一种开源硬件编程教学教具的制作方法

本实用新型涉及一种教具，尤其是开源硬件编程教学教具。

背景技术：

近年来，各种编程教学使用的传感器模块被陆续开发出来，通过PC、智能终端等编程后，将各传感器模块按照一定的拼接规则进行拼接，或与拼插模型(例如乐高模数)拼接后即可形成各种智能教具或智能玩具。这些传感器模块虽然使用方便，但仍存在诸多问题，例如：模块的连接卡口与信号通信分体设计，即传感器模块连接与信号传输无法同时进行；模块的信号传输及供电需要额外的连线或接口完成；使用面包板或杜邦线连接时，需要一定的电路基础知识，且连线复杂，连接牢固度差；使用时没有基板，或虽有基板但传感器模块与基板之间需要借助数据线完成连接；基板不带开关，不带电源，电池亦采用分体式设计，需要额外结构固定电池，不便于案例制作及移动、分享交流。

技术实现要素：

本实用新型为了克服上述现有技术的缺点，特提出如下改进方案。

一种开源硬件编程教学教具，其包括：基板和传感器模块；该基板内设有可更换的主控板，并有编程接口，通过PC或智能终端编写的程序可在主控板上运行，实现传感器控制信号的收集处理及传感器功能的控制。可通过更换不同的主控板实现对不同编程语言的支持，主控板的切换不影响基板及传感器功能的实现。基板上分布有凸起，形成能与传感器模块或拼插模型直接拼插连接的结构，基板上还设置有供电通讯接口公头。通过如此设置，使得基板与传感器模块的连接与信号传输可以同时进行。

该传感器模块包括上盖、PCB功能板、供电通讯接口母头、外框及底板；上盖、外框及底板组成一个包裹结构包裹固定PCB功能板，供电通讯接口母头一端与PCB功能板连接，另一端伸出底板外形成能与供电通讯接口公头连接通讯的结构；传感器模块的上盖、底板上均分布有凸起，形成能与基板或拼插模型直接拼插连接的结构。

上述PCB功能板可以是任何现有技术已知的，例如：模拟温度传感器、角度传感器、声音传感器、全彩灯矩阵、数字按键、彩色LED灯、蓝牙通讯模块等。

优选地，上述基板内还可以设置充电电池槽、充电接口和电源开关，由此使得基板能通过电池独立供电，从而便于移动。

优选地，上述基板可分为多个模块安装区，各模块安装区中有一个或多个供电通讯接口公头，可提供多种电压规格，用于与不同规格的传感器模块连接。例如，上述模块安装区可分为：数字模块安装区、IIC模块安装区、模拟模块安装区、SPI模块安装区、UART模块安装区。

优选地，上述传感器模块外框上设置有防呆缺口，上述基板上设置有防呆凸起，二者匹配从而方便使用者迅速地将传感器模块与基板拼插。

优选地，该传感器模块可设计为长款传感器模块和短款传感器模块两种尺寸，长款传感器模块宽高与短款传感器模块相同，但长度加倍，短款传感器模块内所装PCB功能板工作电压为5V，长款传感器模块内所装PCB功能板工作电压为5V或9V。

优选地，上述长款传感器模块中，供电通讯接口母头焊接在PCB功能板的底面上，PCB功能板的表面上还可焊接有供电通讯接口公头，供电通讯接口公头伸出上盖外，从而使得长款传感器模块与基板连接后，其上还可以再与其它传感器模块连接，或通过连接延长线与拼插模型连接。

优选地，上述供电通讯接口公头和上述供电通讯接口母头为任何现有技术已知的形式，只要能使基板与传感器模块间，或传感器模块相互之间充分有效地通讯即可。在一个实例中，供电通讯接口公头和供电通讯接口母头以直插的形式连接，该供电通讯接口公头可以成形为与基板上的凸起相同的外形，并取代部分凸起形成在基板上，从而使得基板上带公头的区域也仍然可以与任意模数一致的拼插模型相连接；该供电通讯接口母头成形为与传感器模块底板上的凸起相同的外形，并取代部分凸起形成在底板上，从而使得传感器模块可以与任意模数一致的拼插模型相连接或与不带公头的基板区域连接。在另一个实例中，供电通讯接口公头和供电通讯接口母头仍然以直插的形式连接，公头分布于基板上的凸起之间，母头以外包的形式包在公头外侧，该接口母头由上座、防呆凸起和金属弹片构成，上座上有通孔方便金属弹片穿过并固定形成电极，防呆凸起形成在上座上，金属弹片与防呆凸起一起排列形成带缺口的圆柱；该接口公头由底座、防呆凸起和金属弹片构成，底座上有通孔方便金属弹片穿过并固定形成电极，防呆凸起形成在底座上并与母头中圆柱的缺口相匹配，防呆凸起的设计使得公头和母头仅可以特定角度连接，能保证二者间的电极能快速、有效连接。

