CN209394678U - 一种具有扩展接口的机器人控制板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有扩展接口的机器人控制板，涉及机器人控制器技术领域，总线扩展单元包括总线控制器和多个相互并联的总线扩展接口，总线扩展接口的连接线部分用于对总线扩展单元进行供电部分用于通信总线；充电单元包括充电USB接口、电池接口、电池和多个充电管理芯片，供电单元包括防电池反接电路；主控单元包括：主控芯片，主控芯片与其他单元电性连接；采用总线方式实现控制器与子模块通信，使得用户在接入子模块时不用区分扩展端口的标识，降低了使用难度；同时采用总线通信的方式，使得可扩展子模块的数量不受限制，拓展了应用功能；并且采用485总线电平通信，使得扩展的子模块可以与机器人控制器相距很远，拓展了应用范围。

Description

一种具有扩展接口的机器人控制板

技术领域

本实用新型涉及机器人控制器技术领域，尤其涉及一种具有扩展接口的机器人控制板。

背景技术

教育机器人的主要功能是传授机器人知识，这就要求教育机器人具有可编程功能，可扩展功能，结构简单，成本低。目前市场上的教育机器人控制器采用主控芯片IO口扩展，该扩展方式扩展能力弱，要按端口标识扩展外部模块，并且扩展外部模块的数量有限制，模块通信距离短；目前市场上教育机器人控制器主板上带有开关电源，导致成本提高，电源驱动能力下降；并且输出端口没有完善的保护电路；充电速度慢；电池不带反接保护；主控芯片处理速度慢；通信波特率低等缺点。

综上所述，目前市场上还缺乏一种，不用按端口标识扩展，扩展模块数量不受限制，能长距离通信；用电池电压直供各个模块，不使用开关电源；能实现快速充电；电池反接保护；主控芯片运算速度快；通信波特率高；并具有完善保护电路的教育机器人控制器。

实用新型内容

本实用新型针对背景技术的问题提供一种具有扩展接口的机器人控制板，采用总线方式实现控制器与子模块通信，使得用户在接入子模块时不用区分扩展端口的标识，降低了使用难度；同时采用总线通信的方式，使得可扩展子模块的数量不受限制，拓展了应用功能；并且采用485总线电平通信，使得扩展的子模块可以与机器人控制器相距很远，拓展了应用范围。

为了实现上述目的，本实用新型提出一种具有扩展接口的机器人控制板，所述控制板的侧边设置有总线扩展单元，另一侧边设置有充电单元及供电单元，控制板正面设置有主控单元；

所述的总线扩展单元包括：总线控制器和多个相互并联的总线扩展接口，总线控制器与总线扩展接口电性连接；所述的总线扩展接口的连接线部分用于对总线扩展单元进行供电，部分用于通信总线；

所述的充电单元包括：充电USB接口、电池接口、电池和多个充电管理芯片，所述的充电管理芯片分别与充电USB接口、电池接口和电池电性连接；

所述的供电单元包括：与电池电性连接的防电池反接电路；

所述的主控单元包括：主控芯片，主控芯片与其他单元电性连接。

优选地，所述的防电池反接电路包括：第一N型MOS管、第二N型MOS管和一个电阻，所述第一N型MOS管与第二N型MOS管并联连接再与电阻串联构成防电池反接电路。

优选地，所述控制板为未设置开关电源的控制板。

优选地，所述控制板还设置有：蓝牙通信单元，所述的蓝牙通信单元包括：板载蓝牙天线、蓝牙芯片、外围电路、蓝牙状态指示灯和蓝牙串口。

优选地，所述的板载蓝牙天线采用电路板印刷天线，所述电路板印刷天线去掉阻焊层并做镀金处理；蓝牙天线的接口端并联电容，所述电容大小根据阻抗匹配需要进行选择。

优选地，所述控制板还设置有：板载传感器单元，所述的板载传感器单元包括：光敏传感器、红外遥控接收器及按键。

优选地，所述控制板还设置有：板载效应器单元，所述的板载效应器单元包括：蜂鸣器、红外遥控发送器及彩灯。

优选地，所述控制板还设置有：板载驱动端口，所述的板载驱动端口包括：舵机端口。

优选地，所述控制板还设置有：直流电机控制单元，所述的直流电机控制单元包括：直流电机控制芯片及直流电机接口。

优选地，所述供电单元，还包括：电源开关、供电自恢复保险丝、防静电保护管、稳压电容、多个低压降线性稳压器和分压电阻电路；

所述的电源开关的一端同时连接供电自恢复保险丝的一端和防电池反接电路的一端，供电自恢复保险丝的另一端同时连接防静电保护管的正极、稳压电容的正极、低压降线性稳压器的输入端及分压电阻电路的一端并接5V电；防电池反接电路另一端、防静电保护管的负极、稳压电容的负极及分压电阻电路的另一端接地。

