乐高EV3机器人电子模块制作

李润成

1 问题提出

随着科学技术快速发展，社会对人的创造能力有了更高要求。近年来创客教育作为一种培养人的创造力和科学思维的教育正在全国大范围铺开，机器人教育作为创客教育的一种形式，它让学习者在学习各种科学技术，电子知识及计算机知识同时提升动手能力和逻辑思维。在少儿机器人教育产品中，乐高EV3机器人具有非常重要的地位，然而其电子模块数量相对国内的Makeblock和DFRobot等机器人产品较少，但这些产品在结构制作方面与乐高成熟的积木搭建系统仍有差距，因此只要能制作出更多的兼容积木结构和EV3硬件接口的电子模块，教学者便能继续发挥EV3机器人的优势，开展更丰富的机器人教学内容。制作的兼容EV3机器人电子模块如图1所示。

图1 兼容EV3机器人电子模块

2 EV3控制器端口介绍

要实现EV3电子模块的制作，必须先知道控制器的端口引脚定义和功能才能设计相应原理图和PCB电路板。EV3控制器输入输出端口采用统一的RJ12-6P6C右扣位插座，其外形如图2所示，套件中的每个电子模块拥有1个RJ12-6P6C右扣位插座，电子模块与控制器通过匹配插座的电线相连。EV3控制器有8个端口，4个为输入端口，4个为输出端口。输入端口用于连接套件中的模拟传感器和数字传感器，输入端口引脚定义如表1所示。输出端口用于连接套件中的执行器件，包括大型马达和中型马达，其引脚定义如表2所示。

图 2 RJ12—6P6C 右扣位插座

表1 EV3控制器输入端口引脚定义

表2 EV3控制器输出端口引脚定义

3 EV3传感器制作方法

对于电子创客或机器人创客课堂中常用的模拟传感器和数字传感器模块，它们普遍采用三线接口，接口定义为电源正极，负极和信号输出。对于大部分三线接口的传感器，包括模拟输入和数字输入传感器，可以将它们的电路原理图结合EV3输入端口的引脚定义及功能制作出兼容EV3控制器的传感器。对于三线接口模拟型传感器，其原理图如图3所示，三线接口的数字型传感器在信号输出口再串联大小为2.2k的电阻即可。

3.1 输入电子模块原理图

图3 三线接口模拟型传感器原理图

3.2 触摸开关模块

为进一步说明EV3机器人输入模块制作方法，接下来以触摸开关模块为例深入了解其功能和原理图。触摸开关模块为数字型传感器，其实物如图4所示。本文介绍的触摸开关模块可以实现触摸感应检测功能，使用者触摸感应表面时传感器输出高电平信号，信号输出模式能通过自锁选择开关设置成保持和非保持两种模式。

图4 触摸开关模块

（1）TTP223触摸按键芯片

本设计中的触摸开关模块实现触摸感应功能的核心是单键电容式触摸按键芯片—TTP223，该芯片为SOT23-6封装。TTP223能利用操作者的手指与触摸感应表面之间的电容值变化来确定手指接近或者触摸到感应表面，感应表面也可以放置到任何绝缘层（通常为玻璃或者塑料材料）的后面。

（2）触摸开关模块原理图

应用该芯片制作的触摸开关模块原理图如图5所示，其中PAD为触摸感应板，发生触摸行为时，芯片的I引脚可以检测电容值的变化，从而实现触摸信号的检测。SW1为自锁选择开关，该开关可以设置选择触摸时的电平输出为保持或非保持信号。图中C3电容影响触摸灵敏度，其值越大，灵敏度越低，其值越小，灵敏度越大，此处电容大小应根据触摸板的面积和材料去选择。C2为电解电容，可以对不平滑的直流电源滤波起到平滑作用，C1小电容滤除直流中的交流高频干扰信号[2]。TOG 和 AHLB 为输出模式配置管脚，可以对管脚 Q 的工作模式进行配置。原理图中AHLB与电源地相连，表示非触摸状态下输出信号为低电平，触摸时芯片输出为高电平。TOG处接2位选择开关，通过开关设置输出保持信号或非保持信号。

图5 触摸开关电子模块原理图

4 EV3输出器件制作方法

4.1 输出电子模块原理图

与输入端口不同，EV3输出端口在官方套件的使用中与输出器件马达相连，控制马达旋转速度，方向和位移。在课堂教学中，常用的输出器件如LED并没有在乐高EV3套件中单独出现，虽然EV3控制器上集成了LED，但颜色种类单一，而且在制作一些LED的特殊效果如呼吸灯时无法满足。此外EV3自带的马达器件内装有减速齿轮，速度较慢，虽然可以在模型制作中通过加速齿轮组实现加速，但比较麻烦。

对于单色LED灯，直流马达等输出器件，结合EV3输出端口的引脚定义及功能可以制作出兼容EV3控制器的输出器件，输出电子模块原理图如图6所示。由于EV3控制器内部已经自带马达驱动电路，因此制作的马达原理图需要考虑电磁干扰和过载保护。单色LED的原理图则考虑限流保护，其原理图可以在输出电子模块原理图基础上去除保险丝和电容，在LED正极与PWM输出相连处接上合适大小电阻即可。

图6 输出电子模块原理图

4.2 直流马达模块

图7 直流马达模块

为进一步说明EV3机器人的输出器件制作方法，下面以直流马达为例具体展开。制作的马达模块如图7所示。该直流马达模块可以实现马达速度调整以及改变旋转方向功能，而且模块中带有过载保护功能，防止马达超载时电流过大损坏EV3控制器的内部驱动电路。

直流马达模块原理图如8所示。其中C1电容起消除火花作用，减少马对电路的电磁干扰。PTC1为自恢复保险丝，由于EV3输出口持续输出电流为700mA，短时峰值为1A，为了保护内部电路，保险丝是非常有必要的。R2和R1用作EV3控制器对输出器件的类型识别，EV3输出口通过读取6号和5号引脚的电压识别是否为马达类型，马达类型识别结果如图9所示。如果不需要实现该功能，5,6号引脚可不连接任何器件。

图8 直流马达模块原理图

图9 马达类型识别结果

5 电路板安装孔尺寸

图10 EV3机器人部分积木零件

EV3机器人套件积木的孔径为4.8mm,孔间距为8mm，EV3机器人部分积木零件如图10所示。考虑制作的电子模块能顺利和EV3套件积木安装一起，制作的电路板安装孔应根据这一尺寸进行设计。

6 结语

乐高EV3机器人是一款优秀的科技教育产品，无论是在创客教育还是在STEAM教育领域它都发挥着重要的作用。希望广大机器人教育者共同努力，制作出更多新的电子模块，不断拓展乐高EV3机器人的功能，让乐高EV3机器人成为业界更出色的教育产品，为教育事业做出更大贡献。