一种基于智能控制的STEAM教具电路的制作方法

一种基于智能控制的steam教具电路
技术领域
1.本实用新型涉及steam教具领域，尤其涉及一种基于智能控制的steam教具电路。


背景技术：

2.近年来，在现今的教育行业，steam这种将科学(science)，技术(technology)，工程(engineering)、数学(mathematics)以及最近加入的艺术(arts)打破次元壁柔和在一起的综合教育方式在国内外都引起了不少的关注。国内steam教育发展迅猛，学校以及教育机构也开设相对应课程，目前国内市场所使用的steam教具功能较为单一，价格昂贵，并且需要专业教师的指导教学，导致大部分学校因为无相关专业教师无法展开steam课程的教学。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种基于智能控制的steam教具电路，能够解决现有steam教具功能单一、价格昂贵以及操作复杂的难题。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于智能控制的steam教具电路，包括遥控模块、电机转接模块、舵机转接模块、摄像头模块、电机模块、控制模块、供电模块、舵机模块、第一红外感应模块以及第二红外感应模块；所述电机模块通过所述电机转接模块与所述控制模块电性连接，所述舵机模块通过所述舵机转接模块与所述控制模块电性连接，所述摄像头模块、遥控模块以及供电模块均与所述控制模块电性连接，所述供电模块用于给所述控制模块供电，所述控制模块用于给电机转接模块、舵机转接模块、摄像头模块、电机模块以及舵机模块供电；所述第一红外感应模块与所述控制模块电性连接并用于感应第一物体移动信号，所述第二红外感应模块与所述控制模块电性连接并用于感应第二物体移动信号，所述控制模块根据所述第一物体移动信号控制所述电机模块的运行状态，所述控制模块根据所述第二物体移动信号控制所述舵机模块的运行状态。
5.优选地，所述遥控模块包括type-c充电接口、第一可充电电池、充电单元、第一电压转换单元、遥控按钮、单片机、无线通信单元以及电子陀螺单元，所述遥控按钮为五向指拨摇杆开关；所述第一可充电电池的输入端通过所述充电单元与所述type-c充电接口电性连接，所述第一可充电电池的输出端与所述单片机、无线通信单元以及遥控按钮电性连接并通过所述第一电压转换单元与所述电子陀螺单元电性连接。
6.优选地，所述充电单元包括充电芯片、充电指示灯、第一限流电阻、输入滤波电容、输出滤波电容以及第一二极管；所述充电指示灯的接地端通过所述第一限流电阻接地，所述充电指示灯的电源端通过所述第一二极管与第一电压转换单元电性连接，所述充电指示灯的控制端与所述充电芯片电性连接；所述充电芯片的电源端与所述type-c充电接口电性连接并通过所述输入滤波电容接地，所述充电芯片的输出端与所述第一可充电电池电性连接并通过所述输出滤波电容接地。
7.优选地，所述第一电压转换单元包括按键开关以及稳压芯片，所述稳压芯片的输入端通过所述按键开关与所述第一可充电电池电性连接，所述稳压芯片的输出端与所述电
子陀螺单元电性连接。
8.优选地，所述电子陀螺仪单元包括陀螺仪芯片、供电滤波电容、第一上拉电阻以及第二上拉电阻；所述陀螺仪芯片的电源端与所述稳压芯片的输出端电性连接并通过所述供电滤波电容接地；所述第一上拉电阻的一端与所述稳压芯片的输出端电性连接，另一端与所述陀螺仪芯片以及单片机电性连接；所述第二上拉电阻的一端与所述稳压芯片的输出端电性连接，另一端与所述陀螺仪芯片以及单片机电性连接。
9.优选地，所述电机转接模块包括电机驱动单元和电机连接单元，所述电机模块通过所述电机连接单元与所述电机驱动单元电性连接。
10.优选地，所述舵机转接模块包括舵机连接单元和通信连接端子，所述舵机模块通过所述舵机连接单元与所述通信连接端子的一端电性连接，所述通信连接端子的另一端与所述控制模块电性连接。
11.优选地，所述摄像头模块包括摄像头单元和摄像头转接单元，所述摄像头单元通过所述摄像头转接单元与所述控制模块电性连接。
12.优选地，所述供电模块包括第二可充电电池以及电池充电单元，所述电池充电单元包括type-c接口、升压充电芯片、输入滤波组件、输出滤波组件、过热检测组件以及充电指示组件；所述升压充电芯片的输入端通过所述输入滤波组件与所述type-c接口电性连接，所述升压充电芯片的输出端通过所述输出滤波组件与所述第二可充电电池电性连接，所述升压充电芯片的过热检测端与所述过热检测组件电性连接，所述升压充电芯片的指示端与所述充电指示组件电性连接。
