光电旋转编码器使用方法及稳定的单片机程序

Posted 2023-02-27 皮皮黄-机电工程师

                        文章由皮皮黄（微信/QQ: pph846375164）首发，转载请注明出处

本篇讲解一下单片机读取光栅编码器角度的方法。在刚开始接触光栅编码器之初，搜索了一些网上资源，但均不太稳定，容易出现丢步的情况。几经周折之后，索性花了2周时间好好研究了一下光栅编码器原理。现给自己做个笔记，也希望和各坚持技术道路的同行们交流。

目录
1、增量式光栅编码器结构
2、增量式编码器工作原理
3、网上程序错误解析
4、稳定的编码器程序算法
5、ATmeag16单片机程序示例

增量式光栅编码器结构：

增量式编码器工作原理：
编码器码盘上刻有A、B窄缝，彼此错开1/4节距，使得A、B两相在转动过程中，输出的电信号相位错开90°。如下图所示：

网上程序错误解析：
程序算法是A/B中的其中一项接外部中断（以A接中断、上升沿触发举例），当A上升沿触发中断时，读取B相的电位，如果B是高电位，则判定为正转，角度加1；如果B是低电位，则判定为反转，转角减1。
利用这种算法经常出现角度跳变，或者圈数转多之后出现积累误差。下面举个例子来解释一下这种算法错误的地方。
在编码器转动过程中，尤其在启动/转向/停止过程中，会出现编码器正好在一个上升沿中断处反复震荡的情况，如下图所示，在震荡过程中：
从a到b的过程，A相上升沿触发中断，此时B相为低电位，角度减去一个单位；
从b到c的过程，A相下降沿，无任何动作；
从c到d的过程，A相上升沿触发中断，此时B相为低电位，角度减去一个单位；
从d到e的过程，A相下降沿，无任何动作；
从e到f的过程，A相上升沿触发中断，此时B相为低电位，角度减去一个单位；
……
编码器实际角度一直停留在蓝虚线处，也就是实际角度其实是没有变化的。但在反复震荡的过程当中，程序会判定角度在一直在减少，导致实际角度与程序计算的角度产生偏差。这就是程序造成的光栅编码器丢失角度的原因。

本程序算法：
硬件清单：
1、单片机最小系统一个（ATmega16芯片）
2、4位数码管一只（595芯片模块）
3、光栅编码器一只（360线）
实现功能：转动编码器，读取编码器转动角度，并显示在数码管上

原理图：

实物连线图：

程序算法介绍：
光栅编码器A相连接单片机外部中断0，B相连接外部中断1。中断触发方式均为任意电平变化触发中断。那么在一个周期内会触发4次中断，如图所示。

以编码器是360线举例，那么每次中断转动的角度是360/360/4=0.25°，即360线编码器分辨率可以达到0.25°，以此类推720线编码器分辨率是360/720/4=0.125°……。
每次中断触发后，判断另一相电位,如上图蓝色虚线所示：
a处触发中断 A相1，B相0
b处触发中断 A相1，B相1
c处触发中断 A相0，B相1
d处触发中断 A相0，B相0
e处触发中断 与a处相同，进入下一个循环

把A/B相看作是一个二进制数，那么：
a处，（AB）10=2
b处，（AB）11=3
c处，（AB）01=1
d处，（AB）00=0
e处，……

可以看出，正转对应的是2310……2310……，反转对应的是2013……2013……。
在程序中保存前一中断位置数值，在本次中断中进行对比。符合正转数值排序，则角度加0.25°，反之减去0.25°。该方法测试下来非常准确，解决了之前老是丢步的问题。

核心部分程序如下：

unsigned char encoder_A;//encoder_A需要初始化 encoder_A=(PIND&0x0c)/4;
unsigned angle;//编码器角度变量
void encoder(unsigned int X)//X为编码器线数。编码器AB值判断函数

 unsigned char B;
 CLI();
 B=encoder_A;//保存上一次中断数值
 encoder_A=(PIND&0x0c)/4;//读取本次中断数值
 if((B==0 && encoder_A==1)||(B==1 && encoder_A==3)||(B==3 && encoder_A==2)||(B==2 && encoder_A==0)) //正方向判断
 
  angle=angle+9000/X;//角度加一个分辨率
  if(angle==36000)angle=0;//角度超过360°则变为0°
 
 else if ((B==0 && encoder_A==2)||(B==2 && encoder_A==3)||(B==3 && encoder_A==1)||(B==1 && encoder_A==0)) //反方向判断
 
  if(angle==0)angle=36000; //角度小于0°则变为360°
  angle=angle-9000/X; //角度减一个分辨率
 
 else ;
 SEI();

  
#pragma interrupt_handler int0_isr:iv_INT0//中断0服务程序
void int0_isr(void)

 encoder(360);


#pragma interrupt_handler int1_isr:iv_INT1//中断1服务程序
void int1_isr(void)

 encoder(360);

程序源码下载地址：https://download.csdn.net/download/ludantongxue/11287703