本实用新型提出一种具有扩展接口的机器人控制板，具有如下有益效果：

(1)本实用新型采用RJ11(4P4C)接口作为子模块扩展接口，采用总线方式实现控制器与子模块通信，使得用户在接入子模块时不用区分扩展端口的标识，降低了使用难度；同时采用总线通信的方式，使得可扩展子模块的数量不受限制，拓展了应用功能；并且采用485总线电平通信，使得扩展的子模块可以与机器人控制器相距很远，拓展了应用范围。

(2)本实用新型采用电池直接供电的方式，不使用开关电源，使得控制器的成本降低，功率容量增大，减少了死机的现象。

(3)本实用新型采用多个充电管理芯片同时对电池充电的方式，加快了充电速度，提高了用户体验。

(4)本实用新型采用的充电管理芯片具有电池防反接功能，采用的供电模块具有电池防反接功能，保证了用户在电池反接时不损坏控制器。

(5)本实用新型采用的主控芯片采用STM32序列单片机，比AVR单片机具有更好的运算速度和更高的通信波特率，使得控制器功能更强大。

(6)本实用新型提供的机器人控制器具有完善的过流保护电路，当用户对接口使用不当时，不会损坏本实用新型提供的机器人控制器。

(7)本实用新型提供的机器人控制器，接口位置排列合理，使用方便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用新型第一优选实施例中具有控制接口的机器人控制板结构图；

图2是本实用新型第一优选实施例中总线扩展单元电路图；

图3是本实用新型第一优选实施例中USB接口电路图；

图4是本实用新型第一优选实施例中供电单元电路图；

图5是本实用新型第一优选实施例中主控单元电路图；

图6是本实用新型第二优选实施例中蓝牙通信单元电路图；

图7是本实用新型第三优选实施例中板载传感器单元电路图；

图8是本实用新型第四优选实施例中板载效应器单元电路图；

图9是本实用新型第五优选实施例中板载驱动端口电路图；

图10是本实用新型第六优选实施例中直流电机控制单元电路图；

图11是本实用新型第七优选实施例中具有控制接口的机器人控制板结构图；

符号说明：

1-复位按钮；2-光敏传感器；3-红外遥控发射器；4-蜂鸣器；5-红外遥控接收器；6-1-第一安装孔；6-2-第二安装孔；6-3-第三安装孔；6-4-第四安装孔；7-电池盒；

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种具有扩展接口的机器人控制板；

本实用新型第一优选实施例中，如图1所示，所述控制板为未设置开关电源的控制板；所述控制板的侧边设置有总线扩展单元，另一侧边设置有充电单元及供电单元，控制板正面设置有主控单元；

本实用新型实施例中，如图2所示，总线扩展单元包括：总线控制器U1和6个相互并联的总线扩展接口RJ11(4P4C)接口，总线控制器U1与总线扩展接口RJ11(4P4C)接口电性连接；所述的总线扩展接口的四条线中两条用来给扩展模块供电，另外两条作为通信总线；

本实用新型实施例中，总线控制器U1的作用是作为串口协议和485总线协议网关；485总线接RJ11(4P4C)接口中的两条通信线；RJ11(4P4C)接口相互之间并联连接；该接口的两条供电线，其中一条接控制器系统地，另一条接供电自恢复保险丝F3输出端；

本实用新型实施例中，如图3和图4所示，充电单元包括：充电USB接口P13、电池接口P12、电池、充电管理芯片U3、充电管理芯片U5、充电状态指示灯D16和充电状态指示灯D17；

本实用新型实施例中，2个相同的充电管理芯片U3、U5对同一个电池充电；2个充电管理芯片U3、U5对一个电池充电时，充电状态指示灯D16用于表示充电和充电状态指示灯D17用于表示充满，充电状态指示灯D16和充电状态指示灯D17接在其中一个充电管理芯片U3的充电指示引脚1和充满指示引脚5上；充电管理芯片U3、U5的地线GND_usb和电池负极相连，不与控制器系统地线GND直接相连；本实用新型实施例中充电管理芯片的型号为：TP4057；