13.优选地，所述控制模块包括控制器单元、开关机单元以及第二电压转换单元；所述第二电压转换单元包括降压芯片、第一滤波组件以及第二滤波组件，所述降压芯片的输入端通过所述第一滤波组件与第二可充电电池电性连接，所述降压芯片的输出端通过第二滤波组件给所述控制器单元供电；所述开关机单元包括开关指示组件、开关按键组件、第一开关管组件以及第二开关管组件，所述开关指示组件包括开关指示灯、第二限流电阻以及第一电容，所述开关按键组件包括第一二极管、第二二极管以及按键，所述第一开关管组件包括第一开关管、第三限流电阻、第四限流电阻、第五限流电阻以及第二电容，所述第二开关管组件包括第二开关管、第六限流电阻以及第七限流电阻，
14.所述开关指示灯一端通过所述第二限流电阻与所述第二滤波组件电性连接，另一端通过所述第一电容接地，
15.所述按键的一端接地，另一端通过所述第一二极管与所述控制器单元电性连接并通过所述第一电容接地，另一端还与所述第二二极管的一端电性连接，所述第二二极管的另一端与所述第二开关管的输入端电性连接并通过所述第三限流电阻与所述第一开关管的控制端电性连接，
16.所述第一开关管的输入端通过所述第一滤波组件与所述第二可充电电池电性连接，所述第一开关管的输入端和控制端通过所述第四限流电阻电性连接，所述第一开关管的输入端与所述降压芯片的控制端电性连接并通过所述第五限流电阻接地，所述第二电容与所述第五限流电阻并联，
17.所述第二开关管的控制端通过所述第六限流电阻与控制器单元电性连接并通过所述第七限流电阻接地，所述第二开关管的输出端接地。
18.实施本实用新型的有益效果在于：
19.本实用新型通过所述供电模块给所述控制模块供电，所述控制模块给电机转接模块、舵机转接模块、摄像头模块、电机模块以及舵机模块供电，通过所述第一红外感应模块感应第一物体移动信号，通过所述第二红外感应模块感应第二物体移动信号，通过所述控制模块根据所述第一物体移动信号控制所述电机模块的运行状态，所述控制模块根据所述第二物体移动信号控制所述舵机模块的运行状态。采用本实用新型，能够解决现有steam教具功能单一、价格昂贵以及操作复杂的难题。
附图说明
20.图1是本实用新型提供的基于智能控制的steam教具电路的原理框图；
21.图2是本实用新型提供的充电单元的电路原理图；
22.图3是本实用新型提供的电子陀螺单元的电路原理图；
23.图4是本实用新型提供的单片机的电路原理图；
24.图5是本实用新型提供的第一电压转换单元的电路原理图；
25.图6是本实用新型提供的电机转接模块的原理框图；
26.图7是本实用新型提供的电机转接模块的电路原理图；
27.图8是本实用新型提供的舵机转接模块的原理框图；
28.图9是本实用新型提供的舵机转接模块的电路原理图；
29.图10是本实用新型提供的摄像头模块的电路原理图；
30.图11是本实用新型提供的供电模块的原理框图；
31.图12是本实用新型提供的供电模块的电路原理图；
32.图13是本实用新型提供的控制器单元的电路原理图；
33.图14是本实用新型提供的开关机单元的电路原理图；
34.图15是本实用新型提供的第二电压转换单元的电路原理图。
具体实施方式
35.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。仅此声明，本实用新型在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本实用新型的附图为基准，其并不是对本实用新型的具体限定。
36.如图1所示，本实用新型提供了一种基于智能控制的steam教具电路，包括遥控模块2、电机转接模块3、舵机转接模块4、摄像头模块5、电机模块1、控制模块6、供电模块7、舵机模块8、第一红外感应模块9以及第二红外感应模块10；所述电机模块1通过所述电机转接模块3与所述控制模块6电性连接，所述舵机模块8通过所述舵机转接模块4与所述控制模块6电性连接，所述摄像头模块5、遥控模块2以及供电模块7均与所述控制模块6电性连接，所述供电模块7用于给所述控制模块6供电，所述控制模块6用于给电机转接模块3、舵机转接模块4、摄像头模块5、电机模块1以及舵机模块8供电；所述第一红外感应模块9与所述控制模块6电性连接并用于感应第一物体移动信号，所述第二红外感应模块10与所述控制模块6电性连接并用于感应第二物体移动信号，所述控制模块6根据所述第一物体移动信号控制所述电机模块1的运行状态，所述控制模块6根据所述第二物体移动信号控制所述舵机模块
8的运行状态。
37.本实用新型，通过所述供电模块7给所述控制模块6供电，所述控制模块6给电机转接模块3、舵机转接模块4、摄像头模块5、电机模块1以及舵机模块8供电，通过所述第一红外感应模块9感应第一物体移动信号，通过所述第二红外感应模块10感应第二物体移动信号，通过所述控制模块6根据所述第一物体移动信号控制所述电机模块1的运行状态，所述控制模块6根据所述第二物体移动信号控制所述舵机模块8的运行状态。采用本实用新型，能够解决现有steam教具功能单一、价格昂贵以及操作复杂的难题。
