基于ARM的教育机器人的控制系统的制作方法

本发明涉及控制系统，具体地，涉及一种基于ARM的教育机器人的控制系统。

背景技术：

随着科技的发展和教学理念的变化，机器人教育在青少年的教育当中越来越重要。从幼儿园阶段开始启蒙；到小学阶段的兴趣培养；到初中阶段的能力提升；再到高中阶段的个性发展；最后到大学里的专业深造。机器人教育是校内教育的不可或缺的重要组成部分。校内教育是文化课的教与学，机器人教育则是校外教育的学与做。

机器人教育离不开教育机器人。一般来说，教育机器人是专门开发的以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的机器人成品、套装或散件。常见的中小学生教育机器人有寻迹机器人、走迷宫机器人、灭火机器人、救援机器人、足球机器人、篮球机器人等。本发明在充分研究了常见的教育机器人种类之后，旨在设计一款能够适用于各类机器人的通用型CPU控制系统。鉴于各类机器人的用途差异，所需的传感器的种类、数量、接口都存在一定的差异性，所以在设计时把CPU控制系统的传感器端口对外开放，共有I/O口、模数转换口、串口、IIC口、舵机驱动口共26组，可以满足常用传感器的需要。鉴于各类机器人对CPU控制系统的体积要求，设计时为了节省空间，按照功能模块设计成3层立体结构，每层结构都用固定的插针插座连接电信号，保证其可靠性。

本发明的CPU控制系统，能够用于不同的机器人学习竞赛平台，比如巡线机器人、灭火机器人、救援机器人、足球机器人。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于ARM的教育机器人的控制系统。

根据本发明提供的一种基于ARM的教育机器人的控制系统，包括：人机交互模块、CPU模块以及驱动模块；其中：

所述人机交互模块包括LCD、按键、LED指示灯、系统复位键RST以及与所述CPU模块连接的接口；

所述CPU模块包括蜂鸣器、与所述人机交互模块连接的接口、与所述驱动模块连接的接口、电源负极排针、电源正极排针以及开放接口；

所述驱动模块包括螺丝孔、马达接口、电池接口、与所述CPU模块连接的接口、电源开关以及电源指示灯；

所述人机交互模块和所述CPU模块连接；所述CPU模块和所述驱动模块连接。

优选地，所述开放接口包括：数字式I/O口、舵机接口、串口、模数转换口、IIC接口以及螺丝孔。

优选地，所述CPU模块通过与所述人机交互模块连接的接口和人机交互模块连接，进行数据的传输和电源的连接；

所述CPU模块通过与所述人机交互模块连接的接口提供电源给人机交互模块；

所述CPU模块通过与所述人机交互模块连接的接口发送数据驱动LCD和LED指示灯显示；

CPU模块通过与所述人机交互模块连接的接口读取按键和系统复位键RST的电平。

优选地，还包括传感器，所述传感器连接在所述数字式I/O口上，所诉CPU模块通过所述数字式I/O口能够读取传感器的状态；

所述CPU模块能够读取连接在模数转换口上的模拟电压；

所述CPU模块能够读取所述串口和所述IIC接口上的数字式设备上的数据；

所述CPU模块能够驱动连接在舵机接口上的舵机；

所述CPU模块能够控制蜂鸣器的声音。

优选地，所述CPU模块与所述驱动模块连接的接口的其中4路信号是PWM信号；所述CPU模块与所述驱动模块连接的接口的另外2根线从所述驱动模块取5V的电压。

优选地，所述电池接口连接外部直流电源，所述直流电源电源经过LM2596降压稳压后输出5V/3A电源，通过与所述CPU模块连接的接口给CPU模块供电，电源开关为总开关，所述马达接口连接外部马达。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明按照模块化设计合理，集成度高，性能稳定；

2、通过合适的传感器实现机器人相应的功能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于ARM的教育机器人的控制系统的系统框图；

