Как подключить энкодер к ардуино

Как подключить энкодер к Ардуино

Энкодер – это устройство, предназначенное для определения угла поворота и преобразующее данные в электрический сигнал. Другое название энкодера – «датчик угла поворота».

По выходному сигналу различают:

• Инкрементные энкодеры — на выходе формируется две последовательности импульсных сигналов (нулей и единиц), при этом каждая «единица» соответствует фиксированному углу (зависит от точности датчика). Отслеживание полного поворота происходит по специальному сигналу (программному), а направление вращения определяется по смещению второй последовательности относительно первой. Для понимания принципа работы инкрементных датчиков угла лучше всего изучить изображение ниже.

Рис. 1. Изображение выходного сигнала инкрементного энкодера

Рис. 2. Схема инкрементного энкодера

• Абсолютные энкодеры – на выходе формируются не просто «единицы», а сразу последовательности фиксированной длины (зависит от точности измерения), которые явно говорят о конкретном угле, то есть значение угла поворота специальным образом кодируется (код Грея). Понять принцип его работы лучше поможет следующая схема.

Рис. 3. Схема принципа работы абсолютного энкодера

Рис. 4. Схема принципа работы абсолютного энкодера

Конструктивно (в зависимости от технологии измерения) экодеры могут быть:

• Оптическими;
• Магнитными;
• Резисторными.

Подключение и работа с энкодерами в Arduino в первую очередь зависит от способа кодирования угла.

Начнём с инкрементных датчиков.

Подключение инкрементных энкодеров

Чтобы притянуть контакты датчика к логической единице, необходимо использовать резисторы (10кОм). Типовая схема выглядит следующим образом (плата выбрана для примера, входные контакты на Ардуино могут быть изменены на другие).

Рис. 5. Типовая схема

Здесь приведён пример с использованием энкодера с кнопкой (есть и такие модели, кнопкой служит сама ручка).

При использовании Atmega можно просто включить встроенные резисторы микроконтроллера специальной командой.

Если вы сталкиваетесь с дребезгом датчика (довольно частое явление для замыкающихся контактов, а именно они используются в инкрементных энкодерах), можно аппаратно решить проблему путём сборки следующей схемы.

Рис. 6. Типовая схема

Существует и программный способ сглаживания дребезга за счёт использования логики прерываний (смотри скетч во вложениях к материалу). Но подключение прибора следует выполнять только на 2 и 3 пины.

Простейший код для обработки данных с датчика выглядит следующим образом.

Для более сложных задач можно использовать готовые библиотеки, например:

• https://github.com/GreyGnome/AdaEncoder
• https://github.com/PaulStoffregen/Encoder
• https://github.com/mathertel/RotaryEncoder
• и другие.

Во вложении можно найти готовый скетч (см. здесь) с подробными комментариями для работы с меню (часто используемый функционал для энкодеров с кнопкой).

Отрабатывается перемещение по иерархии меню и выбор между доступными пунктами.

Подключение абсолютных энкодеров

Абсолютные энкодеры не так распространены, как инкрементные. И схема подключения во многом зависит от требований производителя. Так, например, высокоточный 128-битный датчик Bourns ACE-128 легко подключается к Ардуино или Raspberry Pi. Производитель предлагает свои собственные библиотеки для работы с энкодером и даже типовую схему для тестирования функционала.

Схема соединения выглядит так.

Рис. 7. Схема соединения энкодеров

А схема для тестирования с выводом числового показателя угла поворота на дисплей, так.

Рис. 8. Схема для тестирования с выводом числового показателя угла поворота на дисплей

Готовая библиотека для Arduino, подробные инструкции и примеры скетчей можно найти на ГитХабе: https://github.com/arielnh56/ACE128

Аналогично и с изделиями других производителей – необходимо изучать их рекомендации.

