8 како би се измериле максималне и минималне вредности свих оса.

Припрема Arduino IDE окружења

Пре него што започнемо програмирање потребно је припремити Arduino IDE и инсталирати библиотеку која омогућава једноставан рад са MPU-9250 сензором.

Инсталација библиотеке

У Arduino IDE отворити Sketch → Include Library → Manage Libraries и потражити библиотеку MPU9250_asukiaaa.

Први програм – очитавање магнетометра

Следећи програм чита вредности магнетног поља по све три осе и приказује их у Serial Monitor-у. Ово је основа за све наредне пројекте који користе дигитални компас.

#include <Wire.h>
#include <MPU9250_asukiaaa.h>

MPU9250_asukiaaa mpu;

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  Wire.begin(21,22);

  mpu.setWire(&Wire);

  mpu.beginAccel();
  mpu.beginGyro();
  mpu.beginMag();

  Serial.println("MPU9250 Magnetometar");
}

void loop() {

  mpu.magUpdate();

  Serial.print("X: ");
  Serial.print(mpu.magX());

  Serial.print("  Y: ");
  Serial.print(mpu.magY());

  Serial.print("  Z: ");
  Serial.println(mpu.magZ());

  delay(200);
}

Како изгледају резултати?

Након покретања програма у Serial Monitor-у појављују се три вредности које представљају јачину магнетног поља по X, Y и Z оси.

X: -32.5  Y: 18.7  Z: 41.9
X: -31.9  Y: 19.3  Z: 42.0
X: -29.4  Y: 20.5  Z: 41.8
...

Приказ резултата

Очитане вредности магнетног поља приказују се у реалном времену у Serial Monitor-у.

Вежба 1 – Посматрање магнетног поља

Циљ ове вежбе је да ученици разумеју да магнетометар непрекидно мери магнетно поље које окружује сензор.

Поступак

1. Повезати ESP32 и MPU-9250.
2. Учитајте претходни програм.
3. Отворите Serial Monitor.
4. Полако ротирајте модул у свим правцима.
5. Посматрајте како се мењају вредности X, Y и Z.

Израчунавање смера компаса

Саме вредности X и Y осе нису довољне да бисмо знали ка ком правцу је окренут сензор. Због тога се користи математичка функција atan2() која на основу односа X и Y вредности израчунава угао у односу на магнетни север.

У Arduino окружењу функција atan2() враћа угао у радијанима, па је потребно извршити конверзију у степене.

float heading = atan2(mpu.magY(), mpu.magX());

heading = heading * 180.0 / PI;

if (heading < 0)
  heading += 360.0;

ESP32 програм – дигитални компас

Следећи програм очитава магнетометар и израчунава смер компаса који се приказује у Serial Monitor-у.

#include <Wire.h>
#include <MPU9250_asukiaaa.h>

MPU9250_asukiaaa mpu;

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  Wire.begin(21,22);

  mpu.setWire(&Wire);

  mpu.beginAccel();
  mpu.beginGyro();
  mpu.beginMag();
}

void loop() {

  mpu.magUpdate();

  float heading = atan2(mpu.magY(), mpu.magX());

  heading *= 180.0 / PI;

  if (heading < 0)
      heading += 360;

  Serial.println(heading);

  delay(100);
}

Угао компаса

ESP32 израчунава угао и шаље га у Serial Monitor.

Визуелизација у Processing окружењу

Један од најбољих начина да ученици разумеју рад магнетометра јесте приказ смера компаса на екрану. Processing може директно да чита податке које ESP32 шаље преко серијског порта.

У овом примеру ESP32 шаље само један број — угао компаса, док Processing ротира стрелицу у складу са добијеном вредношћу.

Дигитални компас

Стрелица се ротира у реалном времену на основу података које шаље ESP32.

Processing програм

import processing.serial.*;

Serial port;

float heading = 0;

void setup() {

  size(600,600);

  port = new Serial(this, Serial.list()[0],115200);

  port.bufferUntil('\n');
}

void draw(){

  background(240);

  translate(width/2,height/2);

  rotate(radians(heading));

  strokeWeight(5);

  line(0,0,0,-180);

  fill(255,0,0);

  ellipse(0,-180,18,18);
}

void serialEvent(Serial p){

  String s = trim(p.readStringUntil('\n'));

  if(s!=null){

    heading=float(s);

  }

}

Вежба 2 – Прављење дигиталног компаса

Циљ вежбе је да се направи компас који приказује смер у степенима и графички приказује оријентацију на екрану.

Поступак

1. Учитати ESP32 програм.
2. Покренути Processing програм.
3. Окренути сензор у различитим правцима.
4. Посматрати ротацију стрелице.

Вежба 3 – Одређивање страна света

Модификовати ESP32 програм тако да, поред угла, исписује и назив стране света:

• Север (N)
• Исток (E)
• Југ (S)
• Запад (W)

У Processing програму додати приказ слова N, E, S и W око кружнице компаса тако да визуелизација буде што сличнија правом дигиталном компасу.

Идеје за самосталне пројекте

Након што су ученици савладали основе рада са магнетометром и израдили једноставан дигитални компас, могу започети развој сложенијих пројеката. Следећи предлози представљају добру основу за школске, STEM и роботичке пројекте.

Изазов за ученике

Покушајте да проширите програм тако да компас приказује не само угао већ и назив стране света.

Домаћи задатак

1. Покренути програм и измерити угао компаса у четири различита смера.
2. Записати очитане вредности.
3. Приказати смер и у степенима и као страну света.
4. Покушати калибрацију магнетометра и упоредити резултате пре и после калибрације.
5. Додати приказ угла директно у Processing прозору.

Питања за проверу знања

Шта смо научили?

• шта је Земљино магнетно поље;
• како функционише дигитални компас;
• како ради магнетометар AK8963 унутар MPU-9250 модула;
• како се магнетометар повезује са ESP32;
• како се читају подаци из магнетометра;
• како се израчунава угао компаса;
• како се врши основна калибрација;
• како се подаци визуализују у Processing окружењу.

Вежба: Сензор светлости са ESP32 платформом

У овој вежби ученици упознају рад сензора светлости и његову примену у комбинацији са ESP32 микроконтролером. Помоћу аналогног улаза очитава се ниво осветљења у околини, а затим се та вредност користи за приказ информација у Serial Monitor-у или за управљање LED диодом.

Вежба представља добар увод у рад са аналогним сензорима и повезује:

• рад са ESP32 платформи,
• аналогно очитавање помоћу ADC конвертора,
• сензорске системе и мерење осветљења,
• основе аутоматског управљања,
• Arduino програмирање.

ESP32 + сензор светлости

Основна поставка за мерење нивоа осветљења у околини.

📑 Садржај

• Шта је сензор светлости?
• Фоторезистор и слични елементи
• Потребна опрема
• Повезивање компоненти
• Вежба 1 – Мерење светлости и Serial Monitor
• Вежба 2 – LED диода која јаче светли у мраку
• Могућа проширења пројекта
• На шта треба обратити пажњу

Шта је сензор светлости?

Сензор светлости је електронска компонента која омогућава да се детектује јачина светлости у окружењу. У зависности од врсте сензора, промена осветљења може да доведе до промене отпора, напона или дигиталног сигнала.

У овој вежби користимо сензор који се понаша као део напонског делитеља, а ESP32 затим чита промене на аналогном улазу. На основу тога можемо да проценимо да ли је у просторији јаче светло или је присутан мрак.

Принцип рада

Светлосни сензор мења електрична својства у зависности од количине светлости.

Фоторезистор и слични елементи

Један од најчешћих елемената за мерење светлости је фоторезистор (LDR – Light Dependent Resistor). Његов отпор се мења у зависности од количине светлости која пада на његову површину. Када је светлости више, отпор је мањи, а када је светлости мање, отпор расте.

Више о једноставном мерењу осветљења помоћу light сензора може се видети и на овој страни: мерење осветљења помоћу light сензора и ESP32.

🧰 Потребна опрема

За реализацију ове вежбе потребно је:

• ESP32 развојна плоча,
• сензор светлости (LDR / light сензор),
• отпорник од 10 kΩ,
• breadboard плоча,
• повезне жице,
• USB кабл,
• рачунар са Arduino IDE окружењем.

Повезивање компоненти

Модул сензора светлости већ садржи LDR сензор и отпорник који формирају напонски делитељ. Аналогни излаз модула (AO) повезује се на аналогни улаз ESP32 плоче, а вредност осветљености очитава се помоћу функције analogRead().

У овој вежби користимо следеће повезивање:

• VCC → 3V3
• GND → GND
• AO → GPIO34

Дигитални излаз DO се у овој вежби не користи.