图2为人机交互模块框图；

图3为CPU模块框图；

图4为驱动模块框图；

图5为人机交互模块结构示意图；

图6为CPU模块结构示意图；

图7为驱动模块结构示意图。

图中：人机交互模块1、CPU模块2、驱动模块3、人机交互模块和CPU模块的接口4、LCD接口5、第一按键6、第二按键7、第三按键8、第四按键9、系统复位键RST10、第一LED指示灯11、第二LED指示灯12、第三LED指示灯13、第四LED指示灯14、蜂鸣器15、和人机交互模块的第一接口16、和人机交互模块的第二接口17、和驱动模块的接口18、第一电源负极排针19、第一电源正极排针20、数字式I/O口21、第一舵机接口22、第二舵机接口23、串口24、第二电源负极排针25、第二电源正极排针26、模数转换口27、第一IIC接口28、第二IIC接口29、第三IIC接口30、第一螺丝孔31、第二螺丝孔32、第三螺丝孔33、第四螺丝孔34、第五螺丝孔35、第六螺丝孔36、第七螺丝孔37、第八螺丝孔38、第一马达接口39、第二马达接口40、电池接口41、和CPU驱动板的接口42、电源开关43、电源指示灯44。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的基于ARM的教育机器人的控制系统，包括人机交互模块、CPU模块以及驱动模块。

所述人机交互模块工作电压为3.3V，包括LCD、LED、键盘和与CPU模块的接口；CPU模块工作电压主要为3.3V(舵机为5V)，包括STM32核心系统、26组开放接口、蜂鸣器、3.3V/1A电源、与人机交互模块连接的接口以及与驱动模块连接的接口；所述驱动模块工作电压是12V和5V，包括12V电池输入接口、5V/3A电源、2路MOS管H桥马达驱动和与CPU模块的接口。如图1所示，电路设计从上到下，第一层为人机交互模块，第二层为CPU模块，第三层为驱动模块。

CPU模块和人机交互模块的连接：CPU模块通过22个I/O口驱动2.8寸LCD、通过4个I/O口驱动4个LED的亮暗、通过4个I/O口读取4个按键的状态、LCD通过2根电源线从CPU模块上取3.3V的电压，共32根线，通过16p*2个2.54mm间距的插针可靠地连接在一起。

CPU模块和驱动模块通过一个6p的插针连接，包括4个PWM信号和两根5V电源线。CPU通过4个PWM信号线控制马达驱动，同时，CPU模块通过2根电线从驱动板上取5V/3A的电源。另外，CPU模块和驱动模块有4个φ3的孔，通过螺丝固定在一起。

图2为人机交互模块框图，所述人机交互模块的LCD、LED指示灯和按键通过16p*2的双排接口连接到CPU模块的引脚上。LCD接口为16位的80并口，模块采用16位的并口与CPU连接，片选信号CS连接CPU的PC9，写入数据WR连接CPU的PC7；读取数据RD连接CPU的PC6；16位双向数据线连接CPU的PE0-PE15；RST复位连接CPU的RST；RS命令/数据标志连接CPU的PC8；背光控制线连接CPU的PC10。4个发光二极管LED1-LED4采取共阳极的接法直接连接到CPU的PC11、PC12、PC13和PC14，4个按键K1-K4直接连接到CPU的P0、PC1、PC2和PC3。

图3为CPU模块框图，除了与人机交互模块的连接之外，还有26组开放接口和4路PWM信号控制马达驱动。26组开放的接口为：10组数字式I/O直接连接到CPU的PD0—PD9；10组模数转换口ADC0—ADC9直接连接到CPU的PA0—PA7和PB0、PB1十个端口上；3组IIC接口以并联的方式连接到CPU的PD14(SDA)和PD15(SCL)上；1组UART串口直接连接到CPU的串口3PB10(TX)和PB11(RX)上；2组5V舵机口直接连接到CPU的PD11和PD12上。4路PWM信号口分别是PB6—PB9，通过一个6p的插针连接到驱动模块控制马达驱动。CPU模块内部还设计了ASM1117电路，提供3.3V/1A的电源模块供CPU模块和人机交互模块用电。另外，CPU模块还设计了蜂鸣器模块，由CPU的PC15通过一个三极管驱动。