本实用新型实施例中，电池放在电池盒内，正负极由导线引出，导线另一端接有接头，该接头可接入电池接口P12；

本实用新型实施例中，如图3所示，充电USB接口P13提供充电电源；充电USB接口P13的电源线串联充电自恢复保险丝F4后对充电管理芯片U3、U5供电；充电USB接口P13的负极P135与电池的负极GND_usb相连；充电USB接口P13的数据线通过压敏电阻R39、R41接电池负极GND_usb；

本实用新型实施例中，如图4所示，供电单元包括：与电池电性连接的防电池反接电路、电源开关S2、供电自恢复保险丝F3、防静电保护管D7、稳压电容C22、低压降线性稳压器VR1、低压降线性稳压器VR2和分压电阻电路；

本实用新型实施例中，如图4所示，电源开关S2是单刀双掷开关，该开关包含动端和不动端1、不动端2；开关的动端接电池正极P121，不动端1接供电自恢复保险丝F3，不动端2悬空；

本实用新型实施例中，如图4所示，防电池反接电路包括MOS管芯片Q8和电阻R24，所述芯片Q8包含2个N型MOS管；2个N型MOS管并联使用，MOS管漏极接电池负极GND_usb，MOS管源极接控制器系统地线GND，MOS管栅极接电阻R24一端，电阻R24另一端接电源开关S2不动端1；MOS管芯片Q8的型号为：FS8205；

本实用新型实施例中，如图4所示，所述的电源开关S2的一端同时连接供电自恢复保险丝F3的一端和防电池反接电路的一端(电阻R24另一端)，供电自恢复保险丝F3的另一端同时连接防静电保护管D7的正极、稳压电容C22的正极、低压降线性稳压器VR1的输入端、低压降线性稳压器VR2的输入端及分压电阻电路的一端并接5V电；防电池反接电路另一端、防静电保护管D7的负极、稳压电容C22的负极及分压电阻电路的另一端接地；线性稳压器VR1输出端给主控模块供电；线性稳压器VR2输出端给蓝牙模块供电；

本实用新型实施例中，如图4所示，分压电阻电路用两个相同阻值的电阻R34、R36串联，对供电自恢复保险丝F3输出端与控制器系统地GND之间的电压，进行串联分压；其中与控制器系统地相连的电阻R36并联一电容C23；两个电阻的串联接点作为分压电路输出端BAT_V。

本实用新型实施例中，如图5所示，主控单元包括：主控芯片U4、四个串口、脉宽调制信号输出、高低电平输入端口、高低电平输出端口、两路模拟信号采集端口、复位电路及调试接口JP1，主控芯片与其他单元电性连接。

本实用新型实施例中，四个串口分别接蓝牙串口(BT_RS、BT_TX)、总线扩展接口(SC_RS、SC_TX)、外部模块控制接口(MC_RS、MC_TX)和调试串口(USB_RS、USB_TX)，其中外部模块控制接口(MC_RS、MC_TX)与调试串口(USB_RS、USB_TX)以焊盘形式出现在控制器电路板上，不焊接元件；脉宽调制信号STGR1、STGR2接舵机控制端口，脉宽调制信号DCM1_PWM、DCM2_PWM接直流电机控制模块，脉宽调制信号LED_R、LED_G、LED_B接RGB彩灯控制端口，脉宽调制信号Buzzer接蜂鸣器控制端口；高低电平输入端口IR_in接红外遥控接收器，高低电平输入端口key2接按键；高低电平输出端口SC_TE接总线扩展模块，高低电平输出端口DCM1_DIR、DCM2_DIR接直流电机控制模块；两路模拟信号采集端口BAT_V、light，其中模拟信号采集端口light接光敏传感器的输出端，模拟信号采集端口BAT_V接分压电路输出端；复位电路用于主控芯片复位；调试接口JP1用于下载主控芯片程序；

本实用新型第二优选实施例中，如图6所示，在第一优选实施例的基础上，控制板还设置有：蓝牙通信单元，所述的蓝牙通信单元包括：板载蓝牙天线ANT1，蓝牙芯片U10与外围电路，蓝牙状态指示灯D19，蓝牙串口(BT_RS、BT_TX)；所述的板载蓝牙天线ANT1采用电路板印刷天线，所述电路板印刷天线去掉阻焊层并做镀金处理；蓝牙天线ANT1的接口端并联电容C46，电容C46大小，可根据阻抗匹配需要进行选择；

