4.06.2. Лабораторная работа №4.6.2.md

Энкодер

Тема работы

Мы уже умеем управлять устройствами с помощью кнопок. Но что, если нам нужен более удобный и интуитивный орган управления, например, для выбора пункта в меню или плавной настройки параметра? В этой лабораторной работе мы познакомимся с инкрементальным энкодером и превратим его в «ручку» для переключения цветов на RGB-светодиоде по цветовому кругу. Вращаем по часовой — цвета меняются в одну сторону, вращаем против — в другую.

Цель

Понять принцип работы и устройство инкрементального энкодера.
Научиться определять не только факт, но и направление вращения.
Использовать аппаратные прерывания для точной обработки сигналов энкодера.
Создать интерактивное устройство с интуитивным управлением.

Оборудование и материалы

Отладочная плата Рудирон.
Макетная плата.
Модуль с инкрементальным энкодером.
1 RGB-светодиод с общим катодом.
3 резистора номиналом 220 Ом.
Соединительные провода.
USB-кабель для подключения Рудирона.
Компьютер с Arduino IDE.

Ход работы

Что такое энкодер и как он работает?

Инкрементальный энкодер — это датчик, который преобразует вращательное движение в последовательность электрических импульсов. В отличие от потенциометра, у него нет начального и конечного положения — его можно вращать бесконечно. Он не сообщает абсолютный угол, а лишь говорит: «Меня повернули на один шаг».

Внутри энкодера находится диск с чередующимися проводящими и непроводящими секторами. Два контакта (для каналов A и B) скользят по этому диску. При вращении они поочерёдно замыкаются и размыкаются, генерируя на выходах S1 и S2 прямоугольные цифровые импульсы.

Главный секрет энкодера — квадратурное кодирование. Контакты A и B расположены со сдвигом. Из-за этого импульсы на двух каналах тоже сдвинуты по фазе на 90 градусов. Именно этот сдвиг позволяет нам определить не только факт вращения, но и его направление.

Как определить направление? Алгоритм простой - мы настраиваем прерывание на один канал, например, A. Когда на нём происходит изменение (например, нарастание сигнала), мы в этот самый момент смотрим на состояние второго канала (B). Если их состояния отличаются, значит, вращение идёт в одну сторону. Если совпадают — в другую.
Сборка схемы
- Подключите RGB-светодиод. Красный, зелёный и синий каналы (через резисторы 220 Ом) подключите к ШИМ-пинам 5, 7, 8. Общий катод — к GND.
- Подключите энкодер:
  - + (или 5V) модуля — к пину 5V Рудирона.
  - GND модуля — к пину GND Рудирона.
  - S1 (канал A) — к пину 35 (BUTTON_BUILTIN_1, поддерживает прерывание).
  - S2 (канал B) — к пину 6 (любой свободный цифровой пин).
  - KEY (кнопку) мы в этой работе использовать не будем.

Написание и загрузка кода

Убедитесь, что перемычка IRQ на плате снята, а перемычка PRG | RUN стоит в положении PRG.

В Arduino IDE введите следующий код:

// Пины для RGB-светодиода
const int redPin = 5;
const int greenPin = 7;
const int bluePin = 8;

// Пины энкодера
#define ENCODER_A 35
#define ENCODER_B 6

// Переменная для хранения текущего "цвета" (0-5)
// volatile - потому что изменяется в прерывании
volatile int colorState = 0;
volatile bool changed = true; // Флаг, что цвет изменился

void setup() {
  pinMode(redPin, OUTPUT);
  pinMode(greenPin, OUTPUT);
  pinMode(bluePin, OUTPUT);

  // Модули энкодеров обычно имеют встроенные подтягивающие резисторы,
  // но для надёжности лучше включить их и в микроконтроллере.
  pinMode(ENCODER_A, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ENCODER_B, INPUT_PULLUP);