Arduino и энкодер

Энкодер – общее название устройств, преобразующих одну величину в другую. В данном случае энкодер – это устройство, преобразующее вращательное механическое движение в цифровой сигнал, а сам энкодер в этом случае называется “поворотным” (вращательным, круговым). В наборе GyverKIT идёт инкрементальный поворотный энкодер с кнопкой, который служит очень удобным органом управления для электронного устройства и заменяет сразу несколько кнопок или джойстик, обеспечивая быструю навигацию по пунктам меню и изменение настроек. По сути похож на потенциометр, но не имеет ограничения по углу поворота. Особенности данного модуля:

• Качественный инкрементальный энкодер с кнопкой
• 20 “щелчков” на один оборот
• Выведено питание (5V, GND), два пина энкодера (S1, S2) и пин кнопки (KEY)
• Работает также от 3.3V (для Wemos)
• Все логические пины подтянуты к VCC резисторами на плате
• RC цепи гашения дребезга на выводах энкодера

Инкрементальный энкодер выдаёт импульсные логические сигналы со своих пинов на каждый щелчок. Сигналы отличаются по фазе, что позволяет определить направление текущего щелчка.

Алгоритмы опроса энкодера мы рассматривать не будем, это тема для отдельного серьёзного урока, поэтому научимся подключать модуль и работать с готовой библиотекой.

Подключение

Модуль подключается на питание, логические выводы – на любые цифровые пины. В случае с Wemos – на все кроме D8, так как подтяжка к VCC помешает МК запуститься. Подключу выводы энкодера на D2 и D3, а кнопку – на D4.

Библиотеки

Существует несколько библиотек для работы с энкодером, например:

В примерах на этом сайте мы будем использовать EncButton, т.к. она имеет самый большой набор вариантов опроса энкодера (поворот, нажатый поворот, быстрый поворот), а также хорошо оптимизирована и поддерживает расширенную работу с кнопкой. Библиотека идёт в архиве к набору GyverKIT, а свежую версию всегда можно установить/обновить из встроенного менеджера библиотек Arduino по названию EncButton. Краткая документация находится по ссылке выше, базовые примеры есть в самой библиотеке.

Внимание! 22.08.2023 библиотека EncButton обновилась и работа с ней чуть отличается от старой версии, см. документацию по ссылке выше.

Примеры

Меняем значение переменной

/* Меняем значение переменной при помощи энкодера Обычный поворот +-1 "Нажатый" поворот +-5 */ #include EncButton enc(2, 3, 4); void setup() < // порт для связи Serial.begin(9600); >int val = 0; // будем управлять этой переменной void loop() < // опрос энкодера происходит тут enc.tick(); if (enc.right()) < val += 1; Serial.println(val); >if (enc.left()) < val -= 1; Serial.println(val); >if (enc.rightH()) < val += 5; Serial.println(val); >if (enc.leftH()) < val -= 5; Serial.println(val); >>

Подключение энкодера к Ардуино и новый код обработки для него

Энкодер – это устройство преобразования механического перемещения или угловых изменений положения в цифровой сигнал. В статье рассматривается самый популярный в DIY сообществе инкрементальный энкодер EC11 с кнопкой. При его вращении на выходах A и B формируются TTL сигналы в виде импульсов сдвинутые между собой по фазе на 90 градусов. Таким образом с его помощью, можно определить направление и скорость вращения, а так же рассчитать угол поворота. В отличие от потенциометров, KY-040 гораздо надежней и долговечней.

Немного подробностей

Собирая один из проектов с использованием encoder. Я не смог найти код для Ардуино выполняющий все мои условия. Так как для проекта нужно обрабатывать следующие команды: “Вращение без нажатия”, “Вращение с нажатием”, “Нажатие” и “Длинное нажатие”, а так же требуется стабильная работа энкодера. Скетчи использующие один пин с прерыванием INT0 или INT1, работают отвратительно и при вращении вала энкодера вылетает очень много ошибок. Код без использования прерываний работает стабильно, но он не работает в фоновом режиме, его нужно встраивать в тело основной программы, что в свою очередь приводит к не своевременному срабатыванию обработчика и пропускам при вращении энкодера. Еще хуже обстоят дела с обработкой нажатия с вращением вала энкодера и обычным с нажатием. Пришлось написать свой код обработки, который исключает описанные выше проблемы. С дребезгом контактов я не стал бороться программно, так как это приводит к задержкам обработки. Проще и надежней использовать керамические конденсаторы.

