При конструировании всяких подвижных агрегатов, будь то робот или станок на производстве, встает вопрос о контроле положения движущихся частей. Для таких целей используют валкодеры (их еще называют энкодеры, датчики положения). Валкодеры бывают механические и оптические. Типичный механический валкодер представляет собой диск с прорезями и две группы контактов:

При вращении диск замыкает и размыкает контакты, образуя синус и косинус сигналы. Направление кручения ручки определить легко. На нижние контакты подадим низкий уровень, а верхние «подтянем» резисторами к +5В и с них будем снимать сигнал. Условимся, что с Контактной Пары №1 будем снимать синус сигнал, а с Контактной Пары №2 – косинус сигнал. При кручении по часовой стрелке имеем такие сигналы:

То есть, косинус сигнал смещен относительно синуса «вперед» на 90 градусов. А против часовой:

Видно, что косинус смещен относительно синуса «назад» на 90 градусов.
Оптический энкодер состоит из прозрачного диска (зубчатого колесика), с темными черточками и двух разнесенных пар фотоизлучателя и фотоприемника, которые с помощью операционного усилителя формируют такие же TTL косинус и синус сигналы, как и у механического валкодера. Также встречаются валкодеры в виде длинной прозрачной «линейки» с черточками, по этой линейке ездит каретка с фотоизлучателями/фотоприемниками, такие часто встречаются в струйных принтерах и отвечают за положение печатающей каретки по горизонтали.

Перейдем к практической части. Соорудим из шариковой мышки валкодер для экспериментов. Выпотрошим всю мышиную начинку, и на освободившейся плате спаяем схему:

Схема состоит из двух идентичных каналов. Конденсаторы С1,С2 – блокировочные по 0.1мкФ. Резисторы R1,R2,R5,R6 по 10 кОм, R4,R7,R10,R11 – 5,1 кОм, R9 – ограничительный на 1 кОм, R3,R8 – 1 МОм. D1-J1-J2 – оптопара, используемая в мышке, иногда она бывает с общим катодом, а не с общим анодом, как изображено на схеме. Подключение такой оптопары не составит труда, достаточно поменять местами входа операционного усилителя.

Проверим с помощью тестера правильность косинус-синус сигналов при движении мышки. Если все как задумывалось – то припаяем энкодер к микроконтроллеру:

Косинус сигнал мы повесим на внешнее прерывание INT0, а синус – на PD0. Здесь я немного по-другому подключил ЖКИ, сигнал RS повесил на вывод PD1, а не на PD2, как я обычно делаю.
Перейдем к написанию программы, демонстрирующую работу с валкодером. Условимся, что вертикальным движением мышки мы будем изменять значение некоторой переменной position в границах от -9999 до 9999 и выводить его на ЖКИ.. Алгоритм работы программы очень прост. Нам необходимо включить внешнее прерывание INT0 по фронту косинус сигнала.

Пин PD0 выставить как вход. А в подпрограмме обработки прерывания сделать опрос PD0, если на нем низкий уровень – инкрементировать нашу переменную position, а если высокий – декрементировать (и не забыть про наши ограничения в |position|<=9999). В теле главной программы запишем вечный цикл, в котором будем выводить значение переменной position на ЖКИ.

#include <avr/io.h>//библиотека ввода/вывода
#include <avr/interrupt.h>//библиотека прерываний
 
#define RS 1	//RS=PD1
#define E  3	//E=PD3
 
#define TIME 10				//Константа временной задержки для ЖКИ
					//Частота тактирование МК - 4Мгц
 
int position=0;					
 
//Функция задержки(паузы)
void pause (unsigned int a)				
{ unsigned int i;
 
  for (i=a;i>0;i--);
}
 
void lcd_com (unsigned char lcd)	//Передача команды ЖКИ
{ unsigned char temp;
 
  temp=(lcd&~(1<<RS))|(1<<E);		//RS=0 – это команда
  PORTD=temp;	//Выводим на portD старшую тетраду команды, сигналы RS, E 
   asm("nop");	//Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации
  PORTD=temp&~(1<<E);	//Сигнал записи команды
 
  temp=((lcd*16)&~(1<<RS))|(1<<E);		//RS=0 – это команда 
  PORTD=temp;	//Выводим на portD младшую тетраду команды, сигналы RS, E 
   asm("nop");	//Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации 
  PORTD=temp&~(1<<E);	//Сигнал записи команды 
 
  pause (10*TIME);	//Пауза для выполнения команды
}
 
void lcd_dat (unsigned char lcd)	//Запись данных в ЖКИ
{ unsigned char temp;
 
  temp=(lcd|(1<<RS))|(1<<E);		//RS=1 – это данные 
  PORTD=temp;	//Выводим на portD старшую тетраду данных, сигналы RS, E   
   asm("nop");		//Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации 
  PORTD=temp&~(1<<E);	//Сигнал записи данных 
 
  temp=((lcd*16)|(1<<RS))|(1<<E);	//RS=1 – это данные 
  PORTD=temp;	//Выводим на portD младшую тетраду данных, сигналы RS, E   
   asm("nop");	//Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации 
  PORTD=temp&~(1<<E);	//Сигнал записи данных 
 
  pause(TIME);	//Пауза для вывода данных
}
 
void lcd_init (void)     //Иниализация ЖКИ
{
 lcd_com(0x2c);		//4-проводный интерфейс, 5x8 размер символа
 pause(100*TIME);
 lcd_com(0x0c);		//Показать изображение, курсор не показывать
 pause(100*TIME);
 lcd_com(0x01);		//Очистить DDRAM и установить курсор на 0x00
 pause (100*TIME);
}
 
//Вывод на ЖКИ переменной position
void write_position(void)
{ unsigned char i; 
  long int temp;
   temp=position;
   lcd_com(0x80);
   if (temp<0) {				//проверяем знак переменной
                lcd_dat('-');
				temp=-temp;
               }
		  else lcd_dat(' ');
 
   i=temp/1000;					//пишем тысячи
   temp=temp-i*1000;
   lcd_dat(0x30+i);
 
   i=temp/100;					//сотни
   temp=temp-i*100;
   lcd_dat(0x30+i);
 
   i=temp/10;					//десятки
   temp=temp-i*10;
   lcd_dat(0x30+i);
 
   i=temp/1;					//единицы
   temp=temp-i*1;
   lcd_dat(0x30+i);
}
 
ISR (INT0_vect)
{
 if (((PIND&0x01)==0x00)&&(position<9999)) position=position+1;	//инкремент position
 if (((PIND&0x01)==0x01)&&(position>-9999))position=position-1;	//декремент position
}
 
int main(void)
{ 
DDRD=0xfa;			//PD0,PD2 как входа, остальные - выхода
PORTD=0x05;				
 
pause(3000);			//Задержка для включения ЖКИ
lcd_init();			//Инициализация ЖКИ
 
 MCUCR=(1<<ISC01)|(1<<ISC00);	//Включаем прерывание INT0 по фронту на PD2
 GICR=(1<<INT0);
 
 write_position();		//Пишем position
 
sei();				//Разрешаем прерывания
 
while(1)
 write_position();
 
 
return 1;
}