  // Настраиваем прерывание на пине A на RISING (передний фронт)
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(ENCODER_A), handleEncoder, RISING);
}

// Обработчик прерывания для энкодера
void handleEncoder() {
  // Проверяем состояние второго пина, чтобы определить направление
  if (digitalRead(ENCODER_B) == LOW) {
  colorState++; // По часовой стрелке
  } else {
  colorState--; // Против часовой стрелки
  }

  // Ограничиваем значение в пределах 0-5
  if (colorState > 5) colorState = 0;
  if (colorState < 0) colorState = 5;

  changed = true; // Устанавливаем флаг, что нужно обновить цвет
}

// Функция для установки одного из 6 цветов
void setColor(int state) {
  switch (state) {
  case 0: analogWrite(redPin, 255); analogWrite(greenPin, 0);   analogWrite(bluePin, 0);   break; // Красный
  case 1: analogWrite(redPin, 255); analogWrite(greenPin, 128); analogWrite(bluePin, 0);   break; // Оранжевый
  case 2: analogWrite(redPin, 0);   analogWrite(greenPin, 255); analogWrite(bluePin, 0);   break; // Зелёный
  case 3: analogWrite(redPin, 0);   analogWrite(greenPin, 255); analogWrite(bluePin, 255); break; // Голубой
  case 4: analogWrite(redPin, 0);   analogWrite(greenPin, 0);   analogWrite(bluePin, 255); break; // Синий
  case 5: analogWrite(redPin, 255); analogWrite(greenPin, 0);   analogWrite(bluePin, 255); break; // Пурпурный
  }
}

void loop() {
  // Если флаг установлен (т.е. прерывание сработало)
  if (changed) {
  setColor(colorState); // Обновляем цвет светодиода
  changed = false;      // Сбрасываем флаг
  }
}

Нажмите кнопку «Upload», чтобы загрузить код на плату.

Проверка работы
- Сразу после загрузки RGB-светодиод загорится красным цветом.
- Начните вращать ручку энкодера по часовой стрелке. Цвет будет переключаться: красный → оранжевый → зелёный → голубой → синий → пурпурный и снова красный.
- Теперь повращайте ручку против часовой стрелки. Цвета будут меняться в обратном порядке.

Результаты

Вы создали интуитивно понятный контроллер для управления цветом. Вращая ручку энкодера, вы переключаетесь по цветовому кругу, а аппаратное прерывание гарантирует, что ни один шаг вращения не будет пропущен.

Анализ результатов

Определение направления. Вся логика скрыта в ISR handleEncoder(). Ключевая строка — if (digitalRead(ENCODER_B) == LOW). Она сравнивает состояния двух каналов в момент изменения на одном из них, что и позволяет определить направление.
Переменная colorState. Эта переменная работает как счётчик, который увеличивается или уменьшается в прерывании. Она хранит текущий выбранный «цвет».
Флаг changed. Чтобы не вызывать setColor() в каждой итерации loop(), мы используем флаг. ISR устанавливает его в true, а loop(), увидев это, обновляет цвет и сбрасывает флаг. Это правильный способ взаимодействия между ISR и loop().

Выводы

В этой лабораторной работе вы освоили одно из самых важных применений аппаратных прерываний — обработку сигналов с инкрементального энкодера, включая определение направления. Вы научились создавать сложные интерактивные устройства, где физическое действие (вращение) напрямую управляет состоянием программы.

Вопросы для самопроверки

Что такое квадратурное кодирование и зачем энкодеру два сигнальных канала?
Как с помощью состояний двух каналов можно определить направление вращения?
Почему для отслеживания вращения энкодера мы использовали прерывание с режимом RISING?
Зачем в программе используется флаг changed?
Как изменить код, чтобы по нажатию на кнопку энкодера (KEY, пин 32) цвет сбрасывался на красный (colorState = 0)?

Поздравляем с освоением энкодера и прерываний!

imgs