Шема повезивања

Приказ основне шеме за мерење осветљења помоћу ESP32.

Задња страна

Приказ распореда и повезивања са задње стране.

Вежба са LED-ом

Каснија проширена верзија вежбе са LED диодом.

Додатни приказ

Задња страна кола које укључује и LED диоду.

Вежба 1: Мерење светлости и приказ у Serial Monitor-у

У овој вежби ESP32 очитава аналогну вредност са сензора светлости, затим ту вредност преводи у погодан опсег за приказивање јачине осветљења. На тај начин ученици виде како се сирови ADC подаци могу обрадити и употребити у даљој примени.

Овде се не користи LED диода. Циљ је да се разуме сам принцип мерења светлости и начин на који се добијена вредност приказује у серијском монитору.

Реална поставка

Практично повезивање сензора светлости на breadboard плочи.

Циљ вежбе

Циљ је да се очита вредност са аналогног улаза, затим да се из ње добије процена осветљености. Што је амбијент тамнији, то је очитана вредност другачија, па се преко програма може пратити промена услова у просторији.

ESP32 програм

// Аналогни улаз на који је доведен сигнал са напонског делитеља
// који чине LDR сензор и отпорник од 10 kΩ
#define LDR_PIN 34

void setup() {

  // Покретање серијске комуникације брзином од 115200 bps
  // да бисмо могли да пратимо очитане вредности у Serial Monitor-у
  Serial.begin(115200);

  // ESP32 користи 12-битни ADC,
  // па analogRead() враћа вредности од 0 до 4095
  analogReadResolution(12);
}

void loop() {

  // Очитавање аналогне вредности са GPIO34 пина
  int ocitanaVrednost = analogRead(LDR_PIN);

  // Превођење ADC вредности у опсег 255–0
  // Обрнут распон је користан јер већа вредност
  // може да представља слабије осветљење
  int nivoOsvetljenosti = map(ocitanaVrednost, 0, 4095, 255, 0);

  // Испис оригиналне ADC вредности
  Serial.print("LDR: ");
  Serial.print(ocitanaVrednost);

  // Испис прерачунате вредности осветљења
  Serial.print("  brightness: ");
  Serial.println(nivoOsvetljenosti);

  // Кратка пауза између два мерења
  delay(500);
}

Serial Monitor

Приказ очитаних ADC вредности и израчунате вредности осветљености током рада програма.

nivoOsvetljenosti = map(ocitanaVrednost, 0, 4095, 255, 0);

int brightness = map(ldrValue,120,1180,0,255);
brightness = constrain(brightness,0,255);

Eksperiment

📌 Допуна: Сензор светлости са дигиталним излазом (D0)

🔧 Повезивање (D0 варијанта)

• VCC → 3V3
• GND → GND
• D0 → GPIO34

ESP32 програм (D0 варијанта)

// Пин на који је повезан D0 излаз
#define LDR_PIN 34

// LED диода
#define LED_PIN 2

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  pinMode(LDR_PIN, INPUT);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {

  int stanje = digitalRead(LDR_PIN);

  // Ако је мрак (1) → LED јаче светли
  // Ако је светло (0) → LED слабије светли
  int jacina = (stanje == 1) ? 255 : 40;

  analogWrite(LED_PIN, jacina);

  Serial.print("D0: ");
  Serial.println(jacina);

  delay(100);
}

📊 Разлика A0 и D0 сензора

📌 Допуна: Мерење осветљења помоћу фотоотпорника (LDR) и отпорника од 10 kΩ

Поред готових модула са аналогним (AO) или дигиталним (DO) излазом, мерење осветљења може се реализовати и употребом самог фотоотпорника (LDR) и фиксног отпорника од 10 kΩ. На овај начин формира се напонски разделник, чији се излаз доводи на аналогни улаз ESP32 микроконтролера.

Ово је један од најчешћих начина повезивања LDR сензора јер омогућава прецизно мерење осветљености без употребе готовог сензорског модула.

Реална поставка

Фотоотпорник и отпорник од 10 kΩ повезани као напонски разделник.

Шема повезивања

Повезивање фотоотпорника и отпорника у Circuit Designer окружењу.

Задња страна

Приказ распореда проводника са задње стране breadboard плоче.

Повезивање компоненти

• Један крај фотоотпорника → 3V3
• Други крај фотоотпорника → GPIO34 (аналогни улаз)
• Отпорник 10 kΩ → између GPIO34 и GND

ESP32 програм

// Аналогни улаз на који је повезан средишњи чвор
// напонског разделника
#define LDR_PIN 34

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  analogReadResolution(12);
}

void loop() {

  // Очитавање напона са разделника
  int ldrValue = analogRead(LDR_PIN);

  // Пример мапирања.
//По потреби прилагодити опсег стварно измереним ADC вредностима.
  int brightness = map(ldrValue, 0, 4095, 255, 0);
  brightness = constrain(brightness,0,255);//ограничење да вредност не премаши 255
  Serial.print("LDR: ");
  Serial.print(ldrValue);

  Serial.print("  brightness: ");
  Serial.println(brightness);

  delay(500);
}

Визуелизација мерења у Processing окружењу

Поред приказа вредности у Serial Monitor-у, могуће је визуелизовати ниво осветљености и у Processing окружењу. ESP32 шаље податке преко серијске комуникације, а Processing их чита и на основу њих исцртава индикатор јачине осветљења. На тај начин промене светлости могу се пратити у реалном времену.

Processing програм

import processing.serial.*;

// Objekat koji predstavlja serijski port
// preko koga Processing komunicira sa ESP32
Serial myPort;

// Promenljiva u kojoj će biti sačuvana
// vrednost osvetljenosti (0-255)
int brightness = 0;

void setup()
{
  // Kreiranje prozora dimenzija 600x250 piksela
  size(600,250);

  // Ispis liste svih dostupnih serijskih portova.
  // Na osnovu ove liste bira se odgovarajući port.
  println(Serial.list());

  // Otvaranje prvog pronađenog serijskog porta
  // brzinom od 115200 bps.
  // Brzina mora biti ista kao u ESP32 programu.
  myPort = new Serial(this,
                      Serial.list()[0],
                      115200);

  // Funkcija serialEvent() biće pozvana
  // svaki put kada stigne jedan red teksta,
  // odnosno kada se primi znak '\n'.
  myPort.bufferUntil('\n');

  // Podešavanje veličine teksta
  textSize(20);
}

void draw()
{
  // Boja pozadine prozora
  background(245);

  // Naslov iznad indikatora
  fill(0);
  text("Ниво осветљености",40,40);

  // Iscrtavanje okvira indikatora
  noFill();
  strokeWeight(2);
  rect(40,80,500,40);

  // Popunjavanje indikatora.
  // Što je brightness veći,
  // plavi pravougaonik je duži.
  fill(60,160,255);
  noStroke();
  rect(40,80,brightness*500.0/255.0,40);

  // Ispis numeričke vrednosti
  fill(0);
  text("Brightness: " + brightness,40,170);
}

// Ova funkcija se automatski poziva
// kada Processing primi jedan red teksta
// sa serijskog porta.
void serialEvent(Serial port)
{
  // Čitanje jednog reda teksta
  // do znaka '\n'
  String data = port.readStringUntil('\n');

  // Provera da li je tekst uspešno pročitan
  if(data!=null)
  {
    // Uklanjanje znakova novog reda
    // i praznih karaktera sa početka i kraja
    data = trim(data);

    // Pronalaženje dela teksta
    // koji počinje rečju "brightness:"
    int index = data.indexOf("brightness:");

    // Ako je tekst pronađen...
    if(index!=-1)
    {
      // Izdvajanje dela teksta koji dolazi
      // iza reči "brightness:"
      String vrednost = trim(data.substring(index+12));

      // Pretvaranje izdvojenog teksta u ceo broj
      brightness = int(vrednost);
    }
  }
}

Вежба 2: LED диода која јаче светли када је мање светлости у околини

У другој вежби истом сензору светлости додаје се LED диода. Када је у околини мање светлости, LED треба да јаче светли, а када је осветљење веће, њен интензитет треба да буде мањи. На тај начин добија се једноставан пример аутоматског ноћног осветљења.

Шема са LED диодом-дијаграм веза

Проширена верзија кола у којој се додаје и LED диода-шема у Circuit designer-у

Шема са LED диодом

Проширена верзија кола у којој се додаје и LED диода.

Циљ вежбе

Циљ је да се покаже практична примена мерења светлости. Сензор очитава услове у просторији, а ESP32 на основу тога управља LED диодом тако да она постане јача у мраку, а слабија на јаком светлу.

