一、旋轉(zhuǎn)編碼器概述

旋轉(zhuǎn)編碼器（Rotary Encoder），也稱(chēng)為軸編碼器，是一種將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)的傳感器。這些電氣信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，可以用于檢測(cè)位置、速度等參數(shù)。旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、機(jī)器人技術(shù)、精密測(cè)量、自動(dòng)化設(shè)備以及計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備等領(lǐng)域。作為一種集光機(jī)電技術(shù)于一體的速度位移傳感器，旋轉(zhuǎn)編碼器具有高精度、高分辨率、長(zhǎng)壽命和穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

二、旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理

旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理主要基于光電轉(zhuǎn)換或磁電轉(zhuǎn)換技術(shù)。以光電式旋轉(zhuǎn)編碼器為例，其工作原理簡(jiǎn)述如下：

1. 光電轉(zhuǎn)換過(guò)程 ：
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器的核心部件包括一個(gè)光柵盤(pán)（或稱(chēng)為碼盤(pán)）、發(fā)光元件（如LED）和接收元件（如光敏二極管或光敏三極管）。
   • 當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器的軸帶動(dòng)光柵盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤(pán)上的狹縫切割成斷續(xù)光線。這些斷續(xù)光線隨后被接收元件接收，并轉(zhuǎn)換為初始的電信號(hào)。
2. 信號(hào)處理 ：
   • 接收到的初始電信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)電路的處理，如放大、整形等，最終輸出為脈沖信號(hào)或代碼信號(hào)。這些信號(hào)可以直接被控制系統(tǒng)讀取和處理。
3. 方向判斷與計(jì)數(shù) ：
   • 對(duì)于增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，通常會(huì)有A、B兩相輸出信號(hào)，且兩相信號(hào)之間存在90度的相位差。通過(guò)檢測(cè)A、B兩相信號(hào)的相位關(guān)系，可以判斷旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。
   • 同時(shí)，通過(guò)計(jì)數(shù)A相或B相信號(hào)的脈沖數(shù)量，可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)角度或位移量。
4. 零位脈沖 ：
   • 部分旋轉(zhuǎn)編碼器還會(huì)提供一個(gè)Z相信號(hào)作為零位脈沖。每當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，Z相信號(hào)會(huì)輸出一個(gè)脈沖，用于校準(zhǔn)或作為參考零位。 # 三、旋轉(zhuǎn)編碼器的特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)編碼器作為一種高精度、高可靠性的傳感器，具有以下顯著特點(diǎn)：

1. 高精度與高分辨率 ：
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器能夠精確地將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，具有較高的測(cè)量精度和分辨率。例如，光學(xué)式增量型編碼器可以有較高的單圈脈沖數(shù)，如2500到10000個(gè)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)角度或位移量的精細(xì)測(cè)量。
2. 長(zhǎng)壽命與穩(wěn)定性 ：
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器采用無(wú)觸點(diǎn)的光電或磁電轉(zhuǎn)換技術(shù)，避免了傳統(tǒng)機(jī)械接觸式傳感器因磨損而導(dǎo)致的性能下降問(wèn)題。因此，旋轉(zhuǎn)編碼器具有較長(zhǎng)的使用壽命和穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。
3. 多功能性 ：
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器不僅可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度或位移量，還可以根據(jù)輸出信號(hào)的頻率計(jì)算出旋轉(zhuǎn)速度。此外，通過(guò)配合其他傳感器或控制系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能和自動(dòng)化控制。
4. 適應(yīng)性強(qiáng) ：
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器具有多種類(lèi)型和規(guī)格可供選擇，如增量式、絕對(duì)值式、單路輸出、雙路輸出等。這些不同類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)編碼器可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和測(cè)量需求。
5. 易于安裝與維護(hù) ：
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝在各種機(jī)械設(shè)備上。同時(shí)，由于其無(wú)觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使得旋轉(zhuǎn)編碼器的維護(hù)成本相對(duì)較低。
6. 抗干擾能力強(qiáng) ：
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器采用光電或磁電轉(zhuǎn)換技術(shù)，信號(hào)傳輸過(guò)程中不易受到外界電磁干擾的影響。因此，旋轉(zhuǎn)編碼器在惡劣的工業(yè)環(huán)境中也能保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

