Drehimpulsgeber Ky-040
Autoren: Marc Ebmeyer
Einleitung
Einstellräder sind ein wichtiges haptisches Benutzer Interface, sie ermöglichen schnelle intuitive Bedingung von Geräten. Dieses wurde früher mit Ein- und Mehrgangs-Potentiometern gelöst, welche aber einem Verschleiß unterliegen und nur eine (in Ausnahme fällen bis zu 10) Umdrehungen zulassen, zudem sind sie kostenintensiv in der Herstellung. Um diese Probleme zu umgehen, wurden sogenannte Drehimpulsgeber (auch bekannt als Inkrementalgeber, Quadraturencoder, Drehencoder) konstruiert. Welche Kostengünstiger in der Fertigung, unendliche Umdrehungen bieten und mit integrierten Tastern daher kommen. Dieses wurde erst möglich durch die Einführung kostengünstiger Mikrocontroller, welche die Aufgabe der anfallenden Software Auswertung übernehmen. Bei der Drehimpulsmessung gibt es verschiedene verfahren, am häufigsten sind optische, magnetische und mechanische Verfahren. Das Grundprinzip sind aber immer eine oder mehre runde Lochscheiben, wobei die Löcher der einzelnen Scheiben gegeneinander versetzt angeordnet sind. Dreht sich die Scheibe so, triff das Licht (beim optischen Verfahren), welches durch die erste Scheibe abwechselnd durchgelassen und geblockt wird auf einen Sensor, der den Lichtwechsel detektiert und in ein elektrisches Signal umwandelt. Dadurch kann man bei Verwendung nur einer Scheibe, schon mal die Drehzahl und den Drehwinkel detektieren unter dem wissen der Anzahl an Schlitzen in der Lochscheibe. Da man die Anzahl an Unterbrechungen messen kann und die Zeitspanne in der sie ausgeführt wurden. Durch hinzufügen einer weiteren Scheibe deren Löcher leicht versetzt zu ersten Scheibe sind, lässt sich nun auch die Drehrichtung der Achse erkennen. Fügt man eine weitere Scheibe ein, bekommt man die Möglichkeit absolute Positionen zu bekommen. Dieses kann durch einen einzelnen Schlitz sein, der bei jeder Umdrehung die absolute Position bestätigt, oder auch mehrere mit unterschiedlichen Breiten, sodass man mehrere Referenz Positionen bekommt. Der hier verwendete Drehimpulsgeber ist ein einfacher mechanischer, bei ihm finden kleine Phasen versetzte Micro Schleifkontakte ihre Anwendung (siehe Abb.3) , welche über eine leitfähige Lochscheibe schleifen und so zwei Phasen versetzte Signale erzeugen, als wenn man zwei Lochscheiben hätte (siehe Abb.2).
Technische Übersicht
| Eigenschaft | Daten |
|---|---|
| Spannungsversorgung |
VCC 3-5 V |
| Rastungen |
20 |
| Abmessungen |
32*20*30 mm |
| Gewicht |
8 g |
Pinbelegung
siehe Abbildung 6
| Pin | Belegung | Benennung | Signal | Anschluss am Arduino |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Masse | GND | 0 V | |
| 2 | Betriebsspannung | Vcc | 3-5 V | |
| 3 | Taster Ausgang | SW | 0 oder VCC V | Wird intern auf Masse gezogen beim betätigen des Tasters siehe Abb.4. Anschluss an z.B. D4 |
| 4 | Signalausgang_B | DT | 0 oder VCC V | An einem Interrupt fähigem Pin des Arduino Uno anschließen z.B. D2 |
| 5 | Signalausgang_A | CLK | 0 oder VCC V | An einem Interrupt fähigem Pin des Arduino Uno anschließen z.B. D3 |
Prinziperklärung
Die unter der Platine befindlichen drei Widerstände (siehe Abb.6) sind Pullup Widerstände für die zwei Encoder und den Taster. Der KY-040 ist ein Inkrementalgeber. Je nach dem ob man rechts oder links herum dreht, wird erst der Pin A oder der Pin B high, da beide versetzt auf der Drehencoderscheibe sitzen (siehe Abb.3). Damit bekommt man einen Gray-Code am Ausgang vom Signalausgang A und B. Gray-code ähneld dem Binär-Code nur wird bei ihm bei jedem Sprung nach oben oder unten jeweils nur ein Wert verändert. Damit bekommen wir die Drehrichtung, den Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit.