ESP32 програм

// Analogni ulaz na koji je povezan LDR senzor
#define LDR_PIN 34

// LED dioda povezana na GPIO2
#define LED_PIN 2

void setup() {

  // Pokretanje serijske komunikacije
  Serial.begin(115200);

  // Postavljanje LED pina kao izlaza
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

  // ESP32 koristi 12-bitni ADC,
  // pa analogRead() vraća vrednosti od 0 do 4095
  analogReadResolution(12);
}

void loop() {

  // Očitavanje analogne vrednosti sa LDR senzora
  int ocitanaVrednost = analogRead(LDR_PIN);

  // Pretvaranje ADC vrednosti (0–4095)
  // u PWM opseg (255–0).
  // Obrnuto mapiranje omogućava da LED
  // jače svetli kada je manje svetlosti.
  // Po potrebi opseg 0–4095 može se zameniti
  // stvarno izmerenim vrednostima senzora.
  int jacinaSvetlosti = map(ocitanaVrednost, 0, 4095, 255, 0);

  // Obezbeđuje da PWM vrednost uvek bude
  // u dozvoljenom opsegu od 0 do 255.
  jacinaSvetlosti = constrain(jacinaSvetlosti, 0, 255);

  // Slanje PWM vrednosti LED diodi
  analogWrite(LED_PIN, jacinaSvetlosti);

  // Kratka pauza pre sledećeg očitavanja
  delay(100);
}

Serial Monitor

Приказ очитаних вредности током рада програма који управља јачином светлења LED диоде.

Вежба 3: Паметни ЛЕД прстен (WS2812B NeoPixel)

У овој вежби упознаћемо се са паметним адресабилним ЛЕД диодама у облику прстена (модел WS2812B). За разлику од обичних ЛЕД диода које захтевају додатне отпорнике за ограничење струје, паметни ЛЕД прстенови унутар сваке диоде имају уграђен посебан микрочип (драјвер). Ови чипови самостално регулишу јачину струје и омогућавају нам да преко само једне дигиталне линије (једне жице) контролишемо боју и јачину великог броја диода појединачно. Због уграђене заштите, напајање прстена везује се директно на развојну плочу.

Шема повезивања ЛЕД прстена

Повезивање WS2812B ЛЕД прстена са DIN стране на ESP32 плочу.

Препознавање жица и повезивање

Паметни прстенови могу да се везују у ланац један за другим, па због тога имају две групе жица. Са једне стране се налазе улазни контакти (означени са DIN или IN), а са друге излазни (означени са DO или OUT). За везу са ESP32 плочом користи се искључиво улазна страна (DIN), док излазне жице остају слободне.

• 3V/5V жица (DIN страна) ➡️ Повезује се на 3.3V пин на ESP32 (из сигурносних разлога и усклађивања јачине сигнала).
• GND жица (DIN страна) ➡️ Повезује се на било који GND пин на ESP32.
• DIN жица (Сигнал) ➡️ Повезује се на чисти дигитални излаз GPIO 4.

Тест пример програма

Пре интеграције са сензором, потребно је проверити исправност прстена. За контролу ових диода користи се популарна библиотека FastLED (аутор Daniel Garcia), коју је потребно инсталирати кроз Library Manager. Следећи код константно пали и гаси цео прстен од 36 диода у црвеној боји.

#include <FastLED.h>

// Дигитални пин за слање података ка прстену
#define LED_PIN     4   

// Број диода на вашем прстену (нпр. 36)
#define NUM_LEDS    36  

#define LED_TYPE    WS2812B
#define COLOR_ORDER GRB
CRGB leds[NUM_LEDS];

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("--- ТЕСТ ЛЕД ПРСТЕНА ПОКРЕНУТ ---");

  // Иницијализација ФастЛЕД библиотеке
  FastLED.addLeds<LED_TYPE, LED_PIN, COLOR_ORDER>(leds, NUM_LEDS).setCorrection(TypicalLEDStrip);
  
  // Постављање умерене јачине (64 је око 25% снаге ради заштите плоче)
  FastLED.setBrightness(64); 
}

void loop() {
  Serial.println("Палим све диоде у ЦРВЕНУ боју...");
  fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Red);
  FastLED.show();
  delay(1000); 
  
  Serial.println("Гасим све диоде...");
  FastLED.clear();
  FastLED.show();
  delay(1000); 
}

Оријентациони приказ готовог пројекта

Напомена: Слика приказује финални изглед уређаја у реалном раду. Жице повежите пратећи искључиво текстуално упутство и дигиталне ознаке пинова из претходног корака, а не према изгледу са ове фотографије.

Могућа проширења пројекта

• Аутоматско паљење расвете у соби.
• Постављање прага осветљења за укључивање LED диоде.
• Коришћење више LED диода са различитим нивоима светлења.
• Слање података преко Wi-Fi мреже.
• Приказ мерења на веб страници.
• Израда паметног ноћног светла.

⚠️ На шта треба обратити пажњу

• Проверити исправност повезивања LDR сензора и отпорника.
• Проверити да ли је аналогни улаз заиста GPIO34.
• Обратити пажњу на стабилно напајање ESP32 плоче.
• Ако је LED диода слабо видљива, проверити отпорник у серији са диодом.
• Пре покретања програма проверити целокупно коло.

## 📚 Додатно учење

Мерење осветљења помоћу ESP32

Детаљније објашњење рада light сензора, фотоотпорника, напонског делитеља и мерења осветљења помоћу ESP32 платформе.

🔎 Продуби знање

Истражи како функционише ADC конвертор у ESP32 микроконтролеру и на који начин се аналогни напон претвара у дигиталну вредност.

🧪 Идеје за експеримент

• Промени праг осветљења.
• Испробај различите вредности отпорника.
• Осветли сензор лампом и прати промене.
• Покриј сензор руком и упореди резултате.

Следећи корак

Комбинуј сензор светлости са OLED дисплејом или Wi-Fi комуникацијом и направи систем за праћење осветљења у реалном времену.

Шта је MPU-9250?

MPU-9250 је инерцијална мерна јединица (IMU – Inertial Measurement Unit) која у једном малом интегрисаном колу садржи три различита сензора: троосни акцелерометар, троосни жироскоп и троосни магнетометар. Захваљујући томе могуће је истовремено пратити кретање, нагиб, окретање и оријентацију у простору.

Овакав тип сензора користи се у великом броју савремених уређаја. Налазимо га у мобилним телефонима, паметним сатовима, дроновима, роботима, системима за стабилизацију камера, навигационим уређајима, па чак и у аутомобилима. Захваљујући овим сензорима телефон зна када га окренемо, дрон одржава равнотежу током лета, а паметни сат броји кораке.

Три сензора у једном модулу

MPU-9250 комбинује акцелерометар, жироскоп и магнетометар у једном интегрисаном колу.

Која мерења даје овај сензор?

MPU-9250 истовремено обезбеђује чак девет различитих мерења, због чега се често назива 9-осни IMU сензор. Сваки од три уграђена сензора мери вредности по три просторне осе: X, Y и Z.

Које су X, Y и Z осе?

Да бисмо разумели како ради MPU-9250, потребно је да знамо шта представљају просторне осе. Сензор увек мери вредности у односу на своје координатне осе.

• X оса – кретање лево–десно.
• Y оса – кретање напред–назад.
• Z оса – кретање горе–доле.

Координатне осе

Сва мерења акцелерометра, жироскопа и магнетометра односе се на X, Y и Z осу.

Када окрећемо модул, вредности на појединим осама се мењају. Управо на тим променама заснивају се све касније вежбе и пројекти.

Како сваки сензор ради?

Акцелерометар

Акцелерометар мери убрзање. Чак и када сензор мирује, он региструје Земљину тежу (гравитацију), па се на основу тога може одредити нагиб уређаја.

• ако је плоча равна — највећа вредност је на Z оси;
• ако је нагнемо улево — мења се X оса;
• ако је нагнемо напред — мења се Y оса.

Жироскоп

Жироскоп не мери положај већ брзину окретања. Ако брзо окренемо модул, добићемо већу вредност него када га окрећемо полако. Управо зато се жироскоп користи за стабилизацију дронова, робота и камера.

Магнетометар

Магнетометар мери јачину и правац Земљиног магнетног поља. На основу ових података могуће је израчунати смер кретања (север, исток, југ и запад), због чега се често назива дигиталним компасом.

Важно је знати

Сваки од ова три сензора има своје предности и недостатке.

• Акцелерометар добро показује нагиб, али реагује и на вибрације.
• Жироскоп прецизно мери ротацију, али временом може да акумулира грешку.
• Магнетометар показује смер, али му могу сметати магнети и метални предмети.

Због тога се у стварним системима користе сва три сензора истовремено. Комбиновањем њихових мерења добија се много прецизнија процена оријентације у простору.

