SENSORS/ACTUATORS

INTERNET OF THING (IoT)

Arduino Bộ mã hóa quay

Trong bài hướng dẫn này, chúng ta sẽ học cách sử dụng bộ mã hóa gia tăng với Arduino. Cụ thể, chúng ta sẽ học:

Cách hoạt động của bộ mã hóa quay
Bộ mã hóa quay so với biến trở
Cách kết nối bộ mã hóa quay với Arduino
Cách lập trình Arduino để đọc hướng và vị trí từ bộ mã hóa quay mà không có ngắt
Cách lập trình Arduino để đọc hướng và vị trí từ bộ mã hóa quay với ngắt

Phần cứng cần chuẩn bị

1	×	Arduino Uno R3
1	×	USB 2.0 cable type A/B (for USB-A PC)
1	×	USB 2.0 cable type C/B (for USB-C PC)
1	×	encoder xoay
1	×	dây jumper
1	×	(Khuyến nghị) Screw Terminal Block Shield for Arduino Uno
1	×	(Khuyến nghị) Breadboard Shield for Arduino Uno
1	×	(Khuyến nghị) Enclosure for Arduino Uno
1	×	(Khuyến nghị) Prototyping Base Plate & Breadboard Kit for Arduino UNO

Or you can buy the following kits:

1	×	DIYables STEM V3 Starter Kit (Arduino included)
1	×	DIYables Sensor Kit (30 sensors/displays)
1	×	DIYables Sensor Kit (18 sensors/displays)

Về Bộ Mã Hóa Quay

Bộ mã hóa quay là một thiết bị điện cơ có chức năng chuyển đổi chuyển động quay thành tín hiệu điện. Nó đo vòng quay và vị trí của một trục hoặc núm. Có hai loại chính:

Bộ mã hóa gia tăng: tạo ra các xung để đo sự thay đổi tương đối
Bộ mã hóa tuyệt đối: cung cấp một mã số kỹ thuật số duy nhất cho mỗi vị trí, làm cho chúng lý tưởng cho định vị chính xác ngay cả sau khi nguồn bị mất.

Hướng dẫn này nói về bộ mã hóa gia tăng.

Sơ đồ chân của mô-đun mã hóa quay

Một mô-đun mã hóa quay có 4 chân:

Chân CLK (Đầu ra A): là xung chính cho biết lượng quay đã xảy ra. Mỗi khi bạn xoay núm một nấc (click) ở bất kỳ hướng nào, chân CLK sẽ phát ra tín hiệu hoàn thành một chu trình đầy đủ (LOW → HIGH → LOW).
Chân DT (Đầu ra B): hoạt động như chân CLK nhưng tín hiệu phát ra trễ hơn CLK 90 độ. Nó giúp ta xác định hướng quay (theo kim đồng hồ hoặc ngược kim đồng hồ).
Chân SW: là tín hiệu từ nút nhấn bên trong encoder. Nó thường mở. Nếu chúng ta sử dụng điện trở kéo lên ở chân này, chân SW sẽ ở HIGH khi núm không được nhấn, và LOW khi được nhấn.
Chân VCC (+): cần được kết nối với nguồn VCC (từ 3,3 V đến 5 V).
Chân GND: cần được kết nối với GND (0 V).

Bộ mã hóa quay so với biến trở

Bạn có thể bị nhầm lẫn giữa bộ mã hóa quay và Arduino - Biến trở. Tuy nhiên, chúng là hai thành phần khác nhau. Dưới đây là một so sánh giữa chúng:

Bộ mã hóa quay giống như phiên bản hiện đại của điện trở biến thiên, nhưng nó có thể làm được nhiều chức năng hơn.
Bộ mã hóa quay có thể quay vòng 360 độ liên tục mà không dừng lại, trong khi điện trở biến thiên chỉ có thể quay được khoảng 3/4 vòng.
Bộ mã hóa quay phát ra xung, trong khi điện trở biến thiên phát ra điện áp tương tự.
Bộ mã hóa quay tiện dụng khi bạn chỉ cần biết mức di chuyển của núm vặn, chứ không cần biết chính xác nó đang ở vị trí nào. Điện trở biến thiên hữu ích khi bạn thực sự cần biết chính xác núm vặn đang ở vị trí nào.