Схема подключения энкодера к Ардуино

Для считывания сигналов с выходов EC-11, нужно использовать три цифровых входа Arduino.
В схеме подключения я использовал редко используемые мной в своих проектах выводы Arduino(A1, A2 и A3). Внешние подтягивающие резисторы отсутствуют, так как я использовал внутреннюю подтяжку микроконтроллера. Конденсаторы нужны для гашения импульсов дребезга контактов. Если у вас новый и хороший энкодер, то можно обойтись и без них. Но на кнопку в любом случае потребуется конденсатор, так как ее дребезг неизбежен.

Скетч для Ардуино

Для того что бы отслеживать изменение положения энкодера в фоновом режиме, я использую прерывание PCINT1. Обработка всех функций происходит в прерывании, обработчик в зависимости от произошедшего действия изменяет переменную enc_state. Если значение переменной enc_state=0 – ничего не произошло, enc_state=1 – экодер вращался без нажатия, enc_state=2 – экодер вращался с нажатием, enc_state=3 – было нажатие на кнопку, enc_state=4 – было длинное нажатие на кнопку, Прерывание будет срабатывать каждый раз по изменению состояния входов, как с высокого уровня на низкий, так и наоборот. То есть при одном щелчке энкодера прерывание сработает 4 раза. Или по 2 раза для каждого из входов. Но обработчик выдаст сигнал поворота только 1 раз на все 4 прерывания.
Код обработчика при каждом срабатывании записывает в переменную lastcomb состояние входов, к которым подключен энкодер. И ждет состояние когда выходы A и B будут замкнуты на GND, это гарантированный сигнал того, что энкодер вращается. После того как этот сигнал получен, обработчик проверяет в какую сторону было вращение. Для этого он сравнивает его предыдущее значение из переменной lastcomb и в зависимости от фазы сдвига определит в какую сторону был поворот ротора. Как я писал ранее, сложнее всего отслеживать нажатие кнопки. Так как использовать определенные тайминги я не планировал, потому, что они неизбежно приводят длительным задержкам работы обработчика и основной программы, или требуют использование таймера, которых в микроконтроллере всего 3 шт. их, как правило никогда не хватает. Собственно проблема состояла в том, чтобы разделить “нажатие с последующим вращением” от простого нажатия. В итоге как вы уже можете убедиться, я решил эту задачу. Оптимизацией кода я не стал заниматься, потому как все работает и меня все устраивает. Для наглядности в коде все действия с энкодером отображаются в Serial мониторе программы Adruino IDE.

/* Код написан при содействии магазина DUINO.RU и является его собственностью. При публичном размещении кода ссылка на первоисточник обязательна. */ #define btn_long_push 1000 // Длительность долинного нажатия кнопки volatile uint8_t lastcomb=7, enc_state, btn_push=0; volatile int enc_rotation=0, btn_enc_rotate=0; volatile boolean btn_press=0; volatile uint32_t timer; //******************************** void setup() < pinMode(A1,INPUT_PULLUP); // ENC-A pinMode(A2,INPUT_PULLUP); // ENC-B pinMode(A3,INPUT_PULLUP); // BUTTON PCICR = 0b00000010; // PCICR |= (1<//**************************************** void loop() < switch (enc_state) < case 1: < Serial.print("Вращение без нажатия "); Serial.println(enc_rotation); >break; case 2: < Serial.print("Вращение с нажатием "); Serial.println(btn_enc_rotate); >break; case 3: Serial.println("Нажатие кнопки "); break; case 4: Serial.println("Длинное нажатие кнопки "); break; > enc_state=0; //обнуляем статус энкодера > //**************************************** ISR (PCINT1_vect) //Обработчик прерывания от пинов A1, A2, A3 < uint8_t comb = bitRead(PINC, 3) if (comb == 0) //Если было промежуточное положение энкодера и нажатие, то проверяем его предыдущее состояние < if (lastcomb == 1) --btn_enc_rotate; //вращение по часовой стрелке if (lastcomb == 2) ++btn_enc_rotate; //вращение против частовой enc_state=2; // был поворот энкодера с нажатием enc_rotation=0; //обнулить показания вращения без нажатия btn_press=0; //обнулить показания кнопки >if (comb == 7 && lastcomb == 3 && btn_press) //Если было отпусание кнопки, то проверяем ее предыдущее состояние < if (millis() - timer >btn_long_push) // проверяем сколько прошло миллисекунд < enc_state=4; // было длинное нажатие >else < enc_state=3; // было нажатие >btn_press=0; //обнулить статус кнопки > timer = millis(); //сброс таймера lastcomb = comb; //сохраняем текущее состояние энкодера >