Где се користи MPU-9250?

IMU сензори се налазе у дроновима, роботима, мобилним телефонима, паметним сатовима и многим другим електронским уређајима.

 

Опис пинова

На већини MPU-9250 модула налазе се прикључци који омогућавају комуникацију преко I2C или SPI интерфејса. У школским пројектима најчешће се користи I2C јер захтева само две комуникационе линије и веома је једноставан за повезивање са ESP32.

• VCC – напајање модула (препоручује се 3.3V)
• GND – маса
• SDA – линија за пренос података (I2C)
• SCL – линија такта (I2C)
• AD0 – промена I2C адресе
• INT – излаз прекида (Interrupt)
• FSYNC – синхронизација мерења
• NCS – избор SPI режима рада

Распоред пинова MPU-9250 модула

Приказ најважнијих прикључака који се користе приликом повезивања са ESP32 развојном плочом.

Повезивање са ESP32

ESP32 и MPU-9250 комуницирају преко I2C магистрале. То значи да су потребне само две сигналне линије: SDA (подаци) и SCL (сат). ESP32 већ има уграђен I2C контролер, па није потребан никакав додатни хардвер.

Подразумевани I2C пинови на већини ESP32 плоча су:

• GPIO21 → SDA
• GPIO22 → SCL

Поред сигналних линија неопходно је повезати и напајање.

Повезивање ESP32 и MPU-9250

Практичан пример повезивања сензора са ESP32 развојном плочом преко I2C интерфејса.

Повезивање на breadboard плочи

Пример како изгледа повезан сензор приликом израде школских вежби.

Резултат I2C Scanner програма

У Serial Monitor-у приказује се I2C адреса пронађеног уређаја.

Могући пројекти и примена

Комбиновањем података са акцелерометра, жироскопа и магнетометра могуће је реализовати велики број практичних пројеката. Управо зато се MPU-9250 налази у многим роботима, дроновима, паметним уређајима и индустријским системима.

Примене MPU-9250 сензора

Од паметних сатова до дронова – овај сензор је један од најчешће коришћених IMU модула.

• електронски компас,
• детектор нагиба,
• бројач корака,
• балансирајући робот,
• стабилизација дрона,
• управљање покретима руке,
• детекција пада,
• антикрађа системи,
• праћење покрета у спортској анализи,
• виртуелна и проширена реалност (VR/AR).

Шта ће ученици научити?

• шта је IMU сензор,
• како функционише I2C комуникација,
• како се повезује MPU-9250 са ESP32,
• како се читају подаци са сензора,
• како се добијени подаци могу приказати у Arduino IDE и касније у Processing окружењу.

 

Вежба 1 – Рад са магнетометром (дигитални компас)

У овој вежби ученици ће први пут комуницирати са MPU-9250 сензором и научити како да очитавају вредности магнетног поља. Магнетометар ради као дигитални компас и мери јачину Земљиног магнетног поља по три осе (X, Y и Z).

Циљ није да одмах направимо компас, већ да разумемо како изгледају подаци које сензор шаље ESP32 микроконтролеру.

Магнетометар

Мери Земљино магнетно поље и омогућава одређивање смера кретања.

Потребна опрема

• ESP32 развојна плоча
• MPU-9250 модул
• Breadboard
• Повезне жице
• USB кабл
• Arduino IDE

Инсталација библиотеке

Пре покретања програма потребно је инсталирати библиотеку:

• Sketch → Include Library → Manage Libraries
• потражити MPU9250_asukiaaa
• инсталирати последњу верзију библиотеке

Повезивање MPU-9250 са ESP32

Иако у овој вежби користимо само магнетометар, повезује се цео MPU-9250 модул. Магнетометар се налази унутар сензора и није потребно посебно повезивање његових пинова. Довољно је успоставити I2C комуникацију између ESP32 и MPU-9250 модула.

MPU-9250	ESP32	Опис
VCC	3.3V	Напајање модула
GND	GND	Заједничка маса
SDA	GPIO21	I2C линија за пренос података
SCL	GPIO22	I2C линија такта

Важно

Иако је циљ ове вежбе рад са магнетометром, преко I2C комуникације ESP32 приступа целом MPU-9250 модулу. Програм једноставно користи само део сензора који представља магнетометар.

Повезивање за Вежбу 1

За очитавање магнетометра користе се само четири жице: VCC, GND, SDA и SCL.

Инсталација библиотеке

Библиотека омогућава једноставно очитавање свих сензора MPU-9250.

Arduino програм

#include <Wire.h>
#include <MPU9250_asukiaaa.h>

MPU9250_asukiaaa mpu;

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  Wire.begin(21,22);

  mpu.setWire(&Wire);

  mpu.beginMag();

}

void loop() {

  mpu.magUpdate();

  Serial.print("MX: ");
  Serial.print(mpu.magX());

  Serial.print("  MY: ");
  Serial.print(mpu.magY());

  Serial.print("  MZ: ");
  Serial.println(mpu.magZ());

  delay(200);

}

Објашњење програма

• Wire.begin(21,22) покреће I2C комуникацију.
• mpu.beginMag() активира магнетометар.
• magUpdate() чита нове вредности.
• magX(), magY() и magZ() враћају вредности по све три осе.
• Serial Monitor приказује измерене податке.

Приказ у Serial Monitor-у

Вредности се непрекидно мењају приликом окретања сензора.

Шта треба испробати?

1. Покрените програм.
2. Отворите Serial Monitor.
3. Полако ротирајте сензор.
4. Посматрајте како се мењају вредности MX, MY и MZ.
5. Приближите магнет сензору и посматрајте велике промене.

 

Визуелизација у Processing окружењу

Уместо приказа бројева могуће је направити једноставну графичку визуелизацију. Processing ће читати серијске податке и ротирати стрелицу која представља смер магнетног поља.

Предлог визуелизације

Стрелица се ротира у зависности од вредности које шаље MPU-9250.

Пример Processing кода

import processing.serial.*;

Serial port;

float angle = 0;

void setup(){

  size(600,600);

  port = new Serial(this,"COM5",115200);

}

void draw(){

  background(240);

  translate(width/2,height/2);

  rotate(radians(angle));

  strokeWeight(5);

  line(0,0,0,-180);

  fill(255,0,0);

  triangle(-12,-170,12,-170,0,-210);

}

void serialEvent(Serial p){

  String s=p.readStringUntil('\n');

  if(s!=null){

    // Ovde se kasnije može izračunavati ugao
    // iz MX i MY vrednosti.
  }

}

Објашњење

У овој лекцији још не израчунавамо правац компаса. Processing служи само као пример како се подаци могу графички приказати. Израчунавање угла и правог дигиталног компаса биће тема једне од наредних лекција.

Задатак за ученике

• Испробати програм.
• Посматрати промене вредности приликом ротирања сензора.
• Утврдити која оса највише реагује приликом окретања око вертикалне осе.
• Размислити како би се од MX и MY могао израчунати угао компаса.

 

Вежба 2 – Рад са акцелерометром (детекција нагиба)

У овој вежби користимо само акцелерометар који се налази унутар MPU-9250 сензора. Акцелерометар мери убрзање по три осе (X, Y и Z), али када сензор мирује, он заправо мери утицај Земљине теже. Управо захваљујући томе можемо одредити нагиб плоче у простору.

Овај принцип користи се у мобилним телефонима, дроновима, паметним сатовима, роботима и многим индустријским системима.

Повезивање MPU-9250 са ESP32

Акцелерометар је такође интегрисан унутар MPU-9250 модула. Ни у овој вежби није потребно посебно повезивање додатних пинова, већ се користи исто I2C повезивање као и код претходне вежбе.

MPU-9250	ESP32	Опис
VCC	3.3V	Напајање сензора
GND	GND	Маса
SDA	GPIO21	I2C подаци
SCL	GPIO22	I2C такт

Напомена

Иако програм користи само акцелерометар, ESP32 комуницира са целим MPU-9250 модулом. Библиотека затим издваја само податке који припадају акцелерометру.

Повезивање за Вежбу 2

И код рада са акцелерометром користе се иста четири прикључка јер су сви сензори интегрисани у једном модулу.

Акцелерометар

Мери убрзање по X, Y и Z оси и омогућава одређивање нагиба уређаја.

Зашто су повезивања иста?

MPU-9250 није скуп три одвојена сензора већ једно интегрисано коло. Акцелерометар, жироскоп и магнетометар налазе се унутар истог чипа и са ESP32 комуницирају преко заједничке I2C магистрале. Због тога су за све три вежбе потребна иста четири прикључка (VCC, GND, SDA и SCL), док се разлика прави искључиво у програмском коду који одређује који део сензора ће бити коришћен.

