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2.12 Drehgeber (Rotary Encoder)

Einführung

Ein Drehgeber ist ein Eingabegerät, das Drehbewegungen in digitale Signale umwandelt. Er wird häufig zum Navigieren durch Menüs, zum Einstellen von Werten oder zum Durchscrollen von Listen verwendet. In diesem Projekt verbinden Sie einen Drehgeber (mit integrierter Drucktaste) über das Fusion HAT+ mit einem Raspberry Pi, lesen die Drehschritte aus und setzen den Zähler über den Schalter des Encoders zurück.

Dieses Experiment zeigt, wie ein Drehgeber mithilfe von Event-Callbacks angebunden wird, um eine flüssige Eingabeverarbeitung mit geringer Latenz zu ermöglichen.

Benötigte Komponenten

Die folgenden Komponenten werden für dieses Projekt benötigt:

KOMPONENTE

KAUFLINK

Drehgebermodul

BUY

Jumper-Kabel

BUY

Fusion HAT+

-

Raspberry Pi

-

Schaltplan

Die folgende Abbildung zeigt den Schaltplan für dieses Projekt:

../_images/2.1.6_rotary_sch.png

Verdrahtungsdiagramm

Verbinden Sie die Komponenten gemäß dem folgenden Verdrahtungsdiagramm:

../_images/2.1.6_rotary_bb.png

Pinbelegung im Beispiel

  • CLK → GPIO 17

  • DT → GPIO 4

  • SW (Taste) → GPIO 27 (mit internem Pull-up)

  • + → 3.3V

  • GND → GND

Stellen Sie sicher, dass alle Verbindungen fest sitzen. Falls Ihr Encoder separate C (COM) und NO/NC-Anschlüsse für den Schalter besitzt, verbinden Sie C mit GND und NO mit dem SW-Pin (der interne Pull-up wird in der Software aktiviert).

Beispiel ausführen

Der gesamte Beispielcode für dieses Tutorial befindet sich im Verzeichnis ai-lab-kit. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um das Beispiel zu starten:

cd ~/ai-lab-kit/python/
sudo python3 2.12_RotaryEncoder.py

Nach dem Start des Skripts erhöht oder verringert das Drehen des Drehgebers einen Zähler, und der aktuelle Zählerwert wird in Echtzeit in der Konsole angezeigt. Wenn Sie die Taste des Encoders drücken, wird der Zähler auf Null zurückgesetzt und eine entsprechende Meldung ausgegeben. Das Programm läuft weiter und reagiert auf Benutzereingaben, bis Sie es mit Ctrl + C beenden.

Code

Unten finden Sie den Python-Code, der in diesem Projekt verwendet wird:

#!/usr/bin/env python3

from fusion_hat.pin import Pin, Mode, Pull
import time

# GPIO pins (BCM numbering)
CLK_PIN = 17
DT_PIN  = 4
SW_PIN  = 27

# Initialize pins with internal pull-ups
clk = Pin(CLK_PIN, mode=Mode.IN, pull=Pull.UP)
dt  = Pin(DT_PIN,  mode=Mode.IN, pull=Pull.UP)
sw  = Pin(SW_PIN,  mode=Mode.IN, pull=Pull.UP)  # Button is active LOW

raw = 0                 # Raw quadrature transitions
last_clk = clk.value()  # Previous CLK state
last_detent = None      # Last displayed detent value

print("Rotate the knob. Press the button to reset. CTRL + C to exit.")
try:
   while True:
      c = clk.value()
      if c != last_clk:
            # Direction: DT != CLK means one direction, else the other
            raw += 1 if dt.value() != c else -1

            # Most encoders generate 2 transitions per detent (click)
            detent = raw // 2

            # Only update output when the detent value changes
            if detent != last_detent:
               print(f"\rCounter: {detent}   ", end="", flush=True)
               last_detent = detent

            last_clk = c

      # Reset when button is pressed
      if sw.value() == 0:
            raw = 0
            detent = 0
            print("\rCounter: 0   ", end="", flush=True)
            last_detent = 0
            time.sleep(0.25)  # Button debounce

      time.sleep(0.001)  # Polling interval (1 ms)

except KeyboardInterrupt:
   print("\nExit")

Den Code verstehen

  1. Importe

    from fusion_hat.pin import Pin, Mode, Pull
import time

    • Pin wird verwendet, um GPIO-Pins für den Drehgeber zu konfigurieren und auszulesen.

    • Mode und Pull definieren die Pin-Richtung sowie interne Pull-up-Widerstände.

    • time wird verwendet, um Abfrageintervalle und die Entprellzeit der Taste zu steuern.

  2. GPIO-Pin-Konfiguration

    CLK_PIN = 17
DT_PIN  = 4
SW_PIN  = 27

clk = Pin(CLK_PIN, mode=Mode.IN, pull=Pull.UP)
dt  = Pin(DT_PIN,  mode=Mode.IN, pull=Pull.UP)
sw  = Pin(SW_PIN,  mode=Mode.IN, pull=Pull.UP)

    • CLK und DT sind die beiden Quadratur-Signalpins des Drehgebers.

    • SW ist die integrierte Drucktaste des Encoders.

    • Interne Pull-up-Widerstände sorgen für stabile Signale, wenn der Encoder nicht bewegt wird.