本实用新型实施例中，蓝牙芯片U10与外围电路和蓝牙串口(BT_RS、BT_TX)，共同组成一个蓝牙转串口网关；该网关接收手机发来的命令，转发给主控芯片U4，同时主控芯片U4上的数据通过蓝牙转串口(BT_RS、BT_TX)发送给手机端，实现手机和本实用新型提供的机器人控制器之间的数据通信功能；

本实用新型实施例中，蓝牙状态指示灯D19接在蓝牙芯片的IO口P_10上；该指示灯D19闪烁代表蓝牙模块处于广播状态，该指示灯D19长亮代表蓝牙模块成功连接手机；该指示灯D19发光颜色为蓝色；

本实用新型第三优选实施例中，如图7所示，在第二优选实施例的基础上，所述控制板还设置有：板载传感器单元，所述的板载传感器单元包括：光敏传感器LR1、红外遥控接收器U8和按键S4；

本实用新型实施例中，光敏传感器LR1和一个电阻R37串联，电阻R37另一端接控制器系统地GND，光敏传感器LR1另一端接线性稳压器VR1的输出端；光敏传感器LR1与电阻R37串联接点，接模拟信号采集端口light；光敏传感器LR1为一光敏二极管；光敏传感器LR1在工作时处于反偏状态；

本实用新型第四优选实施例中，如图8所示，在第三优选实施例的基础上，所述控制板还设置有：板载效应器单元，所述的板载效应器单元包括：蜂鸣器LS1、红外遥控发送器LED1、RGB彩灯LD1和RGB彩灯LD2；

本实用新型第五优选实施例中，如图9所示，在第四优选实施例的基础上，所述控制板还设置有：板载驱动端口，所述的板载驱动端口包括：舵机端口P_SG1和舵机端口P_SG2。

本实用新型实施例中，舵机端口由舵机接插件P_SG1、P_SG2，舵机电解电容C7、C8，舵机自恢复保险丝F5、F6组成；舵机自恢复保险丝F5、F6一端接供电自恢复保险丝F3，另一端接电解电容C7、C8正极；舵机电解电容C7、C8负极接控制器系统地GND；舵机接插件P_SG1、P_SG2有三个焊点，焊点1接主控芯片脉宽调制信号STGR1、STGR2输出，焊点2接电解电容正极C7、C8，焊点3接控制器系统地GND；

本实用新型第六优选实施例中，如图10所示，在第五优选实施例的基础上，所述控制板还设置有：直流电机控制单元，所述的直流电机控制单元包括：直流电机控制芯片U2、直流电机接口P7和直流电机接口P8；电机控制芯片U2根据主控芯片发来的脉宽调制信号DCM1_PWM、DCM2_PWM，控制电机接口P7、P8的输出电压；电机控制芯片U2根据主控芯片发来的高低电平信号DCM1_DIR、DCM2_DIR，控制电机接口P7、P8的输出极性；电机输出接口P7、P8串联有电机自恢复保险丝F1、F2；电机接口有两个输出极性指示灯D1、D2、D3、D4，利用发光二极管单向导电性实现指示电机接口P7、P极性的目的。

本实用新型实施例中，供电自恢复保险丝F3输出端接总线控制器，直流电机控制芯片U2，舵机接口P_SG1、P_SG2，RGB彩灯LD1、LD2，蜂鸣器LS1，红外遥控发生器LED1，红外遥控接收器U8的供电端。

本实用新型第七优选实施例中，如图5所示，在第五优选实施例的基础上，所述控制板还设置有：控制器状态指示灯，包括蓝牙通信指示灯D12、总线通信指示灯D13、通信错误指示灯D14和电池弱电指示灯D6；

本实用新型实施例中，控制器状态指示灯D12、D13、D14、D6，指示灯颜色为红色；当收到蓝牙串口发来的指令时，蓝牙通信指示灯D12亮，当指令解析成功时蓝牙通信指示灯D12灭；当控制器发送总线命令时，总线通信指示灯D13亮，当收到挂在总线上电子模块返回的数据时，总线通信指示灯D13灭；控制器向总线发送命令后，当接收总线上电子模块返回数据超时，通信错误指示灯D14亮，当收到电子模块返回的数据时，通信错误指示灯D14灭；当电池电量大于50％时，电池弱电指示灯D6灭，当电池电量在10％至50％之间时弱电指示灯D6闪烁；当电池电量小于10％时，弱电指示灯D6亮。