Циљ вежбе

• Очитавање вредности акцелерометра.
• Посматрање промена приликом нагиба плоче.
• Разумевање координатног система X, Y и Z.
• Приказ вредности у Serial Monitor-у.

Arduino програм

#include <Wire.h>
#include <MPU9250_asukiaaa.h>

MPU9250_asukiaaa mpu;

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  Wire.begin(21,22);

  mpu.setWire(&Wire);

  mpu.beginAccel();

}

void loop() {

  mpu.accelUpdate();

  Serial.print(mpu.accelX());
  Serial.print(",");

  Serial.print(mpu.accelY());
  Serial.print(",");

  Serial.println(mpu.accelZ());

  delay(50);

}

Објашњење програма

• beginAccel() покреће акцелерометар.
• accelUpdate() чита нове податке.
• accelX(), accelY() и accelZ() враћају вредности убрзања.
• Вредности се шаљу у једном реду раздвојене зарезима како би их Processing лако читао.

Приказ у Serial Monitor-у

Вредности по осама X, Y и Z мењају се приликом нагињања плоче.

Шта треба испробати?

1. Поставити сензор на сто.
2. Посматрати вредности по све три осе.
3. Нагнути плочу улево и удесно.
4. Нагнути плочу напред и назад.
5. Уочити која оса највише реагује.

 

Визуелизација у Processing окружењу

Уместо приказа бројева можемо направити електронску либелу. На екрану се приказује круг унутар кога се налази куглица. Како се ESP32 плоча нагиње, тако се куглица помера у одговарајућем смеру.

Електронска либела

Куглица прати нагиб сензора у реалном времену.

Processing програм

import processing.serial.*;

Serial port;

float ax=0;
float ay=0;

void setup(){

  size(600,600);

  port=new Serial(this,"COM5",115200);

}

void draw(){

  background(245);

  translate(width/2,height/2);

  noFill();

  strokeWeight(3);

  ellipse(0,0,320,320);

  fill(0,180,255);

  ellipse(ax*120,-ay*120,35,35);

}

void serialEvent(Serial p){

  String s=p.readStringUntil('\n');

  if(s!=null){

    String[] data=split(trim(s),",");

    if(data.length==3){

      ax=float(data[0]);

      ay=float(data[1]);

    }

  }

}

Како функционише визуелизација?

ESP32 шаље вредности X и Y осе преко серијске комуникације. Processing чита сваки ред података, издваја вредности и на основу њих помера плаву куглицу по екрану. На тај начин добијамо једноставну електронску либелу која приказује нагиб плоче у реалном времену.

Рад програма

Померањем ESP32 плоче помера се и куглица на екрану.

Задатак за ученике

• Покренути програм и посматрати вредности у Serial Monitor-у.
• Проверити како реагују X и Y осе приликом различитих нагиба.
• Покренути Processing програм и упоредити положај куглице са положајем плоче.
• Покушати да задржите куглицу у самом центру круга.

Шта смо научили?

У овој вежби смо научили како се користи акцелерометар за мерење нагиба и како се подаци могу визуелизовати у реалном времену. Овај принцип користи се код електронских либела, баланс робота, паметних телефона и великог броја индустријских уређаја.

 

Идеје за употребу у пројектима

Након што сте научили како се читају подаци са акцелерометра, жироскопа и магнетометра, можете почети да правите сопствене пројекте. MPU-9250 је један од најкоришћенијих IMU сензора у роботици, аутоматизацији и IoT системима јер омогућава праћење положаја, кретања и оријентације уређаја у простору.

Примене MPU-9250 сензора

Од робота и дронова до паметних уређаја и STEM пројеката.

 

Електронски компас

Приказ смера кретања помоћу магнетометра на OLED дисплеју или TFT екрану.

Детектор нагиба

Праћење угла нагиба и активирање аларма ако се предмет превише накрене.

Самобалансирајући робот

Акцелерометар и жироскоп омогућавају мерење нагиба робота ради одржавања равнотеже.

Контрола покретима

Управљање игрицом, роботом или презентацијом померањем руке.

Бројач корака

Обрада података акцелерометра ради препознавања корака и физичке активности.

Детекција пада

Праћење наглих промена убрзања ради препознавања пада особе или предмета.

 

Визуелизација података у Processing окружењу

Једна од најзанимљивијих примена овог сензора јесте приказ мерења у реалном времену. Processing омогућава да податке које ESP32 шаље преко серијске комуникације претворимо у графике, показиваче, инструменте или чак тродимензионалне моделе.

Processing визуелизација

Подаци са ESP32 могу се приказивати као графици, казаљке или 3D модел.

У овој лекцији приказали смо једноставан пример визуелизације магнетометра, али исти принцип може да се примени и за приказ акцелерометра или жироскопа.

Предлог домаћег задатка

• Приказати вредности акцелерометра као три покретне линије различитих боја.
• Направити график који приказује промене X, Y и Z осе током времена.
• Приказати положај виртуелне куглице која се помера у зависности од нагиба сензора.
• Направити 3D коцку која прати оријентацију MPU-9250 сензора.

 

Шта смо научили?

IMU сензори

Научили смо шта представља инерцијални мерни уређај (IMU).

I2C комуникација

Повезали смо MPU-9250 и ESP32 преко I2C магистрале.

Arduino програмирање

Очитавали смо вредности са акцелерометра, жироскопа и магнетометра.

Визуелизација

Приказивали смо податке на Serial Monitor-у и у Processing окружењу.

 

Закључак

MPU-9250 представља један од најкомплетнијих сензора који се користе у образовању, роботици и савременим електронским системима. Захваљујући томе што у једном модулу садржи акцелерометар, жироскоп и магнетометар, омогућава прецизно праћење покрета, нагиба и оријентације уређаја.

У овој лекцији научили сте како се сензор повезује са ESP32, како се читају основни подаци и како се они могу приказати у Arduino IDE и Processing окружењу. То представља основу за израду сложенијих пројеката који ће бити обрађени у наредним лекцијама.

У наставку курса правићемо електронски компас, визуелизацију оријентације у 3D простору, детектор нагиба, систем за препознавање покрета и друге практичне STEM пројекте засноване на MPU-9250 сензору.

Вежба: Управљање SG90 серво мотором помоћу ESP32 платформе

У овој вежби ученици ће научити како да управљају SG90 серво мотором помоћу ESP32 микроконтролера. Серво мотор ће се непрекидно померати од 0° до 180° и назад, што представља један од најпознатијих примера за упознавање са радом серво мотора.

Вежба представља одличан увод у управљање актуаторима јер повезује:

• рад са ESP32 платформом,
• управљање серво моторима,
• PWM сигнале,
• Arduino програмирање,
• основе роботике и аутоматике.

ESP32 + SG90

Повезивање серво мотора са ESP32 плочом.

📑 Садржај

• Шта је SG90 серво мотор?
• Потребна опрема
• Повезивање компоненти
• ESP32 програм
• Објашњење програма
• Како систем функционише?
• Могућа проширења пројекта
• На шта треба обратити пажњу
• Вежба 1 – Серво на 90° и HC-SR04
• Вежба 2 – Sweep покрет и HC-SR04

Шта је SG90 серво мотор?

SG90 је мали серво мотор који омогућава прецизно позиционирање осовине на одређени угао. За разлику од класичних DC мотора који се непрекидно окрећу, серво мотор може бити постављен на тачно одређен положај.

Најчешће се користи у роботици, моделарству, аутоматским вратима, роботским рукама и STEM пројектима.

Принцип рада

Серво мотор се позиционира на тачно одређени угао.

 

🧰 Потребна опрема

За реализацију ове вежбе потребно је:

• ESP32 развојна плоча,
• SG90 серво мотор,
• breadboard плоча,
• повезне жице,
• USB кабл,
• рачунар са Arduino IDE окружењем.

 

Напомена за кориснике ESP32-WROOM-32E

Уколико користите развојну плочу са модулом ESP32-WROOM-32E, ову вежбу можете изводити без икаквих измена програмског кода. Није потребно бирати други Board у Arduino IDE нити инсталирати додатне библиотеке – поступак је исти као и за ESP32-WROOM-32D.

Обратите пажњу само на ознаке GPIO пинова на вашој развојној плочи. На појединим моделима пинови могу бити означени као P13, IO13 или GPIO13 (или другом ознаком у зависности од пина који се користи у програму), али представљају исти GPIO пин. Пре повезивања серво мотора проверите распоред и ознаке пинова на својој плочи и повежите сигнални проводник на GPIO који је дефинисан у програму.