Заключение

Результат работы кода меня порадовал и теперь я могу продолжить работу над своим новым проектом, который скоро здесь выложу. Надеюсь эта короткая статья вам понравилась и вы сможете воспользоваться моей наработкой в своих самоделках.
Если у Вас остались вопросы и замечания, пишите их в комментариях. Я с удовольствием на них отвечу.

2 комментария

Ivan 29 ноября 2023 00:44

Как подключить инкрементальный энкодер к Ардуино

Часто в устройствах на микроконтроллерах нужно организовать управление пунктами меню или реализовать какие-то регулировки. Есть множество способов: использовать кнопки, переменные резисторы или энкодеры. Инкрементальный энкодер позволяет управлять чем-либо посредством бесконечного вращения ручки. В этой статье мы рассмотрим, как заставить работать инкрементальный энкодер и Arduino.

Особенности инкрементального энкодера

Инкрементальный энкодер, как и энкодеры любых других типов представляют собой устройство с вращающейся рукоятью. Отдаленно он напоминает потенциометр. Основным отличием от потенциометра является то, что рукоять энкодера вращается на 360 градусов. У него нет крайних положений.

Энкодеры бывают разных типов. Инкрементальный отличается тем, что с его помощью нельзя узнать положение рукояти, а только сам факт вращения в какую-то сторону – влево или вправо. По количеству импульсов сигнала вы уже можете рассчитать на какой угол он повернулся.

Таким образом вы можете передать микроконтроллеру команду, управлять меню, уровнем громкости, например, и так далее. В быту вы могли их видеть в автомагнитолах и другой технике. Его используют в качестве многофункционального органа регулировки уровней, эквалайзера и навигации по меню.

Принцип работы

Внутри инкрементального энкодера есть диск с метками и ползунки, которые с ними соприкасаются. Его строение подобно потенциометру.

На рисунке сверху вы видите диск с метками, они нужны для прерывания электрического соединения со подвижным контактом, в результате вы получаете данные о направлении вращения. Конструкция изделия не столь важна, давайте разберемся в принципе работы.

У энкодера есть три информационных вывода один общий, остальные два обычно называют «A» и «B», на рисунке выше вы видите цоколевку энкодера с кнопкой – вы можете получать сигнал при нажатии на его вал.

Какой сигнал мы получим? В зависимости от направления вращения логическая единица сначала появится на выводе A или B, таким образом мы получаем сдвинутый по фазе сигнал, а этот сдвиг позволяет определить в какую сторону. Сигнал получается в виде прямоугольной формы, а управление микроконтроллером происходит после обработки данных направления вращения и количества импульсов.

На рисунке изображено условное обозначение диска с контактами, по середине график выходных сигналов, а справа таблица состояний. Этот прибор часто рисуют как две клавиши, что логично, ведь фактически мы получаем сигнал «вперед» или «назад», «вверх» или «вниз», и количество воздействий.