10组数字式I/O口兼容5V的输入，可以直接连接数字式的机器人传感器，如红外测距传感器、数字式灰度传感器等；10组模数转换口输入的最高电压为3.3V，12位的转换精度，可以直接连接模拟传感器，如灰度传感器、测距传感器、测温传感器等；3路并联的IIC接口兼容5V器件，IIC协议通过软件实现，可以连接IIC协议的传感器，如指南针、超声波传感器、复眼等；1路UART串口兼容5V器件，可以连接串口类的传感器；2路舵机接口可提供5V/3A的功率驱动常见舵机。

图4为驱动模块框图，除了与CPU模块电源和PWM信号的连接之外，对外设计有两组接口。第一组为外部12V电池输入接口，第二组为2路马达输出接口，可以直接连接机器人的马达。模块内部有两路电隔离的大功率MOS管马达驱动，有一个基于LM2596的以12V电源为输入的5V/3A的稳压电路。另外，设计有电源指示灯和电源开关。

图5至图7为人机交互模块、CPU模块以及驱动模块的结构示意图。

其中人机交互模块1包含人机交互模块和CPU模块的接口4、LCD接口5、第一按键6、第二按键7、第三按键8、第四按键9、系统复位键RST10、第一LED指示灯11、第二LED指示灯12、第三LED指示灯13以及第四LED指示灯14。所述CPU模块2包括和人机交互模块的第一接口16、和人机交互模块的第二接口17、和驱动模块的接口18、第一电源负极排针19、第一电源正极排针20、数字式I/O口21、第一舵机接口22、第二舵机接口23、串口24、第二电源负极排针25、第二电源正极排针26、模数转换口27、第一IIC接口28、第二IIC接口29、第三IIC接口30、第一螺丝孔31、第二螺丝孔32、第三螺丝孔33以及第四螺丝孔34、第五螺丝孔35、第六螺丝孔36、第七螺丝孔37、第八螺丝孔38、第一马达接口39、第二马达接口40、电池接口41、和CPU驱动板的接口42、电源开关43以及电源指示灯44。

系统工作时，以CPU模块2为核心。CPU模块2通过和人机交互模块的第一接口16、和人机交互模块的第二接口17连接人机交互模块和CPU模块的接口4，进行数据的传输和电源的连接；CPU模块2通过和人机交互模块的第一接口16、和人机交互模块的第二接口17提供3.3V的电源给人机交互模块1；CPU模块2通过和人机交互模块的第一接口16、和人机交互模块的第二接口17发送数据驱动LCD、LED显示；CPU模块2通过和人机交互模块的第一接口16、和人机交互模块的第二接口17读取第一按键6、第二按键7、第三按键8、第四按键9的电平和系统复位键RST10的电平。

CPU模块2在编程后，按照程序要求可读取连接在10组数字式I/O口上的传感器的状态，可读取连接在10组模数转换口上的模拟电压，可读取串口24和第一IIC接口28、第二IIC接口29、第三IIC接口30上的数字式设备上的数据，可以驱动连接在第一舵机接口22、第二舵机接口23上的舵机，可以控制蜂鸣器15的声音。CPU模块2接口18的其中4路信号是PWM信号，和驱动模块3的接口42连接，通过驱动芯片后控制马达，接口18的另外2根线从驱动模块3取5V的电压，第一螺丝孔31、第二螺丝孔32、第三螺丝孔33、第四螺丝孔34和驱动模块3通过螺栓固定。

驱动模块3的电池接口41连接外部12V直流电源，该电源经过LM2596降压稳压后输出5V/3A电源，通过和CPU驱动板的接口42的其中两根线给CPU模块2供电，电源开关43是整个系统的总开关，、第一马达接口39、第二马达接口40连接外部马达，第五螺丝孔35、第六螺丝孔36、第七螺丝孔37、第八螺丝孔38和CPU模块2通过螺栓固定。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。