 

Повезивање компоненти

Серво мотор SG90 поседује три прикључка:

• Смеђа жица – GND
• Црвена жица – VCC
• Наранџаста жица – сигнал

У овој вежби користимо следеће повезивање:

• GND → GND
• VCC → 5V
• Signal → GPIO18

Реално повезивање

Повезивање ESP32 плоче и SG90 серво мотора.

ESP32 пинови

Увећан приказ пинова који се користе у пројекту.

Напомена о напајању

Серво мотор током рада може повући већу струју од оне коју ESP32 може обезбедити преко својих GPIO пинова.

Због тога се напајање серво мотора доводи са 5V пина, док се сигнални проводник повезује на GPIO18.

Код сложенијих пројеката препоручује се коришћење посебног извора напајања за серво моторе.

 

ESP32 програм

#include <ESP32Servo.h>

Servo myServo;

const int servoPin = 18;

void setup() {

  myServo.attach(servoPin);

}

void loop() {

  for (int pos = 0; pos <= 180; pos += 1) {

    myServo.write(pos);

    delay(15);
  }

  for (int pos = 180; pos >= 0; pos -= 1) {

    myServo.write(pos);

    delay(15);
  }
}

Објашњење ESP32 програма

За рад са серво мотором користи се библиотека ESP32Servo.

• Креира се објекат myServo.
• Серво мотор се повезује на GPIO18.
• Функција attach() иницијализује серво мотор.
• Функција write() поставља угао серво мотора.
• Прва петља ротира мотор од 0° до 180°.
• Друга петља враћа мотор од 180° до 0°.

Вредност:

myServo.write(90);

поставља серво мотор на угао од 90 степени.

На исти начин могуће је поставити било који угао између 0° и 180°.

 

Како систем функционише?

📌 ESP32 генерише PWM сигнал.

📌 PWM сигнал се шаље серво мотору.

📌 Серво електроника анализира сигнал.

📌 Одређује се жељени угао.

📌 Мотор ротира осовину на задати положај.

📌 Петље омогућавају континуално кретање напред и назад.

 

Могућа проширења пројекта

• Управљање серво мотором помоћу потенциометра.
• Управљање преко Bluetooth везе.
• Управљање преко Wi-Fi мреже.
• Аутоматска врата са ултразвучним сензором.
• Роботска рука са више серво мотора.
• Систем за праћење положаја објекта.
• Паметна рампа за паркинг.

 

⚠️ На шта треба обратити пажњу

• Проверити исправност свих жица.
• Проверити да је сигнална жица повезана на GPIO18.
• Не оптерећивати серво мотор механички.
• Не ротирати осовину руком док мотор ради.
• Користити стабилно напајање.
• Пре покретања програма проверити целокупно коло.

 

📚 Додатно учење

ESP32 и серво мотори

Детаљније објашњење рада серво мотора, PWM сигнала, избора GPIO пинова и напајања на ESP32 платформи.

🔎 Продуби знање

Истражи рад PWM сигнала и начин управљања серво моторима.

🧪 Идеје за експеримент

• Испробај различите брзине кретања.
• Постави серво на тачно одређене углове.
• Направи роботску руку.

Следећи корак

Повежи серво мотор са ултразвучним сензором и направи аутоматска врата.

 

Мини квиз

1. Колико прикључака има SG90 серво мотор?

-- Изабери -- 2 3 4

2. Која функција поставља угао серво мотора?

-- Изабери -- attach() begin() write()

3. Који GPIO пин се користи у овој вежби?

-- Изабери -- GPIO18 GPIO2 GPIO34

4. Шта ради Sweep програм?

-- Изабери -- Мери температуру Ротира серво од 0° до 180° и назад Мери растојање

Провери резултат

 

Примена стеченог знања

До сада смо видели како се SG90 серво мотор може контролисати помоћу ESP32 платформе. Следећи корак је повезивање серво мотора са сензором који ће доносити одлуку када треба покренути механизам.

У наредне две вежбе комбинујемо HC-SR04 ултразвучни сензор и SG90 серво мотор како бисмо направили систем који реагује на присуство објекта.

 

Вежба 1: Серво мотор на 90° када је растојање мање од прага

У овој вежби комбинујемо HC-SR04 ултразвучни сензор и SG90 серво мотор са ESP32 платформом. ESP32 непрекидно мери растојање до препреке, а када је објекат ближи од задатог прага, серво мотор се помера на угао од 90°. Када се препрека удаљи, серво се враћа на почетни положај од 0°.

Ова вежба је корисна за разумевање аутоматског реаговања система на окружење и често се примењује у моделима аутоматских врата, поклопцима, рампама и једноставним роботичким механизмима.

Реална изведба

Приказ комплетне вежбе у раду, са препреком испред сензора.

ESP32 и HC-SR04

Увећан приказ пинова на ESP32 плочи и ултразвучном сензору.

HC-SR04 пинови

Део реалне шеме на коме се јасно виде прикључци сензора.

Циљ вежбе

Циљ ове вежбе је да ученик увиди како се мерење растојања може повезати са конкретном механичком акцијом. Када је препрека довољно близу, ESP32 шаље команду серво мотору да се помери на 90°.

Потребна опрема

• ESP32 развојна плоча
• HC-SR04 ултразвучни сензор
• SG90 серво мотор
• breadboard плоча
• повезне жице
• USB кабл
• рачунар са Arduino IDE окружењем

Повезивање компоненти

У овој вежби користи се следеће повезивање:

• HC-SR04 VCC → 3V3
• HC-SR04 GND → GND
• HC-SR04 TRIG → GPIO18
• HC-SR04 ECHO → GPIO19
• SG90 signal → GPIO23
• SG90 VCC → 5V
• SG90 GND → GND

Шема повезивања

Иста шема се користи и у овој и у следећој вежби.

Arduino IDE + Serial Monitor

Приказ кода и резултата мерења у Serial Monitor-у.

Напомена о напајању

HC-SR04 сензор се у овој вежби напаја са 3V3 како би ECHO сигнал био безбедан за ESP32.

SG90 серво мотор се напаја са 5V, а сви GND прикључци морају бити заједнички повезани.

ESP32 програм

#include <ESP32Servo.h>

// HC-SR04
const int TRIG_PIN = 18;
const int ECHO_PIN = 19;

// Servo motor
const int SERVO_PIN = 23;

// Prag aktivacije
const int DISTANCE_THRESHOLD = 15;

Servo servo;

// Promenljive
float duration_us;
float distance_cm;

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);

  servo.attach(SERVO_PIN);

  // Početni položaj
  servo.write(0);
}

void loop() {

  // Reset TRIG
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);

  // Slanje impulsa
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  // Merenje vremena povratka
  duration_us = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);

  // Izračunavanje rastojanja
  distance_cm = duration_us * 0.034 / 2;

  // Upravljanje servo motorom
  if (distance_cm < DISTANCE_THRESHOLD) {

    servo.write(90);

  } else {

    servo.write(0);

  }

  // Ispis rezultata
  Serial.print("Rastojanje: ");
  Serial.print(distance_cm);
  Serial.println(" cm");

  delay(500);
}

Објашњење програма

• ESP32 шаље ултразвучни импулс преко TRIG пина.
• HC-SR04 мери повратак сигнала на ECHO пину.
• Функција pulseIn() мери трајање импулса.
• На основу времена повратка израчунава се растојање у центиметрима.
• Ако је растојање мање од задатог прага, серво иде на 90°.
• У супротном, серво се враћа на 0°.

distance_cm = duration_us * 0.034 / 2

Број 0.034 представља брзину звука изражену у cm/μs, а дељење са 2 је потребно јер талас путује до препреке и назад.

Како систем функционише?

📌 ESP32 активира TRIG пин.

📌 HC-SR04 емитује ултразвучни талас.

📌 Талас се одбија од препреке.

📌 Одбијени талас стиже на ECHO пин.

📌 ESP32 израчунава растојање.

📌 Серво мотор се помера на 90° када је објекат близу.

📌 Када се препрека удаљи, серво се враћа на 0°.

Примена

• аутоматска врата,
• поклопац канте за смеће,
• паркинг рампа,
• механизми који реагују на присуство.

 

Вежба 2: Sweep покрет када је растојање мање од прага

У овој вежби користимо исту шему повезивања као у претходној, али се серво мотор не зауставља на једном фиксном углу. Када ESP32 детектује да је препрека ближа од задатог прага, серво мотор изводи Sweep покрет од 0° до 180° и назад.

Ова вежба је добра за демонстрацију кретања серво мотора, а може се користити и у пројектима који симулирају скенер, роботску руку или аутоматски механизам са динамичким одговором на присуство објекта.

Реална изведба

Комплетна поставка у раду, са препреком која активира систем.

Шема повезивања

Иста шема важи и за Sweep варијанту вежбе.