Cách hoạt động của bộ mã hóa quay

Ở bên trong bộ mã hóa, có một đĩa với các khe được nối tới một chân gọi là C, chân này giống như đất chung. Còn có hai chân nữa là A và B.

Khi bạn xoay núm, các chân A và B chạm vào chân đất chung C, nhưng theo một trình tự nhất định tùy vào hướng xoay của núm (theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ).
Những lần chạm này tạo ra hai tín hiệu. Chúng lệch thời gian so với nhau do một chân chạm đất trước chân kia. Hai tín hiệu cách nhau 90 độ về thời gian. Điều này được gọi là mã hóa vuông góc.
Khi bạn xoay núm theo hướng kim đồng hồ, chân A chạm đất trước chân B. Khi bạn xoay núm theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, chân B chạm đất trước chân A.
Bằng cách theo dõi thời điểm mỗi chân chạm vào đất hoặc rời khỏi đất, chúng ta có thể xác định núm đang quay theo hướng nào. Chúng ta làm điều này bằng cách xem chân B phản ứng thế nào khi chân A thay đổi.

Khi A thay đổi trạng thái từ THẤP sang CAO:

Nếu B ở mức thấp, nút vặn quay theo chiều kim đồng hồ.
Nếu B ở mức cao, nút vặn quay ngược chiều kim đồng hồ.

※ Lưu ý:

Pin A và B được kết nối với các chân CLK và DT. Tuy nhiên, tùy thuộc vào nhà sản xuất, thứ tự có thể khác nhau. Các mã được cung cấp dưới đây đã được kiểm tra với bộ mã hóa quay từ DIYables

Cách lập trình cho bộ mã hóa quay

Kiểm tra tín hiệu từ chân CLK
Nếu trạng thái thay đổi từ LOW sang HIGH, kiểm tra trạng thái của chân DT.

Nếu trạng thái của chân DT là HIGH, núm vặn quay theo chiều ngược kim đồng hồ, tăng bộ đếm lên 1
Nếu trạng thái của chân DT là LOW, núm vặn quay theo chiều kim đồng hồ, giảm bộ đếm xuống 1

Sơ đồ đấu dây

sơ đồ nối dây cho bộ mã hóa quay Arduino

This image is created using Fritzing. Click to enlarge image

Mã Arduino – Bộ mã hóa quay không dùng ngắt

Mã Arduino dưới đây thực hiện:

Nhận diện hướng và lượng quay của bộ mã hóa.

Nếu phát hiện núm quay đã quay một nấc (click) theo chiều kim đồng hồ, tăng bộ đếm lên một.
Nếu phát hiện núm quay đã quay một nấc (click) theo ngược chiều kim đồng hồ, giảm bộ đếm xuống một.

Nhận biết khi nút được nhấn.

/* * Mã Arduino này được phát triển bởi newbiely.vn * Mã Arduino này được cung cấp để sử dụng công khai, không có ràng buộc. * Để xem hướng dẫn chi tiết và sơ đồ kết nối, vui lòng truy cập: * https://newbiely.vn/tutorials/arduino/arduino-rotary-encoder */ #include <ezButton.h> // the library to use for SW pin #define CLK_PIN 2 #define DT_PIN 3 #define SW_PIN 4 #define DIRECTION_CW 0 // clockwise direction #define DIRECTION_CCW 1 // counter-clockwise direction int counter = 0; int direction = DIRECTION_CW; int CLK_state; int prev_CLK_state; ezButton button(SW_PIN); // create ezButton object that attach to pin 4 void setup() { Serial.begin(9600); // configure encoder pins as inputs pinMode(CLK_PIN, INPUT); pinMode(DT_PIN, INPUT); button.setDebounceTime(50); // set debounce time to 50 milliseconds // read the initial state of the rotary encoder's CLK pin prev_CLK_state = digitalRead(CLK_PIN); } void loop() { button.loop(); // MUST call the loop() function first // read the current state of the rotary encoder's CLK pin CLK_state = digitalRead(CLK_PIN); // If the state of CLK is changed, then pulse occurred // React to only the rising edge (from LOW to HIGH) to avoid double count if (CLK_state != prev_CLK_state && CLK_state == HIGH) { // if the DT state is HIGH // the encoder is rotating in counter-clockwise direction => decrease the counter if (digitalRead(DT_PIN) == HIGH) { counter--; direction = DIRECTION_CCW; } else { // the encoder is rotating in clockwise direction => increase the counter counter++; direction = DIRECTION_CW; } Serial.print("DIRECTION: "); if (direction == DIRECTION_CW) Serial.print("Clockwise"); else Serial.print("Counter-clockwise"); Serial.print(" | COUNTER: "); Serial.println(counter); } // save last CLK state prev_CLK_state = CLK_state; if (button.isPressed()) { Serial.println("The button is pressed"); } }

