一种树莓派教学仪器的制作方法

本发明涉及树莓派的应用，属于树莓派学习、机器人、人工智能、计算机控制相关技术领域，具体涉及一种模块化的树莓派教学仪器。

背景技术：

树莓派（raspberrypi，简写为rpi，或者raspi/rpi）,是为学习计算机编程教育而设计，只有信用卡大小的微型电脑，其系统基于linux。其是一款基于arm的微型电脑主板，以sd/microsd卡为内存硬盘，卡片主板周围有usb接口和一个10/100以太网接口（a型没有网口），可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和hdmi高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有pc的基本功能。树莓派的发明是以提升学校计算机科学及相关学科的教育，让计算机变得有趣为宗旨。

树莓派采用linux系统，编程采用python语言，具有众多封装好的库，开发者使用起来方便快捷，市面上也出现了一些树莓派教育仪器，但这些仪器普遍存在着一些问题，例如结构原始，模块化不强。

发明人在长期的研发过程中发现，产生以上问题的原因主要有以下几种：

（1）原始的树莓派采用杜邦线连接控制硬件或者传感器，该方法只提供了少数电源接口（例如5v，3v，地线），而每个模块都具需要供电，所以往往还需要采用面包板对杜邦线接口进行扩展，导致接线繁杂；

（2）树莓派用于控制硬件的外设采用排针设计，排列紧密，且电路板上没有标注各个外设引脚的名称，使用时需反复查阅开发手册。此外，用树莓派的外设控制电机、步进电机等电器需再外接专用的控制板，不方便入门学习者学习；

（3）原始树莓派电路板散热不好，上只设有特定功能的元件及连接端口，对于其他功能的外接设备，树莓派主板上没有设置相应的连接端口，从而导致无法与树莓派直接连接，造成树莓派功能扩展受限，满足不了客户的实际应用需求。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种树莓派教学仪器，双层结构散热和扩展功能增强，而且方便初学者快速准确的插接外设装置，增加了学习的趣味性。

一种树莓派教学仪器，包括树莓派主控板和外设装置，所述树莓派主控板包括电路拓展板和树莓派电路板，其中所述电路拓展板为双层结构，分为上板和下板采用螺柱相连接固定，所述上板和下板之间通过排针与排母进行电性连接；所述下板上面安装了所述树莓派电路板，且所述树莓派电路板通过排针与所述上板的排母进行电性连接；所述电路拓展板上设置有开关、电源接口、防反插接口；所述电路拓展板上集成设置有电源控制电路、稳压电路、降压电路、直流电机控制芯片、步进电机驱动芯片中一个或多个；所述树莓派电路板上设置有外设接口；所述外设装置通过防反插接口或外设接口与树莓派电路板相连接。

进一步，所述电路拓展板的上板内设置有呈平行的两排拓展排针接口，所述电路拓展板的上板边缘设置有外接端子；其中一排拓展排针接口通过所述电路拓展板上的集成电路与所述上板的排母进行电路连接，另一排拓展排针接口通过电路拓展板上的集成电路与所述外接端子进行电路连接；两排拓展排针接口之间通过跳线帽进行连接。这样可以连接更多的外部设备，提高树莓派教学仪器的功能。

进一步，所述树莓派电路板选自3a、3b或3b+中的任意一种；所述排针为gpio排针，所述排母为gpio排母。

进一步，所述拓展排针接口选自spi、pwm、iixuart接口中的一种或几种。

进一步，所述外设装置选自触摸屏幕、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、u盘、音响、传感器、编码器、执行设备中的一种或多种。所述传感器选自温湿度传感器、红外传感器中的一种或多种。所述执行设备选自led灯、振动电机、直流电机、步进电机中的一种或多种。

进一步，所述防反插接口的插槽前壁设置有2个缺口，后壁没有缺口。多个防反插接口旁设置了不同接口的编号和标注，方便使用者识别，独特的设计让使用者不会插反电路导致短路。

进一步，所述外设接口选自usb接口、hdmi接口、音频接口、内置变压器接口中的一个或多个。这样可连接不同的设备提高适用性。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

1、相对于现有技术中传统的树莓派，本发明通过将树莓派电路板和电路拓展板共同形成两层结构的树莓派主控板，有效增加了电路板面积，有利于树莓派外设引脚排列整理，同时电路拓展板集成了电源控制电路、稳压电路、降压电路、直流电机控制电路、步进电机驱动电路等，可直接通过拓展板控制多种用电器；同时散热效果更好。