Arduino IDE + Serial Monitor

Код и приказ вредности у Serial Monitor-у за Sweep варијанту.

Циљ вежбе

Циљ ове вежбе је да се покаже како ултразвучни сензор може да покрене сложенији покрет серво мотора. Уместо једног положаја, серво изводи целокупно кретање, што је корисно за скенирање простора и анимацију механичких система.

Потребна опрема

• ESP32 развојна плоча
• HC-SR04 ултразвучни сензор
• SG90 серво мотор
• breadboard плоча
• повезне жице
• USB кабл
• рачунар са Arduino IDE окружењем

Повезивање компоненти

Повезивање је потпуно исто као у претходној вежби:

• HC-SR04 VCC → 3V3
• HC-SR04 GND → GND
• HC-SR04 TRIG → GPIO18
• HC-SR04 ECHO → GPIO19
• SG90 signal → GPIO23
• SG90 VCC → 5V
• SG90 GND → GND

Напомена

Пошто је шема повезивања иста, ученик може да користи исто коло, а да промени само логику програма. Ово лепо показује разлику између једноставне реакције (90°) и сложенијег кретања (Sweep).

ESP32 програм

#include <ESP32Servo.h>

const int TRIG_PIN = 18;
const int ECHO_PIN = 19;
const int SERVO_PIN = 23;

const int DISTANCE_THRESHOLD = 15;

Servo servo;

float duration_us;
float distance_cm;

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);

  servo.attach(SERVO_PIN);

  servo.write(0);
}

void loop() {

  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);

  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  duration_us = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);

  distance_cm = duration_us * 0.034 / 2;

  Serial.print("Rastojanje: ");
  Serial.print(distance_cm);
  Serial.println(" cm");

  if (distance_cm < DISTANCE_THRESHOLD) {

    // Sweep 0 -> 180
    for (int pos = 0; pos <= 180; pos++) {

      servo.write(pos);

      delay(10);
    }

    // Sweep 180 -> 0
    for (int pos = 180; pos >= 0; pos--) {

      servo.write(pos);

      delay(10);
    }
  }

  delay(100);
}

Објашњење програма

• ESP32 поново мери растојање помоћу HC-SR04 сензора.
• Када је објекат ближи од прага, активира се Sweep покрет.
• Серво мотор иде постепено од 0° до 180°.
• Затим се враћа назад од 180° до 0°.
• Овај покрет се понавља док је препрека и даље близу сензора.

Ако се жели да се Sweep изврши само једном по детекцији, може се додати заставица, на пример activated, која спречава понављање покрета док се објекат не удаљи.

Како систем функционише?

📌 ESP32 мери растојање помоћу HC-SR04 сензора.

📌 Када је објекат ближи од прага, систем покреће серво мотор.

📌 Серво изводи Sweep покрет од 0° до 180° и назад.

📌 Покрет може да се понавља док је објекат испред сензора.

📌 Ово је корисно за скенирање и демонстрацију покрета.

Примена

• скенер простора,
• аутоматска врата са анимацијом,
• паметна полуга,
• демонстрација рада серво мотора.

На шта треба обратити пажњу

• Проверити исправност свих жица.
• Проверити да ли су GPIO18, GPIO19 и GPIO23 правилно повезани.
• Не оптерећивати серво мотор механички.
• Проверити да ли је напајање серво мотора стабилно.
• Пре покретања програма проверити целокупно коло.

Вежба: Мерење растојања помоћу HC-SR04 сензора и ESP32 платформе

У овој вежби ученици ће научити како да користе HC‑SR04 ултразвучни сензор за мерење растојања до објекта помоћу ESP32 микроконтролера. Добијене вредности биће послате на рачунар преко серијске комуникације и приказане у реалном времену у Processing окружењу.

Вежба повезује рад са сензорима, ESP32 програмирање, серијску комуникацију и визуелизацију података.

ESP32 + HC-SR04

Мерење растојања до препреке помоћу ултразвучног сензора.

Processing визуелизација

Приказ измереног растојања у реалном времену.

📑 Садржај

• Шта је HC-SR04?
• Потребна опрема
• Повезивање компоненти
• ESP32 програм
• Processing програм
• Како систем функционише?
• Могућа проширења
• На шта треба обратити пажњу

Шта је HC-SR04?

HC-SR04 је ултразвучни сензор који служи за бесконтактно мерење растојања. Сензор емитује кратак ултразвучни импулс и мери време које је потребно да се одбијени сигнал врати до пријемника.

Пошто је брзина звука позната, микроконтролер може израчунати растојање до препреке. Овај тип сензора често се користи у роботици, паметним системима паркирања и STEM пројектима.

🧰 Потребна опрема

• ESP32 развојна плоча
• HC-SR04 ултразвучни сензор
• Breadboard плоча
• Повезне жице
• USB кабл
• Arduino IDE
• Processing окружење

Повезивање компоненти

У овој вежби користи се следеће повезивање:

• VCC → 3V3
• GND → GND
• TRIG → GPIO18
• ECHO → GPIO19

ESP32 страна

Приказ прикључака који се користе на ESP32 плочи.

HC-SR04 страна

Приказ прикључака на ултразвучном сензору.

ESP32 програм

// GPIO pin koji pokreće ultrazvučni impuls
int trigPin = 18;

// GPIO pin na kome se prima povratni impuls
int echoPin = 19;

// Promenljiva u kojoj će biti sačuvano
// trajanje povratnog impulsa (u mikrosekundama)
long duration;

// Izračunato rastojanje u centimetrima
float distance;

void setup() {

  // Pokretanje serijske komunikacije
  // Brzina mora biti ista kao u Processing programu
  Serial.begin(115200);

  // TRIG pin je izlaz
  pinMode(trigPin, OUTPUT);

  // ECHO pin je ulaz
  pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop() {

  // Kratak LOW impuls kako bi se senzor resetovao
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);

  // Slanje ultrazvučnog impulsa
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(15);

  // Završetak impulsa
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  // Merenje trajanja povratnog impulsa
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

  // Izračunavanje rastojanja.
  // 0.034 predstavlja brzinu zvuka u cm/µs,
  // a deljenje sa 2 je potrebno zato što
  // talas putuje do prepreke i nazad.
  distance = duration * 0.034 / 2;

  // Slanje izračunatog rastojanja
  // preko serijskog porta.
  // Šalju se dve decimale.
  Serial.println(distance, 2);

  // Kratka pauza između dva merenja
  delay(200);
}

distance = duration * 0.034 / 2

Визуелизација мерења у Processing окружењу

Поред приказа у Serial Monitor-у, измерено растојање може се приказати и графички. Processing прима вредности које шаље ESP32 и приказује хоризонтални индикатор чија се дужина мења у зависности од измереног растојања.

Processing програм

import processing.serial.*;

// Objekat za serijsku komunikaciju
Serial myPort;

// Trenutno izmereno rastojanje
float distance = 0;

void setup()
{
  // Kreiranje prozora
  size(600,250);

  // Prikaz svih dostupnih serijskih portova
  println(Serial.list());

  // Otvaranje prvog pronađenog porta
  // Brzina mora biti ista kao u ESP32 programu
  myPort = new Serial(this,
                      Serial.list()[0],
                      115200);

  // Funkcija serialEvent()
  // pozivaće se kada stigne jedan red teksta
  myPort.bufferUntil('\n');

  textSize(20);
}

void draw()
{
  // Boja pozadine
  background(245);

  // Naslov
  fill(0);
  text("Измерено растојање",40,40);

  // Okvir indikatora
  noFill();
  strokeWeight(2);
  rect(40,80,500,40);

  // Popunjavanje indikatora.
  // Pretpostavlja se da senzor meri
  // do približno 200 cm.
  fill(100,200,255);
  noStroke();

  rect(
        40,
        80,
        map(distance,0,200,0,500),
        40
      );

  // Ispis numeričke vrednosti
  fill(0);
  text("Distance: " + nf(distance,0,2) + " cm",40,170);
}

// Funkcija se automatski poziva
// kada stigne jedan red teksta
void serialEvent(Serial port)
{
  // Čitanje jednog reda
  String data = port.readStringUntil('\n');

  if(data!=null)
  {
    // Uklanjanje znaka novog reda
    data = trim(data);

    // Pretvaranje primljenog teksta u broj
    distance = float(data);
  }
}

Како систем функционише?

Могућа проширења пројекта

• LED сигнализација близине препреке
• Звучно упозорење помоћу buzzer-а
• Приказ графика мерења
• Чување података у CSV датотеку
• Слање података преко Wi‑Fi мреже
• ESP32 веб сервер
• Робот који избегава препреке

⚠️ На шта треба обратити пажњу

• Проверити исправност свих жица.
• Проверити да су GPIO18 и GPIO19 правилно повезани.
• Проверити серијски порт у Processing програму.
• Избегавати лабаве контакте на breadboard плочи.
• Пре покретања проверити целокупно коло.