四、旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用領(lǐng)域

旋轉(zhuǎn)編碼器因其高精度、高分辨率和穩(wěn)定可靠的性能特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用：

1. 工業(yè)自動(dòng)化 ：
   • 在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中，旋轉(zhuǎn)編碼器常被用于測(cè)量和控制機(jī)械部件的旋轉(zhuǎn)角度、位移量和速度等參數(shù)。通過(guò)與PLC、伺服電機(jī)等設(shè)備的配合使用，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和精確測(cè)量。
2. 機(jī)器人技術(shù) ：
   • 在機(jī)器人技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)編碼器被廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)角度的測(cè)量和控制。通過(guò)精確測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度和速度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡的精確控制。
3. 精密測(cè)量 ：
   • 在精密測(cè)量領(lǐng)域，如光學(xué)儀器、精密機(jī)床等場(chǎng)合中，旋轉(zhuǎn)編碼器常被用于測(cè)量微小的旋轉(zhuǎn)角度或位移量。其高精度和高分辨率的特點(diǎn)使得測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。
4. 計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備 ：
   • 在計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備中，如鼠標(biāo)和軌跡球等裝置中，也常采用旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)檢測(cè)用戶(hù)的旋轉(zhuǎn)操作。通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)角度和速度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光標(biāo)位置的精確控制。

五、旋轉(zhuǎn)編碼器的分類(lèi)

旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)其工作原理和輸出信號(hào)的特點(diǎn)，可以大致分為以下幾類(lèi)：

1. 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器 ：
   • 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器是最常見(jiàn)的一種類(lèi)型。它輸出的是與旋轉(zhuǎn)角度增量成正比的脈沖信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)A、B兩相的脈沖數(shù)量和相位差，可以確定旋轉(zhuǎn)的方向和角度。增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但每次上電或復(fù)位后，需要借助外部設(shè)備或算法來(lái)確定起始位置。
2. 絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器 ：
   • 絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，每個(gè)角度位置都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的編碼值。即使斷電或重啟，也能直接讀取當(dāng)前的角度位置，無(wú)需重新校準(zhǔn)。這種編碼器通常使用二進(jìn)制、格雷碼或BCD碼等方式進(jìn)行編碼，具有較高的抗干擾能力和可靠性。
3. 混合式旋轉(zhuǎn)編碼器 ：
   • 混合式旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)合了增量式和絕對(duì)值式的特點(diǎn)。它既能提供增量式的脈沖信號(hào)，又能通過(guò)內(nèi)部寄存器或外部接口輸出當(dāng)前的絕對(duì)位置值。這種編碼器在需要同時(shí)滿(mǎn)足高精度和快速定位的應(yīng)用場(chǎng)合中非常有用。
4. 單圈與多圈旋轉(zhuǎn)編碼器 ：
   • 單圈旋轉(zhuǎn)編碼器只能測(cè)量一圈內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度或位移量。而多圈旋轉(zhuǎn)編碼器則能夠記錄并輸出多圈旋轉(zhuǎn)的累積值，適用于需要大范圍旋轉(zhuǎn)測(cè)量的場(chǎng)合。

六、旋轉(zhuǎn)編碼器的選型與應(yīng)用注意事項(xiàng)

1. 精度與分辨率 ：
   • 根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的精度和分辨率。精度要求高的場(chǎng)合應(yīng)選擇高分辨率的編碼器。
2. 輸出信號(hào)類(lèi)型 ：
   • 根據(jù)控制系統(tǒng)或處理電路的兼容性，選擇合適的輸出信號(hào)類(lèi)型（如TTL、HTL、RS-422等）。
3. 工作環(huán)境 ：
   • 考慮工作環(huán)境中的溫度、濕度、振動(dòng)、電磁干擾等因素，選擇適合該環(huán)境的編碼器。
4. 安裝方式 ：
   • 根據(jù)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)和空間限制，選擇合適的安裝方式（如軸向安裝、徑向安裝等）。
5. 防護(hù)等級(jí) ：
   • 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的防塵、防水需求，選擇具有相應(yīng)防護(hù)等級(jí)的編碼器。
6. 成本考慮 ：
   • 在滿(mǎn)足性能要求的前提下，綜合考慮編碼器的成本，選擇性?xún)r(jià)比高的產(chǎn)品。