优选地，该带缺口的圆柱成形为与传感器模块底板上的凸起相同的外形并取代凸起形成在底板上，从而使得传感器模块可以与任意模数一致的拼插模型相连接或与不带公头的基板区域连接。该接口公头形成于基板上的凸起之间，公头所在区域仍可以放置模数一致的拼插模型，即公头的安放对模型的拼插并无影响。本实用新型方便易用，在编程入门学习阶段，传感器模块可以在模块安装区以积木拼插的方式完成连接；在模型制作阶段，传感器模块可以拼插在模型之上，通过连接线与基板通信接口相连，从而方便功能实现。

本实用新型相比现有技术具有明显的优点：

1.更简便：编程学习过程中可无需使用连接线；

2.更安全：PCB功能板全包裹，使用过程中不易短路、不会划伤使用者；

3.更易用：基板为搭建平台，可供使用者直接搭建立体结构，可整体搬运移动，方便展示交流；基板自带充电电池及开关，可摆脱电源线束缚，供电更持久；

4.更强扩展性：可预留标准化的通讯接口，扩展性更强；提供标准接口转接板，可以兼容标准接口的第三方传感器。

附图说明

图1为本实用新型的俯视立体图。

图2为本实用新型的仰视立体图。

图3为本实用新型的基板的俯视立体图。

图4为本实用新型中短款传感器模块结构分解示意图。

图5为本实用新型中长款传感器模块结构分解示意图。

图6为本实用新型中供电通讯接口母头和供电通讯接口公头的结构分解示意图。

图7为本实用新型用于案例制作时的俯视立体图。

上述附图中的标记如下：教具1、基板2、短款传感器模块3、长款传感器模块4、供电通讯接口公头2-1、基板防呆凸起2-2、电源开关2-3、编程接口2-4、充电接口2-5、充电电池槽2-6、模拟模块安装区2-7、数字模块安装区2-8、SPI模块安装区2-9、UART模块安装区2-10、IIC模块安装区2-11、短款传感器模块上盖3-1、短款传感器模块PCB功能板3-2、供电通讯接口母头3-3、短款传感器模块底板3-4、短款传感器模块外框3-5、短款传感器模块防呆缺口3-6、螺丝孔3-7、长款传感器模块上盖4-1、长款传感器模块PCB功能板4-2、长款传感器模块底板4-5、长款传感器模块防呆缺口4-6、长款传感器模块外框4-7、上座5-1、母头防呆凸起5-2、母头金属弹片5-3、底座5-6、公头防呆凸起5-5、公头金属弹片5-4、拼插模型6。

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

实施例1：

如图1和图2所示，本实用新型的开源硬件编程教学教具1包括基板2和传感器模块，传感器模块可以为短款传感器模块3和长款传感器模块4，该基板2上分布有凸起，凸起用于与传感器模块或拼插模型直接拼插连接，供电通讯接口公头2-1设置于凸起之间，基板上还设置有用于引导传感器模块拼插的基板防呆凸起2-2。供电通讯接口公头2-1能给传感器模块供电并通讯连接，基板内设有可更换的主控板，其外的编程接口2-4可与PC、智能终端等连接。基板内设置有充电电池槽2-6、充电接口2-5和电源开关2-3，也可以取消充电接口2-5，充电电池槽内直接放置一次性电池，从而使得基板可可摆脱电源线束缚，方便移动。

实施例2：

如图3所示，本实用新型中的基板可分为多个模块安装区，用于与不同的传感器模块连接通讯。各模块安装区中有一个或多个供电通讯接口公头，可提供多种电压规格，用于与不同规格的传感器模块连接。在本实例中，上述模块安装区可分为：模拟模块安装区2-1、数字模块安装区2-2、SPI模块安装区2-3、UART 模块安装区2-4和IIC模块安装区2-5。