Geht zum Beispiel erst CLK auf high und dann DT, dann drehen wir rechts rum. Geht erst der DT Pin auf high und dann der CLK Pin, dann drehen wir links rum.
Teilen wir die Anzahl an CLK durch die vorhandene Inkremente und durch die Zeitspanne der Messung, bekommen wir die Drehzahl.
Bezug zur Prinzipskizze?
| Zahlenwert | Binär-Code | Gray-Code |
|---|---|---|
| 0 | 00 | 00 |
| 1 | 01 | 01 |
| 2 | 10 | 11 |
| 3 | 11 | 10 |
Messung
Demo
Die beiden Demos basieren auf den oben genanten Prinzip. Drückt man den Taster (Achsentaster), dann wird der Nullpunkt neu gesetzt, diese Änderung wird dann aber erst beim weiterdrehen angezeigt.
const int SW_s16 = 4; // Pin zum Messen vom Schalter const int DT_s16 = 2; // Pin zum Messen const int CLK_s16 = 3; // Pin zum Messen des Taktes const int Pos_s16 = 40; // Anzahl an Positionen des Drehencoders int CLK_pos_alt_s16; // letzte Position von CLK int CLK_pos_neu_s16; bool drehtimUhr_s16; // dreht der Drehencoder im Uhrzeigersinn? true =ja int PosZaehler_s16 =0; // Zähler der Position float WinkelZaehler_f32 =0.0;// WinkelZähler //----------------------------------- void setup() //Definition von Serieller Schnittstelle und der Pins als Eingang
{
Serial.begin(115200); //Übertragungsrate und initialisieren der seriellen Schnittstelle
pinMode(SW_s16, INPUT); // Definition als Eingang
pinMode(DT_s16, INPUT); // Definition als Eingang
pinMode(CLK_s16, INPUT); // Definition als Eingang
CLK_pos_alt_s16=digitalRead(CLK_s16); // einlesen damit Wert vorhanden
}
void loop()
{
if(digitalRead(SW_s16)==false) // Wenn Taster gedrückt wird Winkel auf null gesetzt
{
PosZaehler_s16=0;
}
CLK_pos_neu_s16 = digitalRead(CLK_s16); // auslesen der Positon von CLK und zwischen speichern in Hilfsvariable
if (CLK_pos_neu_s16 != CLK_pos_alt_s16)// Drehencoder dreht sich
{
if (digitalRead(DT_s16) != CLK_pos_neu_s16) // Drehrichtungserkennung
{ // CLK ändert sich zuerst -
PosZaehler_s16 ++; // hochzählen da im Uhrzeigersinn
drehtimUhr_s16 = true; //mit dem Uhrzeigersinn
}
else // DT ändert sich zuerst wodurch wir uns gegen dem Uhrzeigersinn drehen
{
drehtimUhr_s16 = false; // gegen dem Uhrzeigersinn
PosZaehler_s16 --; // runterzählen
}
float WinkelZaehler_f32= ((float ) PosZaehler_s16/ Pos_s16 )* 360;// teilen der Position durch die Anzahl an Positionen am Drehencoder und Umrechnen auf 360 Grad.
Serial.print ("es dreht sich :-): ");//Ausgabe der Ergebnisse
if (drehtimUhr_s16) //Drehrichtungausgabe
{
Serial.print ("mit dem Uhrzeiger");
}
else
{
Serial.print("gegen den Uhrzeiger");
}
Serial.print("Position: "); // Positionsausgabe
Serial.print(PosZaehler_s16);
Serial.print(" Winkel: "); // Positionsausgabe
Serial.println(WinkelZaehler_f32);
}
CLK_pos_alt_s16 = CLK_pos_neu_s16; //neuer Messwert wird zu altem Messwert für den nächsten Durchlauf
}
Hardwareaufbau
Datenblätter
Literatur
Weiterführende Artikel
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