Để đơn giản hóa mã debounce cho nút, thư viện ezButton được sử dụng.

Hướng dẫn từng bước

Cài đặt thư viện ezButton trên Arduino IDE. Xem How To
Sao chép mã ở trên và mở bằng Arduino IDE
Nhấn nút Upload trên Arduino IDE để tải mã lên cho Arduino
Quay núm theo chiều kim đồng hồ, rồi quay ngược chiều kim đồng hồ
Nhấn núm
Xem kết quả trên Serial Monitor.

COM6

Send

Autoscroll Show timestamp

Clear output

9600 baud

Newline

Giải thích mã nguồn

Xem các chú thích theo từng dòng trong mã nguồn.

Mã Arduino – Bộ mã hóa quay với ngắt

Trong mã ví dụ trước, chúng ta sử dụng phương pháp polling, phương pháp này liên tục kiểm tra trạng thái của pin. Điều này có hai nhược điểm:

Lãng phí tài nguyên Arduino
Một số bộ đếm có thể bị bỏ qua nếu mã khác mất nhiều thời gian để thực thi.

Một cách tiếp cận để xử lý điều này là sử dụng ngắt. Ngắt loại bỏ nhu cầu phải liên tục kiểm tra một sự kiện cụ thể. Điều này cho phép Arduino thực hiện các tác vụ khác mà không bỏ lỡ một sự kiện.

Đây là một ví dụ về cách đọc một bộ mã hóa quay bằng ngắt.

/* * Mã Arduino này được phát triển bởi newbiely.vn * Mã Arduino này được cung cấp để sử dụng công khai, không có ràng buộc. * Để xem hướng dẫn chi tiết và sơ đồ kết nối, vui lòng truy cập: * https://newbiely.vn/tutorials/arduino/arduino-rotary-encoder */ #include <ezButton.h> // the library to use for SW pin #define CLK_PIN 2 #define DT_PIN 3 #define SW_PIN 4 #define DIRECTION_CW 0 // clockwise direction #define DIRECTION_CCW 1 // counter-clockwise direction volatile int counter = 0; volatile int direction = DIRECTION_CW; volatile unsigned long last_time; // for debouncing int prev_counter; ezButton button(SW_PIN); // create ezButton object that attach to pin 4 void setup() { Serial.begin(9600); // configure encoder pins as inputs pinMode(CLK_PIN, INPUT); pinMode(DT_PIN, INPUT); button.setDebounceTime(50); // set debounce time to 50 milliseconds // use interrupt for CLK pin is enough // call ISR_encoderChange() when CLK pin changes from LOW to HIGH attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(CLK_PIN), ISR_encoderChange, RISING); } void loop() { button.loop(); // MUST call the loop() function first if (prev_counter != counter) { Serial.print("DIRECTION: "); if (direction == DIRECTION_CW) Serial.print("Clockwise"); else Serial.print("Counter-clockwise"); Serial.print(" | COUNTER: "); Serial.println(counter); prev_counter = counter; } if (button.isPressed()) { Serial.println("The button is pressed"); } // TO DO: your other work here } void ISR_encoderChange() { if ((millis() - last_time) < 50) // debounce time is 50ms return; if (digitalRead(DT_PIN) == HIGH) { // the encoder is rotating in counter-clockwise direction => decrease the counter counter--; direction = DIRECTION_CCW; } else { // the encoder is rotating in clockwise direction => increase the counter counter++; direction = DIRECTION_CW; } last_time = millis(); }

Giờ đây, khi bạn xoay núm, bạn sẽ thấy thông tin xuất hiện trên Serial Monitor, giống như những gì bạn đã thấy trong mã trước đây.