2、通过电路拓展板上集成稳压、降压电路，可实现一个电源满足两种电压需求。

3、防反插接口的设置，可保证接头不会插反，且防反插接口按照顺序将树莓派原有的外设引脚以及电路拓展板上集成直流电机接口、步进电机接口等整齐排列在电路板四周，并标注接口的名称和编号，方便学习者使用。树莓派控制的传感器或步进电机同样采用相同型号的防反插接口，只需通过标准的接线就可以和主控板连接实现功能，提高了接口和元器件的使用统一性和兼容性。

4、树莓派本身具有多个usb接口、一个hdmi接口和一个音频接口，相当于一台微型电脑主板，使用时需要通过hdmi接口外接屏幕，通过usb接口外接鼠标、键盘可实现可视化地控制树莓派，并在树莓派系统上编程。此外，树莓派还可以通过usb接口外接摄像头、麦克风、u盘等，通过音频接口外接音响输出声音。

5、通过在电路拓展板上集成了包括spi、pwm、iixuart等不同类型的接口，可以扩展更多不同功能的外设设备，且可根据外设设备连接方式的不同具体选择与电路拓展板之间采用排针排母的方式连接，或者通过外设端子进行连接，极大地拓展了树莓派的连接方式和功能，使其应用更加灵活，同时减少了常规电路中繁杂电路和连接线的设置，更加简洁和方便。

6、电路拓展板通过整理并排列树莓派的外设引脚、同时通过集成电机控制芯片等功能，可以通过连接传感器模块获取传感器的数值，并在树莓派编程中调用，同时可以通过编程控制连接在电路拓展板上如led灯、振动模块、舵机、直流电机、步进电机等执行类外设装置。

附图说明

图1为树莓派教学仪器实施例一的树莓派主控板示意图；

图2为树莓派主控板装配示意图；

图3为树莓派教学仪器实施例二的树莓派主控板示意图；

图4为树莓派教学仪器主控板内排母、拓展排针、外接端子的连接示意图；

图5为树莓派教学仪器整体结构示意图。

其中：1、电路拓展板；2、电源接口；3、树莓派电路板；4、防反插接口；5、风扇；6、开关；7、usb接口；8、microhdmi接口；9、标准hdmi接口；10、音频接口；11、内置变压器接口；12、螺柱；13、排母；14、排针；15、拓展排针接口；16、外接端子；17、跳线帽；41、传感器；42、执行设备；71、鼠标；72、键盘；91、触摸屏幕。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参阅说明书附图图1、图2和图5，本发明提供如下技术方案：

一种树莓派教学仪器，包括电路拓展板1，电源接口2，树莓派电路板3，防反插接口4，风扇5，开关6，usb接口7，microhdmi接口8，标准hdmi接口9，音频接口10，内置变压器接口11；其中所述电路拓展板1为双层结构，分为上板与下板，在机械结构上采用螺柱12相连接固定，在电路层面上，电路拓展板1的上下板之间通过排针14与排母13进行电性连接；电路拓展板1下板一角留空用于安装树莓派电路板3，且树莓派电路板3通过排针14与电路拓展板1上板的排母13进行连接；所述树莓派电路板3为3b+型；所述电路拓展板上集成有稳压电路、降压电路、步进电机控制芯片、直流电机控制芯片；所述开关6、风扇5设置于电路拓展板1的上板，所述防反插接口4数量为四个，依次设置于电路拓展板1上板上侧边缘；所述usb接口7，microhdmi接口8，标准hdmi接口9，音频接口10，内置变压器接口11均设置于树莓派电路板3上，且usb接口7数量为四个，microhdmi接口8，标准hdmi接口9，音频接口10，内置变压器接口11数量均为一个；通过防反插接口4依次连接有传感器41、执行设备42，并在相应接口处标注接口名称和编号；通过usb接口7连接有鼠标71、键盘72；通过标准hdmi接口9连接有触摸屏幕91；所述电源接口2为12v直流电源接口。

本发明形成两层结构的树莓派主控板，其中电路拓展板1由两层电路板构成，有效增加电路板面积，利于树莓派外设引脚排列整理，同时树莓派拓展板1集成了电源控制电路，直流电机控制电路、步进电机驱动电路等，可直接通过拓展板控制多种用电器；电源接口2为12v直流电源接口，不仅能为大部分直流电机、步进电机等需要12v电压的电器供电，通过电路拓展板1上集成稳压、降压电路，还能将电压降低至5v为原有的树莓派电路板3供电，实现一个电源满足两种电压需求；防反插接口4上方具有沟槽，配合专用的接线，可保证接头不会插反。两层电路板上的防反插接口4按照顺序将树莓派原有的外设引脚以及电路拓展板1上连接的传感器模块和执行模块接口整齐排列在电路板四周，并标注接口的名称和编号，方便学习者使用。同时在电路拓展板上还设有散热风扇，可以为树莓派电路板散热，防止芯片过热。本发明所涉及的树莓派相当于一台微型电脑主板，使用时需要通过hdmi接口外接屏幕，通过usb接口外接鼠标、键盘可实现可视化地控制树莓派，并在树莓派系统上编程。此外，树莓派还可以通过usb接口外接摄像头、麦克风、u盘等，通过音频接口外接音响输出声音。

实施例2

参阅说明书附图图3-图5，本发明提供如下技术方案：

一种树莓派教学仪器，包括电路拓展板1，电源接口2，树莓派电路板3，防反插接口4，风扇5，开关6，usb接口7，microhdmi接口8，标准hdmi接口9，音频接口10，内置变压器接口11；其中所述电路拓展板1为双层结构，上板与下板在机械结构上采用螺柱12相连接固定，在电路层面上，电路拓展板1上下板之间通过排针14与排母13进行连接；电路拓展板1下板一角留空用于安装树莓派电路板3，且树莓派电路板3通过排针14与电路拓展板1上层的排母13进行连接；所述树莓派电路板3为3b+型；所述电路拓展板上集成有稳压电路、降压电路、步进电机控制芯片、直流电机控制芯片；所述开关6、风扇5设置于电路拓展板1上板，所述防反插接口4数量为四个，依次设置于电路拓展板1上板上侧边缘；所述usb接口7，microhdmi接口8，标准hdmi接口9，音频接口10，内置变压器接口11均设置于树莓派电路板3上，且usb接口7数量为四个，microhdmi接口8，标准hdmi接口9，音频接口10，内置变压器接口11数量均为一个；通过防反插接口4依次连接有传感器41、执行设备42，并在相应接口处标注接口名称和编号；通过usb接口7连接有鼠标71、键盘72；通过标准hdmi接口9连接有触摸屏幕91；所述电源接口2为12v直流电源接口。

参看图4，电路拓展板上板左侧边缘设置有外接端子16，所述电路拓展板1上板内设置有呈平行的两排拓展排针接口15，其中右排拓展排针接口通过电路拓展板上的集成电路与所述排母13进行电路连接，左排拓展排针接口与所述外接端子16通过电路拓展板上的集成电路进行电路连接；其中两排拓展排针接口15之间通过跳线帽17进行连接；所述拓展排针接口15为spi接口，相应的所述外接端子16为spi端子类型。

本发明形成两层结构的树莓派主控板，其中电路拓展板1由两层电路板构成，有效增加电路板面积，利于树莓派外设引脚排列整理，同时树莓派拓展板1集成了电源控制电路，直流电机控制电路、步进电机驱动电路等，可直接通过拓展板控制多种用电器；电源接口2为12v直流电源接口，不仅能为大部分直流电机、步进电机等需要12v电压的电器供电，通过电路拓展板1上集成稳压、降压电路，还能将电压降低至5v为原有的树莓派电路板3供电，实现一个电源满足两种电压需求；防反插接口4上方具有沟槽，配合专用的接线，可保证接头不会插反。两层电路板上的防反插接口4按照顺序将树莓派原有的外设引脚以及电路拓展板1上连接的传感器模块和执行模块接口整齐排列在电路板四周，并标注接口的名称和编号，方便学习者使用。同时在电路拓展板上还设有散热风扇，可以为树莓派电路板散热，防止芯片过热。本发明所涉及的树莓派相当于一台微型电脑主板，使用时需要通过hdmi接口外接屏幕，通过usb接口外接鼠标、键盘可实现可视化地控制树莓派，并在树莓派系统上编程。此外，树莓派还可以通过usb接口外接摄像头、麦克风、u盘等，通过音频接口外接音响输出声音；进一步地，通过在电路拓展板上集成了spi、接口，可以扩展更多不同功能含有spi端口的外设设备，且可根据外设设备连接方式的不同具体选择与电路拓展板之间采用排针排母的方式连接，或者通过外设端子进行连接，极大地拓展了树莓派的连接方式和功能，使其应用更加灵活，同时减少了常规电路中繁杂电路和连接线的设置，更加简洁和方便。