实施例3：

如图4所示，本实用新型中的短款传感器模块3包括短款传感器模块上盖3-1、PCB功能板3-2、供电通讯接口母头3-3、外框3-5及底板3-4；短款传感器模块上盖3-1、外框3-5及底板3-4组成一个包裹结构固定包裹PCB功能板3-2，供电通讯接口母头一端与PCB功能板连接，另一端伸出底板外形成能与供电通讯接口公头连接通讯的结构；短款传感器模块上盖3-1、底板3-4均上分布有凸起，形成能与基板和拼插模型直接拼插连接的结构。底板上有螺丝孔3-7，螺丝孔3-7形成于底板上的凸起内，PCB功能板上也有相应螺丝孔，从而PCB功能板和底板可以固定连接。供电通讯接口母头3-3的底截面为带缺口的圆环形，其取代底板上的一个凸起并与其它凸起尺寸一致，从而不会影响传感器模块与基板的拼插。传感器模块外框上设置有防呆缺口3-6，能与基板上的防呆凸起1-2配合，以方便使用者迅速拼插。

实施例4：

如图5所示，本实用新型中的长款传感器模块4的宽高与短款长款传感器模块相同，但长度加倍，长款长款传感器模块内所装PCB功能板工作电压为9V或5V。长款传感器模块包括长款传感器模块上盖4-1、PCB 功能板4-2、供电通讯接口母头3-3、外框4-7及底板4-5；长款传感器模块上盖、外框及底板组成一个包裹结构固定包裹PCB功能板，供电通讯接口母头一端焊接在PCB功能板的底面上，另一端伸出底板外形成能与供电通讯接口公头连接通讯的结构，PCB功能板的表面上还焊接有供电通讯接口公头2-1；长款传感器模块上盖、底板均上分布有凸起，形成能与基板和拼插模型直接拼插连接的结构，供电通讯接口公头2-1 伸出长款传感器模块上盖4-1外并形成于凸起之间，从而使得长款的传感器模块与基板连接后，其上还可以再与其它传感器模块连接，或通过连接延长线与拼插模型连接。传感器模块上设置有防呆缺口4-6，能与基板上的防呆凸起1-2配合，以方便使用者迅速拼插。

实施例5：

如图6所示，本实用新型中供电通讯接口母头3-3包括上座5-1、母头防呆凸起5-2和母头金属弹片5-3，上座5-1上有通孔方便母头金属弹片5-3穿过并固定形成电极，母头防呆凸起5-2形成在上座5-1上。供电通讯接口公头2-1包括底座5-6、公头防呆凸起5-5和公头金属弹片5-4，底座5-6上有通孔方便公头金属弹片5-4穿过并固定形成电极，公头防呆凸起5-5形成在底座5-6上。供电通讯接口公头和供电通讯接口母头可以通过连接线连接，也可以通过上下直插的形式直接连接，母头以外包的形式包在公头外侧，母头金属弹片5-3面向公头的一端与母头防呆凸起5-2间隔排列形成带缺口的圆柱，缺口与公头防呆凸起 5-5相匹配，防呆凸起的设计使得公头和母头仅可以特定角度连接，能保证二者间金属弹片快速、有效连接。

供电通讯接口母头面向公头的一端形成的带缺口的圆柱，其尺寸与传感器模块底座上的凸起一致，从而不会影响传感器模块与基板或任意模数一致的拼插模型相连接。供电通讯接口公头可固定于基板上的凸起之间，也可固定于长款传感器模块上盖4-1上的凸起之间，公头所在区域仍可以放置模数一致的拼插模型，即公头的安放对模型的拼插并无影响。

实施例6：

如图7所示，本实用新型用于案例制作时，可以首先在基板的右上角搭建具体的拼插模型6，拼插模型6 上拼插有全彩灯矩阵模块，灯矩阵的颜色随基板上的角度传感器的旋转而变化。固定在模型上的全彩灯矩阵模块通过连接延长线与基板连接通讯。该案例中，角度传感器旋钮旋转除了控制灯光的变化，也同时控制电机缓慢旋转进而调整转盘所处的角度，而在案例程序编写过程中，可同步讲解数值映射、电机旋转控制、动力垂直传导等编程、机械、动力等相关的知识及概念。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。