七、旋轉(zhuǎn)編碼器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能制造和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，旋轉(zhuǎn)編碼器作為重要的傳感器元件，也在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新。未來(lái)，旋轉(zhuǎn)編碼器的發(fā)展趨勢(shì)可能包括以下幾個(gè)方面：

1. 更高精度與更高分辨率 ：
   • 隨著精密制造技術(shù)的進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)編碼器的精度和分辨率將得到進(jìn)一步提升，以滿(mǎn)足更高精度的測(cè)量需求。
2. 智能化與網(wǎng)絡(luò)化 ：
   • 將智能芯片和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)融入旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能分析，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和智能化程度。
3. 小型化與集成化 ：
   • 隨著電子元器件的小型化和集成化趨勢(shì)，旋轉(zhuǎn)編碼器也將朝著更小的體積和更高的集成度方向發(fā)展，以適應(yīng)更緊湊的機(jī)械設(shè)備空間。
4. 多功能化與定制化 ：
   • 根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合的特定需求，開(kāi)發(fā)具有多種功能和定制化特性的旋轉(zhuǎn)編碼器，以滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求。
5. 環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展 ：
   • 注重旋轉(zhuǎn)編碼器的環(huán)保性能和可持續(xù)發(fā)展能力，采用環(huán)保材料和節(jié)能設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品的生命周期成本和環(huán)境影響。

總之，旋轉(zhuǎn)編碼器作為工業(yè)自動(dòng)化和精密測(cè)量領(lǐng)域中的重要傳感器元件，其性能和應(yīng)用范圍將隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步而不斷拓展。未來(lái)，旋轉(zhuǎn)編碼器將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為智能制造和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供有力支持。

八、帶 Arduino 的旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計(jì)

1、帶 Arduino 的旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計(jì)（一）

旋轉(zhuǎn)編碼器可用于計(jì)數(shù)操作，它將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)數(shù)字信號(hào)，可以無(wú)限制地旋轉(zhuǎn)360°并給出脈沖輸出。本文將提供基本的 Arduino 旋轉(zhuǎn)編碼器接口細(xì)節(jié)以及傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)編碼器的操作。

旋轉(zhuǎn)編碼器

該旋轉(zhuǎn)編碼器分線板有五個(gè)引腳，

• GND → 接地電源
• • → +5V 電源
• SW → 按鈕開(kāi)關(guān)
• DT → 編碼器引腳 B
• CLK → 編碼器引腳 A

當(dāng)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器引腳 A 處生成與編碼器引腳 B 90° 異相的輸出脈沖。

順便說(shuō)一句，當(dāng)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器輸出引腳 A 和 B 處生成的輸出會(huì)反轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)編碼器Arduino接口

將旋轉(zhuǎn)編碼器的電源引腳連接到Arduino板，+連接到5V，Gnd連接到Gnd。然后將 CLK（編碼器輸出 A）引腳連接到 Arduino 數(shù)字引腳 D2，將 DT（編碼器輸出 B）引腳連接到數(shù)字引腳 D1。完成連接后，上傳以下草圖以獲取串行監(jiān)視器中旋轉(zhuǎn)編碼器的角度和位置。

旋轉(zhuǎn)編碼器的 Arduino 代碼

#define encoderOutA 2 // CLK pin of Rotary Enocoder
 #define encoderOutB 1 // DT pin of Rotary Enocoder
 
 int counter = 0; 
 int presentState;
 int previousState;  
 void setup() { 
   pinMode (encoderOutA,INPUT);
   pinMode (encoderOutB,INPUT);
   