Вот пример цоколевки реального энкодера:

Интересно:

Неисправный энкодер можно заменить двумя кнопками без фиксации, и наоборот: самоделку управление в которой осуществляется двумя такими кнопками можно доработать, установив энкодер.

На видео ниже вы видите чередование сигнала на выводах – при плавных вращениях светодиоды загораются в последовательности отраженной на предыдущем графике.

Не менее наглядно это проиллюстрировано на следующей анимации (нажмите на рисунок):

Энкодер может быть и оптическим (сигнал формируется излучателями фотоприемниками, см. на рисунке ниже), и магнитным (работает на эффекте Холла). В таком случае у него нет контактов и больше срок службы.

Как уже было сказано, направление вращения можно определить по тому, какой из выходных сигналов раньше изменился, а вот так это выглядит на практике!

Точность управления зависит от разрешения энкодера – количества импульсов на оборот. Количество импульсов может быть от единиц до тысяч штук. Так как энкодер может выступать в качестве датчика положения, то чем больше импульсов – тем точнее будет происходить определение. Этот параметр обозначается как PPR – pulse per revolution.

Но есть небольшой нюанс, а именно похожее обозначение LPR – это количество меток на диске.

А количество обрабатываемых импульсов. Каждая метка на диске даёт 1 прямоугольный импульс на каждом из двух выходов. У импульса есть два фронта – задний и передний. Так как выхода два то с каждого из них мы в сумме получаем 4 импульса значения которых вы можете обработать.

Явно полезное:

Подключаем энкодер к Arduino

Мы разобрались с тем что нужно знать об инкрементальном энкодере, теперь давайте узнаем, как подключить его к Ардуино. Рассмотрим схему подключения:

Модуль энкодера – это плата на которой расположен инкрементальный энкодер и подтягивающие резисторы. Пины можно использовать любые.

Если у вас не модуль, а отдельный энкодер, вам всего лишь нужно добавить эти резисторы, схема не будет ничем отличаться принципиально. Для проверки направления вращения и работоспособности его в связке с Ардуино мы можем прочитать информацию с последовательного порта.

Разберем код подробнее, по порядку. В void setup() мы объявили что будем использовать связь через последовательный порт, а затем установили пины 2 и 8 в режим входа. Номера пинов выбираете сами исходя из вашей схемы подключения. Константа INPUT_PULLUP выставляет режим входа, у ардуино есть два варианта:

• INPUT – вход без подтягивающих резисторов;
• INPUT_PULLUP – подключение ко входу подтягивающих резисторов. Внутри микроконтроллера уже есть резисторы, через которые вход соединяется с плюсом питания (pullup).

Если вы используете резисторы для подтяжки к плюсу питания как изображено на схемах, приведенных выше или используете модуль энкодера – пользуйтесь командой INPUT, а если по какой-то причине не можете или не хотите использовать внешние резисторы – INPUT_PULLUP.

Логика основной программы следующая: если на входе «2» у нас единица – выдаёт в монитор порта H, если нет – L. Таким образом при вращении в одну сторону на мониторе последовательного порта получится что-то вроде этого: LL HL HH LH LL. А в обратную: LL LH HH HL LL.

Если вы внимательно прочли строки, то наверняка заметили, что в одном случае первый символ приобретал значение, а в другом случае сначала изменялся второй символ.

Заключение

Инкрементальные энкодеры нашли широкое практическое применение в усилителях для акустических систем – их использовали в качестве органа управления регулятора громкости, в автомагнитолах – для регулировки параметров звука и навигации по меню, в компьютерных мышках с его помощью вы ежедневно прокручиваете страницы (на его вале установлено колесико). А также в измерительных инструментах, ЧПУ станках, роботах, в сельсинах не только в качестве органов управления, но и измерения величин и определения положения.

• Микроконтроллеры программируемые на JavaScript: какой выбрать, характеристики и возможности
• Самые популярные датчики для Ардуино
• Ардуино и шаговый двигатель: основы, схемы, подключение и управление

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Схемы на микроконтроллерах

Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день

Поделитесь этой статьей с друзьями: