樂高EV3機(jī)器人電子模塊制作

李潤成

1 問題提出

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，社會(huì)對人的創(chuàng)造能力有了更高要求。近年來創(chuàng)客教育作為一種培養(yǎng)人的創(chuàng)造力和科學(xué)思維的教育正在全國大范圍鋪開，機(jī)器人教育作為創(chuàng)客教育的一種形式，它讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)各種科學(xué)技術(shù)，電子知識(shí)及計(jì)算機(jī)知識(shí)同時(shí)提升動(dòng)手能力和邏輯思維。在少兒機(jī)器人教育產(chǎn)品中，樂高EV3機(jī)器人具有非常重要的地位，然而其電子模塊數(shù)量相對國內(nèi)的Makeblock和DFRobot等機(jī)器人產(chǎn)品較少，但這些產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)制作方面與樂高成熟的積木搭建系統(tǒng)仍有差距，因此只要能制作出更多的兼容積木結(jié)構(gòu)和EV3硬件接口的電子模塊，教學(xué)者便能繼續(xù)發(fā)揮EV3機(jī)器人的優(yōu)勢，開展更豐富的機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容。制作的兼容EV3機(jī)器人電子模塊如圖1所示。

圖1 兼容EV3機(jī)器人電子模塊

2 EV3控制器端口介紹

要實(shí)現(xiàn)EV3電子模塊的制作，必須先知道控制器的端口引腳定義和功能才能設(shè)計(jì)相應(yīng)原理圖和PCB電路板。EV3控制器輸入輸出端口采用統(tǒng)一的RJ12-6P6C右扣位插座，其外形如圖2所示，套件中的每個(gè)電子模塊擁有1個(gè)RJ12-6P6C右扣位插座，電子模塊與控制器通過匹配插座的電線相連。EV3控制器有8個(gè)端口，4個(gè)為輸入端口，4個(gè)為輸出端口。輸入端口用于連接套件中的模擬傳感器和數(shù)字傳感器，輸入端口引腳定義如表1所示。輸出端口用于連接套件中的執(zhí)行器件，包括大型馬達(dá)和中型馬達(dá)，其引腳定義如表2所示。

圖 2 RJ12—6P6C 右扣位插座

表1 EV3控制器輸入端口引腳定義

表2 EV3控制器輸出端口引腳定義

3 EV3傳感器制作方法

對于電子創(chuàng)客或機(jī)器人創(chuàng)客課堂中常用的模擬傳感器和數(shù)字傳感器模塊，它們普遍采用三線接口，接口定義為電源正極，負(fù)極和信號輸出。對于大部分三線接口的傳感器，包括模擬輸入和數(shù)字輸入傳感器，可以將它們的電路原理圖結(jié)合EV3輸入端口的引腳定義及功能制作出兼容EV3控制器的傳感器。對于三線接口模擬型傳感器，其原理圖如圖3所示，三線接口的數(shù)字型傳感器在信號輸出口再串聯(lián)大小為2.2k的電阻即可。

3.1 輸入電子模塊原理圖

圖3 三線接口模擬型傳感器原理圖

3.2 觸摸開關(guān)模塊

為進(jìn)一步說明EV3機(jī)器人輸入模塊制作方法，接下來以觸摸開關(guān)模塊為例深入了解其功能和原理圖。觸摸開關(guān)模塊為數(shù)字型傳感器，其實(shí)物如圖4所示。本文介紹的觸摸開關(guān)模塊可以實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)檢測功能，使用者觸摸感應(yīng)表面時(shí)傳感器輸出高電平信號，信號輸出模式能通過自鎖選擇開關(guān)設(shè)置成保持和非保持兩種模式。

圖4 觸摸開關(guān)模塊

（1）TTP223觸摸按鍵芯片

本設(shè)計(jì)中的觸摸開關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)功能的核心是單鍵電容式觸摸按鍵芯片—TTP223，該芯片為SOT23-6封裝。TTP223能利用操作者的手指與觸摸感應(yīng)表面之間的電容值變化來確定手指接近或者觸摸到感應(yīng)表面，感應(yīng)表面也可以放置到任何絕緣層（通常為玻璃或者塑料材料）的后面。

（2）觸摸開關(guān)模塊原理圖

應(yīng)用該芯片制作的觸摸開關(guān)模塊原理圖如圖5所示，其中PAD為觸摸感應(yīng)板，發(fā)生觸摸行為時(shí)，芯片的I引腳可以檢測電容值的變化，從而實(shí)現(xiàn)觸摸信號的檢測。SW1為自鎖選擇開關(guān)，該開關(guān)可以設(shè)置選擇觸摸時(shí)的電平輸出為保持或非保持信號。圖中C3電容影響觸摸靈敏度，其值越大，靈敏度越低，其值越小，靈敏度越大，此處電容大小應(yīng)根據(jù)觸摸板的面積和材料去選擇。C2為電解電容，可以對不平滑的直流電源濾波起到平滑作用，C1小電容濾除直流中的交流高頻干擾信號[2]。TOG 和 AHLB 為輸出模式配置管腳，可以對管腳 Q 的工作模式進(jìn)行配置。原理圖中AHLB與電源地相連，表示非觸摸狀態(tài)下輸出信號為低電平，觸摸時(shí)芯片輸出為高電平。TOG處接2位選擇開關(guān)，通過開關(guān)設(shè)置輸出保持信號或非保持信號。

圖5 觸摸開關(guān)電子模塊原理圖

4 EV3輸出器件制作方法

4.1 輸出電子模塊原理圖

與輸入端口不同，EV3輸出端口在官方套件的使用中與輸出器件馬達(dá)相連，控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度，方向和位移。在課堂教學(xué)中，常用的輸出器件如LED并沒有在樂高EV3套件中單獨(dú)出現(xiàn)，雖然EV3控制器上集成了LED，但顏色種類單一，而且在制作一些LED的特殊效果如呼吸燈時(shí)無法滿足。此外EV3自帶的馬達(dá)器件內(nèi)裝有減速齒輪，速度較慢，雖然可以在模型制作中通過加速齒輪組實(shí)現(xiàn)加速，但比較麻煩。

對于單色LED燈，直流馬達(dá)等輸出器件，結(jié)合EV3輸出端口的引腳定義及功能可以制作出兼容EV3控制器的輸出器件，輸出電子模塊原理圖如圖6所示。由于EV3控制器內(nèi)部已經(jīng)自帶馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路，因此制作的馬達(dá)原理圖需要考慮電磁干擾和過載保護(hù)。單色LED的原理圖則考慮限流保護(hù)，其原理圖可以在輸出電子模塊原理圖基礎(chǔ)上去除保險(xiǎn)絲和電容，在LED正極與PWM輸出相連處接上合適大小電阻即可。

圖6 輸出電子模塊原理圖

4.2 直流馬達(dá)模塊

圖7 直流馬達(dá)模塊

為進(jìn)一步說明EV3機(jī)器人的輸出器件制作方法，下面以直流馬達(dá)為例具體展開。制作的馬達(dá)模塊如圖7所示。該直流馬達(dá)模塊可以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)速度調(diào)整以及改變旋轉(zhuǎn)方向功能，而且模塊中帶有過載保護(hù)功能，防止馬達(dá)超載時(shí)電流過大損壞EV3控制器的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路。

直流馬達(dá)模塊原理圖如8所示。其中C1電容起消除火花作用，減少馬對電路的電磁干擾。PTC1為自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，由于EV3輸出口持續(xù)輸出電流為700mA，短時(shí)峰值為1A，為了保護(hù)內(nèi)部電路，保險(xiǎn)絲是非常有必要的。R2和R1用作EV3控制器對輸出器件的類型識(shí)別，EV3輸出口通過讀取6號和5號引腳的電壓識(shí)別是否為馬達(dá)類型，馬達(dá)類型識(shí)別結(jié)果如圖9所示。如果不需要實(shí)現(xiàn)該功能，5,6號引腳可不連接任何器件。

圖8 直流馬達(dá)模塊原理圖

圖9 馬達(dá)類型識(shí)別結(jié)果

5 電路板安裝孔尺寸

圖10 EV3機(jī)器人部分積木零件

EV3機(jī)器人套件積木的孔徑為4.8mm,孔間距為8mm，EV3機(jī)器人部分積木零件如圖10所示。考慮制作的電子模塊能順利和EV3套件積木安裝一起，制作的電路板安裝孔應(yīng)根據(jù)這一尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語

樂高EV3機(jī)器人是一款優(yōu)秀的科技教育產(chǎn)品，無論是在創(chuàng)客教育還是在STEAM教育領(lǐng)域它都發(fā)揮著重要的作用。希望廣大機(jī)器人教育者共同努力，制作出更多新的電子模塊，不斷拓展樂高EV3機(jī)器人的功能，讓樂高EV3機(jī)器人成為業(yè)界更出色的教育產(chǎn)品，為教育事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。