   Serial.begin (9600);
      previousState = digitalRead(encoderOutA);   // Get current state of the encoderOutA
 } 
 void loop() { 
   presentState = digitalRead(encoderOutA); 
      if (presentState != previousState)
      {     
          if (digitalRead(encoderOutB) != presentState) 
          { 
       counter ++;
     } 
     else {
       counter --;
     }
     Serial.print("Position: ");
     Serial.println(counter);
   } 
   previousState = presentState; // Replace previous state of the encoderOutA with the current state
 }

在Arduino代碼中，首先定義輸出引腳并將計(jì)數(shù)初始化為0，然后聲明當(dāng)前和先前的狀態(tài)變量。通過(guò)使用“IF”條件循環(huán)，獲取旋轉(zhuǎn)編碼器的當(dāng)前狀態(tài)并與之前的狀態(tài)進(jìn)行比較。如果沒(méi)有變化，則計(jì)數(shù)保持不變，否則，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)計(jì)數(shù)值增加，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)計(jì)數(shù)值減少。

2、帶 Arduino 的旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計(jì)（二）

介紹

為了確定旋轉(zhuǎn)軸的角位置，使用了稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)編碼器的傳感器。因此，傳感器根據(jù)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電信號(hào)。該傳感器在包裝、紡織、印刷、機(jī)器人等不同行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。因此，在本文中，我們將連接“旋轉(zhuǎn)編碼器與 Arduino UNO”。旋轉(zhuǎn)編碼器是電位計(jì)的現(xiàn)代化數(shù)字等效物，但它們的適應(yīng)性更強(qiáng)。

概述

硬件概述

該模塊包括一個(gè)圓盤(pán)，該圓盤(pán)具有連接到公共引腳 C 的等距接觸區(qū)域，以及另外兩個(gè)接觸引腳 A 和 B。

這個(gè)特殊的模塊位于一個(gè)帶有五個(gè)引腳的分線板上，我們將在本次 Arduino 演示中使用它。第一個(gè)是輸出 A 引腳，第二個(gè)是輸出 B 引腳，第三個(gè)是 Button 引腳，最后兩個(gè)引腳是 VCC 和 GND 引腳。

工作準(zhǔn)則

當(dāng)圓盤(pán)開(kāi)始逐步旋轉(zhuǎn)時(shí)，引腳A和B將與公共引腳接觸，從而產(chǎn)生兩個(gè)方波輸出信號(hào)。如果我們只計(jì)算信號(hào)的脈沖，我們就可以使用兩個(gè)輸出中的任何一個(gè)來(lái)確定旋轉(zhuǎn)位置。然而，如果我們希望確定旋轉(zhuǎn)方向，則必須同時(shí)分析兩個(gè)信號(hào)。

兩個(gè)輸出信號(hào)始終彼此相差 90 度。如果編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸出 A 將領(lǐng)先于輸出 B。

旋轉(zhuǎn)編碼器和電位器的區(qū)別

旋轉(zhuǎn)電位器和編碼器之間最明顯的區(qū)別是，編碼器可以沿任一方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而電位器只能順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定的量，然后必須停止。

因此，當(dāng)您需要知道旋鈕的確切位置時(shí)，電位器是最佳選擇。另一方面，旋轉(zhuǎn)編碼器適用于您只需要知道位置變化而不是確切位置的情況。

電路原理圖

Arduino代碼

// Rotary Encoder Inputs
#define CLK 2
#define DT 3
#define SW 4

int counter = 0;
int currentStateCLK;
int lastStateCLK;
String currentDir ="";
unsigned long lastButtonPress = 0;

void setup() {
	
	// Set encoder pins as inputs
	pinMode(CLK,INPUT);
	pinMode(DT,INPUT);
	pinMode(SW, INPUT_PULLUP);

	// Setup Serial Monitor
	Serial.begin(9600);

