旋转编码器的工作原理以及与Arduino的连接方法

风筝

旋转编码器（Rotary Encoder）是一种位置传感器，可将旋钮的角度位置（旋转）转换为输出信号，用于确定旋钮的旋转方向。

由于它们的稳健性和精细的数字控制；它们用于许多应用，包括机器人、CNC机器和打印机。

市场上有两种类型的旋转编码器 - 绝对式和增量式。绝对编码器以度为单位为我们提供旋钮的精确位置，而增量编码器报告轴移动了多少增量。本文中使用的旋转编码器是增量型的。

旋转编码器与电位器

旋转编码器是等效于现代数字的电位器，比电位器更通用。

它们可以完全旋转没有末端，而电位器只能旋转大约3/4圈。

电位器最适合需要知道旋钮确切位置的情况。但是，旋转编码器最适合您需要知道位置变化而不是确切位置的情况。

旋转编码器的工作原理

编码器内部是一个开槽圆盘，连接到公共接地引脚C，以及两个接触引脚A和B，如下图所示。

当您转动旋钮时，A和B会与公共接地引脚C接触，具体顺序取决于您转动旋钮的方向。

当它们与公共接地接触时，它们会产生信号。当一个引脚在另一个引脚之前接触时，这些信号彼此相位相差 90°。这称为正交编码。

顺时针转动旋钮时，首先连接A引脚，然后连接B引脚。当您逆时针转动旋钮时，首先连接B引脚，然后连接A引脚。

通过跟踪每个引脚何时连接和断开接地，我们可以使用这些信号变化来确定旋钮旋转的方向。您可以通过在A更改状态时简单地观察B的状态来做到这一点。

当A改变状态时：

如果 B != A，则旋钮顺时针旋转。

如果 B = A，则旋钮逆时针旋转。

旋转编码器引脚

旋转编码器的引脚分配如下：

GND 是接地连接。

VCC 是电源电压，通常为3.3或5V。

SW 是低电平有效按钮开关输出。按下旋钮时，电压变为低电平。

DT（输出 B）与 CLK 输出相同，但它比 CLK 滞后 90° 相移。该输出可用于确定旋转方向。

CLK（输出 A）是确定旋转量的主要输出脉冲。每次将旋钮沿任一方向旋转一个棘爪（咔嗒声）时，“CLK”输出都会经历一个从高电平到低电平的循环。

旋转编码器与Arduino开发板的硬件连接

现在我们已经了解了有关旋转编码器的一切，是时候使用它了！

让我们将旋转编码器连接到 Arduino。连接相当简单。首先将模块上的+V引脚连接到Arduino上的5V，GND引脚连接到地。

现在将CLK和DT引脚分别连接到数字引脚#2 和#3。最后，将SW引脚连接到数字引脚#4。

下图显示了接线。

读取旋转编码器的Arduino代码

现在您已经连接了编码器，您需要一个草图才能使其全部工作。

以下草图检测编码器何时旋转，确定其旋转方向以及按钮是否被按下。试试草图； 然后我们将详对其介绍。

1. // Rotary Encoder Inputs
   
2. #define CLK 2
   
3. #define DT 3
   
4. #define SW 4
   
5. 
   
6. int counter = 0;
   
7. int currentStateCLK;
   
8. int lastStateCLK;
   
9. String currentDir ="";
   
10. unsigned long lastButtonPress = 0;
    
11. 
    
12. void setup() {
    
13.         
    
14.         // Set encoder pins as inputs
    
15.         pinMode(CLK,INPUT);
    
16.         pinMode(DT,INPUT);
    
17.         pinMode(SW, INPUT_PULLUP);
    
18. 
    
19.         // Setup Serial Monitor
    
20.         Serial.begin(9600);
    
21. 
    
22.         // Read the initial state of CLK
    
23.         lastStateCLK = digitalRead(CLK);
    
24. }
    
25. 
    
26. void loop() {
    
27.         
    
28.         // Read the current state of CLK
    
29.         currentStateCLK = digitalRead(CLK);
    
30. 
    
31.         // If last and current state of CLK are different, then pulse occurred
    
32.         // React to only 1 state change to avoid double count
    
33.         if (currentStateCLK != lastStateCLK  && currentStateCLK == 1){
    
34. 
    
35.                 // If the DT state is different than the CLK state then
    
36.                 // the encoder is rotating CCW so decrement
    
37.                 if (digitalRead(DT) != currentStateCLK) {
    
38.                         counter --;
    
39.                         currentDir ="CCW";
    
40.                 } else {
    
41.                         // Encoder is rotating CW so increment
    
42.                         counter ++;
    
43.                         currentDir ="CW";
    
44.                 }
    
45. 
    