本实用新型实施例中，如图11所示，图中，1表示复位按钮；2表示光敏传感器；3表示红外遥控发射器；4表示蜂鸣器；5表示红外遥控接收器；6-1表示第一安装孔；6-2表示第二安装孔；6-3表示第三安装孔；6-4表示第四安装孔；7表示电池盒；控制板背面不放置元件；控制板正面边缘排列与用户的交互界面，其中蜂鸣器LS1放置在前边缘的中间位置，从蜂鸣器LS1开始向左边放置了红外遥控接收器U8，蓝牙天线ANT1；从蜂鸣器LS1开始向右放置了红外遥控发送器LED1，光敏传感器LR1，复位按钮S1；RGB彩灯LD1、LD2放置在蜂鸣器LS1后方的左右两侧；控制器右边边缘，从前向后依次放置调试接口JP1，总线扩展接口P2，总线扩展接口P3，总线扩展接口P4，舵机接口P_SG1，直流电机接口P7；控制器左边边缘，从前向后依次放置总线扩展接口P5，总线扩展接口P6，总线扩展接口P9，舵机接口P_SG2，直流电机接口P8；其中左右两边的总线扩展接口P2、P3、P4、P5、P6、P9，舵机控制接口P_SG1、P_SG2，直流电机接口P7、P8左右对称放置；控制器后边边缘，从左到右依次放置USB接口P13；电池接口P12；电源开关S2，按键S4；机器人控制器电路板四个角上放置安装孔。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有扩展接口的机器人控制板，其特征在于，所述控制板的侧边设置有总线扩展单元，另一侧边设置有充电单元及供电单元，控制板正面设置有主控单元；

所述的总线扩展单元包括：总线控制器和多个相互并联的总线扩展接口，总线控制器与总线扩展接口电性连接；所述的总线扩展接口的连接线部分用于对总线扩展单元进行供电，部分用于通信总线；

所述的充电单元包括：充电USB接口、电池接口、电池和多个充电管理芯片，所述的充电管理芯片分别与充电USB接口、电池接口和电池电性连接；

所述的供电单元包括：与电池电性连接的防电池反接电路；

所述的主控单元包括：主控芯片，主控芯片与其他单元电性连接，所述的其他单元包括总线扩展单元、充电单元及供电单元。

2.根据权利要求1所述的具有扩展接口的机器人控制板，其特征在于，所述的防电池反接电路包括：第一N型MOS管、第二N型MOS管和一个电阻，所述第一N型MOS管与第二N型MOS管并联连接再与电阻串联构成防电池反接电路。

3.根据权利要求1所述的具有扩展接口的机器人控制板，其特征在于，所述控制板为未设置开关电源的控制板。

4.根据权利要求1所述的具有扩展接口的机器人控制板，其特征在于，所述控制板还设置有：蓝牙通信单元，所述的蓝牙通信单元包括：板载蓝牙天线、蓝牙芯片、外围电路、蓝牙状态指示灯和蓝牙串口。

5.根据权利要求4所述的具有扩展接口的机器人控制板，其特征在于，所述的板载蓝牙天线采用电路板印刷天线，所述电路板印刷天线去掉阻焊层并做镀金处理；蓝牙天线的接口端并联电容，所述电容大小根据阻抗匹配需要进行选择。

6.根据权利要求1所述的具有扩展接口的机器人控制板，其特征在于，所述控制板还设置有：板载传感器单元，所述的板载传感器单元包括：光敏传感器及红外遥控接收器。

7.根据权利要求1所述的具有扩展接口的机器人控制板，其特征在于，所述控制板还设置有：板载效应器单元，所述的板载效应器单元包括：蜂鸣器、红外遥控发送器及彩灯。

8.根据权利要求1所述的具有扩展接口的机器人控制板，其特征在于，所述控制板还设置有：板载驱动端口，所述的板载驱动端口包括：舵机端口。

9.根据权利要求1所述的具有扩展接口的机器人控制板，其特征在于，所述控制板还设置有：直流电机控制单元，所述的直流电机控制单元包括：直流电机控制芯片及直流电机接口。

10.根据权利要求1所述的具有扩展接口的机器人控制板，其特征在于，所述供电单元，还包括：电源开关、供电自恢复保险丝、防静电保护管、稳压电容、多个低压降线性稳压器和分压电阻电路；

所述的电源开关的一端同时连接供电自恢复保险丝的一端和防电池反接电路的一端，供电自恢复保险丝的另一端同时连接防静电保护管的正极、稳压电容的正极、低压降线性稳压器的输入端及分压电阻电路的一端并接5V电；防电池反接电路另一端、防静电保护管的负极、稳压电容的负极及分压电阻电路的另一端接地。