	// Read the initial state of CLK
	lastStateCLK = digitalRead(CLK);
}

void loop() {
	
	// Read the current state of CLK
	currentStateCLK = digitalRead(CLK);

	// If last and current state of CLK are different, then pulse occurred
	// React to only 1 state change to avoid double count
	if (currentStateCLK != lastStateCLK  && currentStateCLK == 1){

		// If the DT state is different than the CLK state then
		// the encoder is rotating CCW so decrement
		if (digitalRead(DT) != currentStateCLK) {
			counter --;
			currentDir ="CCW";
		} else {
			// Encoder is rotating CW so increment
			counter ++;
			currentDir ="CW";
		}

		Serial.print("Direction: ");
		Serial.print(currentDir);
		Serial.print(" | Counter: ");
		Serial.println(counter);
	}

	// Remember last CLK state
	lastStateCLK = currentStateCLK;

	// Read the button state
	int btnState = digitalRead(SW);

	//If we detect LOW signal, button is pressed
	if (btnState == LOW) {
		//if 50ms have passed since last LOW pulse, it means that the
		//button has been pressed, released and pressed again
		if (millis() - lastButtonPress > 50) {
			Serial.println("Button pressed!");
		}

		// Remember last button press event
		lastButtonPress = millis();
	}

	// Put in a slight delay to help debounce the reading
	delay(1);
}

工作說(shuō)明

要了解Arduino UNO的旋轉(zhuǎn)編碼器，請(qǐng)根據(jù)電路圖連接電路或按照連接表進(jìn)行連接。然后在Arduino IDE中編寫(xiě)上面給出的代碼，并將其上傳到ARDUINO UNO中。 Arduino 處理代碼并控制編碼器的輸出。因此，您將根據(jù)您的代碼觀察旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)。

代碼說(shuō)明

• 首先，定義編碼器的引腳，連接到Arduino的不同引腳。例如，CLK引腳連接到Arduino的引腳2，DT連接到引腳3，SW連接到引腳4。然后定義將在代碼中使用的不同變量。變量計(jì)數(shù)器代表旋轉(zhuǎn)電位器旋鈕時(shí)的計(jì)數(shù)。變量currentStateCLK和lastStateCLK用于保持 CLK 輸出的狀態(tài)。 currentDir 變量已定義為稍后用于在監(jiān)視器上打印方向。并且，lastButtonPress被定義為消除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)。
• 在 void 設(shè)置中，我們已將編碼器的引腳聲明為輸入。此外，為了從 CLK 引腳讀取值，我們提供了digitalRead (CLK ) 函數(shù)，并將該讀數(shù)存儲(chǔ)在變量lastStateCLK中。
• 在 void 循環(huán)中，為了從 CLK 引腳讀取當(dāng)前狀態(tài)，我們?cè)俅翁峁┖瘮?shù) digitalRead (CLK)， 并將其存儲(chǔ)在currentStateCLK中。然后我們給出if語(yǔ)句，將lastStateCLK與 currentStateCLK進(jìn)行比較，以確定旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)方向。如果不同，則說(shuō)明旋鈕為逆時(shí)針?lè)较颉Ｈ缓笪覀儗?a href="http://m.xsypw.cn/tags/電流/" target="_blank">電流設(shè)置為 CWW。如果相等，則說(shuō)明旋鈕為順時(shí)針?lè)较颉Ｈ缓笪覀儗?currentDir 設(shè)置為 CW。之后，我們用當(dāng)前狀態(tài)更新lastStateCLK。然后我們讀取開(kāi)關(guān)按鈕狀態(tài)并給出 if 函數(shù)。并且，根據(jù)該函數(shù)，如果按鈕保持低電平超過(guò) 50 毫秒，則會(huì)打印Button Pressed在串行監(jiān)視器上。 ## 應(yīng)用及用途
• 在傳送帶中控制速度和方向。
• 它可用于在各種電子項(xiàng)目中將大量輸入壓縮為少量輸出。
• 擠壓機(jī)、壓力機(jī)、焊機(jī)和不同的自動(dòng)化金屬成型機(jī)械。