📚 Додатно учење

Увод у ESP32

ESP32 је савремена микроконтролерска платформа која омогућава повезивање електронике, програмирања и бежичне комуникације. Захваљујући уграђеним WiFi и Bluetooth могућностима, ова плоча се користи у бројним пројектима из области аутоматизације, паметних уређаја и Интернета ствари (IoT).

У оквиру наставе примењене електронике ученици ће се упознати са изгледом ESP32 плоче, њеним основним деловима, начином програмирања и повезивањем различитих сензора и актуатора. Постепено ће се прелазити са једноставних експеримената на пројекте који укључују бежичну комуникацију, прикупљање података и управљање уређајима.

ESP32

Микроконтролерска платформа са WiFi и Bluetooth комуникацијом.

IoT пројекти

Повезивање електронике са интернетом и паметним системима.

Шта је ESP32?

ESP32 је микроконтролер компаније Espressif који је намењен развоју паметних електронских уређаја. Његов задатак је да чита податке са сензора, обрађује их и на основу њих управља различитим компонентама као што су LED диоде, дисплеји, релеји, мотори или други уређаји.

За разлику од многих класичних микроконтролера, ESP32 већ у себи садржи WiFi и Bluetooth модуле. То значи да поред управљања електронским колима може да комуницира са телефоном, веб сервером или другим уређајима у мрежи.

Паметна платформа

Обједињује програмирање, електронику и бежичну комуникацију.

Шта ћемо радити са ESP32?

Током вежби ученици ће постепено упознавати могућности ESP32 платформе. Циљ није само да се напише програм већ да се разуме како функционише комплетан систем који повезује сензоре, микроконтролер и реалне уређаје.

• упознавање развојне плоче и њених делова,
• рад са LED диодама и тастерима,
• очитавање вредности са сензора,
• мерење температуре, влажности и осветљености,
• управљање релејима и моторима,
• слање података преко WiFi мреже,
• основе Bluetooth комуникације,
• реализација једноставних IoT пројеката.

На тај начин ученици стичу знања која се користе у аутоматизацији, паметним кућама, индустријским системима и савременим IoT решењима.

ESP32 и Arduino – сличности и разлике

Ученици који су већ радили са Arduino платформом брзо ће се снаћи и на ESP32 плочи јер су основни принципи рада веома слични. Ипак, ESP32 доноси бројне могућности које Arduino Uno нема.

Уколико се први пут сусрећеш са микроконтролерима, препоручује се да најпре погледаш лекцију: Основе Arduino програмирања .

Упознај своју ESP32 плочу

Пре првог програма важно је да препознамо основне елементе развојне плоче и разумемо чему служе.

• USB конектор – повезивање са рачунаром и учитавање програма.
• EN (Reset) – поновно покретање плоче.
• BOOT – улазак у режим програмирања код појединих модела.
• GPIO пинови – повезивање сензора и других уређаја.
• 3.3V пин – напајање компоненти.
• GND – маса кола.
• VIN – довод спољног напајања.
• WiFi/Bluetooth модул – бежична комуникација.

ESP32 плоча

Упознавање са пиновима, напајањем и комуникационим модулима.

Најважнији пинови

ESP32 располаже великим бројем улазно-излазних пинова који се користе за комуникацију са различитим електронским компонентама. Иако плоча има много пинова, за почетне вежбе потребно је упознати само неколико најважнијих група.

• GPIO пинови – користе се као дигитални улази и излази.
• ADC пинови – омогућавају очитавање аналогних вредности са сензора.
• PWM пинови – користе се за управљање моторима, серво моторима и осветљењем.
• I2C пинови – комуникација са OLED дисплејима и бројним сензорима.
• SPI пинови – брза комуникација са периферним уређајима.
• UART пинови – серијска комуникација са рачунаром или другим микроконтролерима.

Приликом рада са ESP32 важно је обратити пажњу на распоред пинова јер не подржавају сви пинови исте функције. Због тога се увек користи шема пинова конкретног модела плоче.

Распоред пинова

GPIO, ADC, PWM и комуникациони пинови.

Развојно окружење

ESP32 се најчешће програмира у окружењу Arduino IDE. Иако је првобитно развијено за Arduino платформу, данас подржава и велики број других микроконтролера, укључујући ESP32.

Током вежби ученици ће научити како да:

• инсталирају Arduino IDE,
• додају подршку за ESP32 плоче,
• изаберу одговарајући модел плоче,
• повежу плочу са рачунаром,
• учитају и тестирају свој први програм.

За напредније пројекте могу се користити и друга окружења као што је PlatformIO, али је Arduino IDE најбољи избор за почетнике јер је једноставан и има велики број примера.

Arduino IDE

Основно окружење за програмирање ESP32 плоча.

PlatformIO

Напредније окружење за веће пројекте.

Сензори и уређаји који ће се користити

Једна од највећих предности ESP32 платформе је могућност повезивања великог броја различитих сензора и актуатора. На тај начин ученици могу да мере физичке величине из окружења и да на основу добијених података управљају неким системом.

• DHT11 – мерење температуре и влажности ваздуха.
• LDR сензор – мерење осветљености просторије.
• HC-SR04 – ултразвучно мерење растојања.
• Сензор влажности земљишта – примена у паметним баштама.
• OLED дисплеј – приказ података и порука.
• Серво мотор – прецизна контрола угла ротације.
• Релејни модул – укључивање и искључивање потрошача.
• LED диоде – визуелни приказ стања система.

Комбинацијом ових компоненти могуће је реализовати велики број практичних пројеката који се користе у аутоматизацији, надзору и управљању процесима.

Сензори

Температура, влажност, осветљеност и растојање.

Актуатори

Релеји, мотори и други уређаји за управљање.

OLED дисплеј

Приказ података у реалном времену.

Вежбе које ће се радити

Након упознавања са основним деловима плоче и радом са појединачним компонентама, ученици ће реализовати низ практичних вежби које постепено повезују програмирање, електронику и комуникацију између уређаја.

⚙️ Основне вежбе

DHT11

Мерење температуре и влажности ваздуха.

Сензор светлости

Праћење осветљености просторије помоћу LDR сензора.

Ултразвучни сензор

Мерење растојања и детекција препрека.

Серво мотор

Контрола положаја и аутоматизованих механизама.

📶 WiFi и IoT пројекти

WiFi комуникација

Слање података са сензора преко локалне мреже.

Bluetooth

Комуникација са мобилним телефоном и другим уређајима.

IoT системи

Повезивање уређаја и размена података преко интернета.

🚀 Напредни пројекти

ESP32 радар

Комбинација серво мотора и ултразвучног сензора.

Паметна башта

Праћење влажности земљишта и аутоматско заливање.

Визуелизација података

Приказ вредности са сензора у реалном времену.

🌐 Зашто је ESP32 важан за савремене пројекте?

Данас велики број уређаја око нас комуницира путем интернета: паметни сатови, системи за надзор, паметне куће, метеоролошке станице и индустријски системи. ESP32 омогућава да се на једноставан начин разумеју принципи рада таквих система и да ученици стекну практична знања која су веома тражена у савременом развоју електронских уређаја.

Управо због тога ESP32 представља одличан корак након основног упознавања са Arduino платформом и омогућава улазак у свет IoT технологија.

На шта треба обратити пажњу

Иако је ESP32 веома практична и отпорна платформа, неопходно је водити рачуна о правилном повезивању компоненти и напајању.

• увек проверити GND и напајање пре укључивања,
• ESP32 користи логичке нивое од 3.3V,
• не прикључивати веће потрошаче директно на пинове плоче,
• користити отпорнике када су потребни,
• проверити бројеве GPIO пинова у програму,
• пре тестирања пажљиво прегледати све везе на breadboard-у.

Добра пракса је да се најпре направи шема кола, затим тестира једноставан програм, а тек након тога додају нове компоненте и функционалности.

🏫 Где се ово користи?

Знања стечена кроз рад са ESP32 користе се у настави примењене електронике, роботике, програмирања и IoT система. Она представљају основу за разумевање савремених паметних уређаја и система аутоматизације.

Практичан рад

Реализација пројеката и тимски рад на решавању проблема.

Пројектна настава

Примена знања у реалним и међународним пројектима.

За додатно читање

За детаљније упознавање са ESP32 платформом, њеним варијантама и примерима пројеката, препоручује се следећа лекција:

🔗 Увод у ESP32

Уколико још увек нисте радили са микроконтролерима, корисно је најпре проћи и лекцију:

🔗 Основе Arduino програмирања