    • Die Taste ist aktiv LOW und liefert den Wert 0, wenn sie gedrückt wird.

  3. Statusvariablen

    raw = 0
last_clk = clk.value()
last_detent = None

    • raw zählt die niedrigen Quadratur-Übergänge des Encoders.

    • last_clk speichert den vorherigen CLK-Zustand, um Signaländerungen zu erkennen.

    • last_detent merkt sich den zuletzt ausgegebenen Zählerwert, um doppelte Ausgaben zu vermeiden.

  4. Erkennung der Drehbewegung

    c = clk.value()
if c != last_clk:
    raw += 1 if dt.value() != c else -1

    • Das Skript überwacht kontinuierlich den CLK-Pin.

    • Eine Änderung des CLK-Signals zeigt eine Drehbewegung des Encoders an.

    • Die Drehrichtung wird bestimmt, indem der Zustand von DT mit CLK verglichen wird.

  5. Berechnung der Rastposition (Detent)

    detent = raw // 2

    • Die meisten Drehgeber erzeugen zwei Signaländerungen pro mechanischem Klick.

    • Durch Division durch 2 werden die Rohübergänge in saubere Rastschritte umgewandelt.

  6. Saubere Konsolenausgabe

    if detent != last_detent:
    print(f"\\rCounter: {detent}   ", end="", flush=True)

    • Die Ausgabe wird nur aktualisiert, wenn sich der Zählerwert ändert.

    • \\r setzt den Cursor an den Anfang der Zeile zurück, sodass der Wert an derselben Stelle überschrieben wird.

    • flush=True sorgt dafür, dass die Ausgabe sofort im Terminal erscheint.

  7. Reset über die Taste

    if sw.value() == 0:
    raw = 0
    detent = 0
    print("\\rCounter: 0   ", end="", flush=True)
    time.sleep(0.25)

    • Durch Drücken der Taste wird der Zähler auf Null zurückgesetzt.

    • Eine kurze Verzögerung dient zur Entprellung der Taste und verhindert Mehrfachauslösungen.

  8. Abfrageintervall und Programmende

    time.sleep(0.001)

    • Eine Abfrageverzögerung von 1 ms bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und CPU-Auslastung.

    • Mit Ctrl + C kann das Programm jederzeit sauber beendet werden.

Fehlerbehebung

  1. Keine Ausgabe beim Drehen

    • Ursache: Falsch verdrahtete CLK/DT-Pins oder schlechte Masseverbindung.

    • Lösung: Überprüfen Sie CLK→GPIO17, DT→GPIO4 sowie eine gemeinsame GND-Verbindung. Stellen Sie sicher, dass die Versorgung 3,3V beträgt (keine 5V-Encoder direkt an GPIO anschließen).

  2. Zähler springt unregelmäßig (Rauschen/Prellen)

    • Ursache: Mechanisches Prellen oder Störungen durch lange Kabel.

    • Lösung: Kabel möglichst kurz halten; ggf. verdrillen; kleine Kondensatoren (z. B. 0,01–0,1 µF) zwischen CLK/DT und GND hinzufügen; falls verfügbar, Software-Entprellung aktivieren.

  3. Taste wird nicht erkannt

    • Ursache: Schalterkontakte sind an 3,3V statt GND angeschlossen oder Pull-up falsch konfiguriert.

    • Lösung: Sicherstellen, dass SW beim Drücken mit GND verbunden wird und pull=Pin.PULL_UP korrekt gesetzt ist.

  4. Drehrichtung ist vertauscht

    • Ursache: CLK und DT sind vertauscht.

    • Lösung: Tauschen Sie die CLK- und DT-Leitungen oder invertieren Sie die Schrittlogik in der Software.

Erweiterungsideen

  1. Variable (z. B. Lautstärke oder Helligkeit) stufenlos anpassen

    value = 50  # 0..100
def rotary_change():
    global value
    value = max(0, min(100, 50 + encoder.steps()))
    print(f'Value = {value}')

  2. Taste zum Umschalten eines Modus verwenden

    mode = ['Fine', 'Coarse']
idx = 0
def reset_counter():
    global idx
    idx = 1 - idx
    encoder.reset()
    print(f'Mode switched to: {mode[idx]}')

  3. LED- oder Buzzer-Feedback

    from fusion_hat import Pin
led = Pin(26, Pin.OUT)
def rotary_change():
    print('Counter =', encoder.steps())
    led.on()
    # kurze LED-Anzeige ohne Blockieren der Callbacks empfohlen
    led.off()

  4. Langer Tastendruck für Spezialfunktionen

    • Die Dauer des Tastendrucks kann über Zeitstempel in sw.when_activated und (falls vorhanden) sw.when_deactivated erfasst werden, um unterschiedliche Aktionen für kurze oder lange Tastendrücke auszulösen.

Fazit

Dieses Experiment zeigt, wie ein Drehgeber und seine integrierte Taste mithilfe ereignisgesteuerter Callbacks mit dem Fusion HAT+ ausgelesen werden können. Mit dieser Technik lassen sich reaktionsschnelle Benutzeroberflächen wie Menü-Navigatoren, Drehregler für Einstellungen oder Jog-Wheels für Echtzeitsteuerungen in Raspberry-Pi-Projekten realisieren.