46.                 Serial.print("Direction: ");
    
47.                 Serial.print(currentDir);
    
48.                 Serial.print(" | Counter: ");
    
49.                 Serial.println(counter);
    
50.         }
    
51. 
    
52.         // Remember last CLK state
    
53.         lastStateCLK = currentStateCLK;
    
54. 
    
55.         // Read the button state
    
56.         int btnState = digitalRead(SW);
    
57. 
    
58.         //If we detect LOW signal, button is pressed
    
59.         if (btnState == LOW) {
    
60.                 //if 50ms have passed since last LOW pulse, it means that the
    
61.                 //button has been pressed, released and pressed again
    
62.                 if (millis() - lastButtonPress > 50) {
    
63.                         Serial.println("Button pressed!");
    
64.                 }
    
65. 
    
66.                 // Remember last button press event
    
67.                 lastButtonPress = millis();
    
68.         }
    
69. 
    
70.         // Put in a slight delay to help debounce the reading
    
71.         delay(1);
    
72. }

复制代码

如果一切正常，您应该在串口监视器上看到以下输出。

代码说明

首先在草图中声明编码器的CLK、DT和SW引脚连接到的Arduino引脚。

1. #define CLK 2
   
2. #define DT 3
   
3. #define SW 4

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接下来，定义了几个整数变量。变量counter表示每次将旋钮旋转一个定位器时将修改的计数。currentStateCLK和lastStateCLK变量保存CLK输出的状态，并用于确定旋转量。

在串口监视器上打印当前旋转方向时，将使用一个名为currentDir的字符串。

lastButtonPress变量用于消除开关的抖动。

1. int counter = 0;
   
2. int currentStateCLK;
   
3. int lastStateCLK;
   
4. String currentDir ="";
   
5. unsigned long lastButtonPress = 0;

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现在在setup()函数中，我们首先将与编码器的连接定义为输入，然后我们启用SW引脚上的输入上拉电阻。我们还设置了串口监视器。

最后，我们读取CLK引脚的当前值并将其存储在lastStateCLK变量中。

1. pinMode(CLK,INPUT);
   
2. pinMode(DT,INPUT);
   
3. pinMode(SW, INPUT_PULLUP);
   
4. 
   
5. Serial.begin(9600);
   
6. 
   
7. lastStateCLK = digitalRead(CLK);

复制代码

在loop()函数中，我们再次检查CLK状态并将其与lastStateCLK值进行比较。如果它们不同，则表示旋钮已转动并出现脉冲。我们还检查 currentStateCLK 的值是否为 1，以便仅对一个状态更改做出反应以避免重复计数。

1. currentStateCLK = digitalRead(CLK);
   
2. 
   
3. if (currentStateCLK != lastStateCLK  && currentStateCLK == 1){

复制代码

在if条件语句中，我们确定旋转方向。为此，我们只需读取编码器模块上的DT引脚并将其与CLK引脚的当前状态进行比较。

如果它们不同，则表示旋钮逆时针旋转。然后我们递减计数器并将 currentDir 设置为“CCW”。

如果两个值相同，则表示旋钮顺时针旋转。然后我们增加计数器并将 currentDir 设置为“CW”。

1. if (digitalRead(DT) != currentStateCLK) {
   
2.     counter --;
   
3.     currentDir ="CCW";
   
4. } else {
   
5.     counter ++;
   
6.     currentDir ="CW";
   
7. }

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然后我们在串口监视器上打印结果。

1. Serial.print("Direction: ");
   
2. Serial.print(currentDir);
   
3. Serial.print(" | Counter: ");
   
4. Serial.println(counter);

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在if条件语句之外，我们用CLK的当前状态更新lastStateCLK。

1. lastStateCLK = currentStateCLK;

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接下来是读取和去抖动按钮开关的逻辑。我们首先读取当前按钮状态，如果它为LOW，我们等待50毫秒来消除按钮的抖动。

如果按钮保持低电平超过50毫秒，我们会在串口监视器上打印“Button pressed!”。

1. int btnState = digitalRead(SW);
   
2. 
   
3. if (btnState == LOW) {
   
4.     if (millis() - lastButtonPress > 50) {
   
5.         Serial.println("Button pressed!");
   
6.     }
   
7.     lastButtonPress = millis();
   
8. }

复制代码