38.需要说明的是，本实用新型提供的基于智能控制的steam教具电路，具有遥控模块2、电机转接模块3、舵机转接模块4、摄像头模块5、电机模块1、控制模块6、供电模块7、舵机模块8、第一红外感应模块9以及第二红外感应模块10，能够模拟多种类型的无线智能控制场景，且各个场景使用的基础模块都一致，从而降低了制造成本，提升了功能多样性；另外，本实用新型结构简单，方便学生理解，无需相关技术领域的专业教师进行指导，或者仅需进行简短的培训即可展开教学，降低教师门槛，解决当前大部分学校因为无相关教师无法展开steam课程的教学。
39.如图2～5所示，优选地，所述遥控模块2包括type-c充电接口type-c_1、第一可充电电池bat、充电单元、第一电压转换单元、遥控按钮、单片机u2-8、无线通信单元以及电子陀螺单元，所述遥控按钮为五向指拨摇杆开关；所述第一可充电电池的输入端通过所述充电单元与所述type-c充电接口电性连接，所述第一可充电电池的输出端与所述单片机、无线通信单元以及遥控按钮电性连接并通过所述第一电压转换单元与所述电子陀螺单元电性连接。
40.进一步地，所述充电单元包括充电芯片u1、充电指示灯d1、第一限流电阻r9、输入滤波电容c1、输出滤波电容c3以及第一二极管d2；所述充电指示灯d1的接地端通过所述第一限流电阻r9接地，所述充电指示灯d1的电源端通过所述第一二极管d2与第一电压转换单元电性连接，所述充电指示灯d1的控制端与所述充电芯片u1电性连接；所述充电芯片u1的电源端与所述type-c充电接口电性连接并通过所述输入滤波电容c1接地，所述充电芯片u1的输出端与所述第一可充电电池电性连接并通过所述输出滤波电容c3接地。
41.更佳地，所述第一电压转换单元包括按键开关s1-8以及稳压芯片u6-8，所述稳压芯片u6-8的输入端通过所述按键开关s1-8与所述第一可充电电池电性连接，所述稳压芯片u6-8的输出端与所述电子陀螺单元电性连接。
42.较优地，所述电子陀螺仪单元包括陀螺仪芯片u3、供电滤波电容c4-9、第一上拉电阻r3-9以及第二上拉电阻r3-10；所述陀螺仪芯片u3的电源端与所述稳压芯片u6-8的输出端电性连接并通过所述供电滤波电容c4-9接地；所述第一上拉电阻r3-9的一端与所述稳压芯片u6-8的输出端电性连接，另一端与所述陀螺仪芯片u3以及单片机u2-8电性连接；所述第二上拉电阻r3-10的一端与所述稳压芯片u6-8的输出端电性连接，另一端与所述陀螺仪芯片u3以及单片机u2-8电性连接。
43.需要说明的是，遥控模块采用内置电池方式供电，采用与控制器相同单片机atmega328p为主控，内置无线通讯2.4g模块以及电子陀螺仪；遥控器按钮采用五向指拨摇杆开关，遥控器使用模式分为遥控模式以及手势模式；遥控模式使用摇杆控制案例，手势模式使用内置陀螺仪控制案例无需操纵摇杆；摇杆充电方式采用type-c充电接口，内置4.2v
聚合物锂电池，采用hx6610充电ic。本实施例中，陀螺仪采用mpu6050ic，陀螺仪集成在遥控器的pcb板上，所述供电滤波电容c4-9、输入滤波电容c1、输出滤波电容c3用于滤除电路中的杂波，提高供电的稳定性；所述第一限流电阻r9、第一上拉电阻r3-9以及第二上拉电阻r3-10用于限流保护作用。
44.如图6所示，优选地，所述电机转接模块3包括电机驱动单元31和电机连接单元32，所述电机模块1通过所述电机连接单元32与所述电机驱动单元31电性连接。如图7所示，由于控制器内置两路电机控制接口，智能控制系列部分案例需同时使用四个电机，电机转接模块解决控制器电机控制接口不足情况。电机转接模块可同时控制四个电机的使用。电机转接模块采用74hc595模块驱动电机驱动icyx-1230控制电机旋转。
45.如图8所示，优选地，所述舵机转接模块4包括舵机连接单元41和通信连接端子42，所述舵机模块8通过所述舵机连接单元41与所述通信连接端子42的一端电性连接，所述通信连接端子42的另一端与所述控制模块6电性连接。如图9所示，智能控制系列仿生机械臂采用排针连接，控制器无相应引脚使用，因此设计舵机转接模块供机械臂与控制器的连接。转接模块将舵机排针连接转换成能与控制器连接的rj11接口。
46.如图10所示，优选地，所述摄像头模块5包括摄像头单元和摄像头转接单元，所述摄像头单元通过所述摄像头转接单元与所述控制模块6电性连接。
47.需要说明的是，摄像头模块采用pixy二代，摄像头模块最多可以标记七个颜色，并且会对标记的颜色进行追踪，识别到的颜色使用spi通讯方式发送至控制器。摄像头spi接口使用10p牛角座无法与控制器直接连接，使用转接模块制作成与控制器直接连接的rj11接口。
48.如图11所示，优选地，所述供电模块7包括第二可充电电池71以及电池充电单元，所述电池充电单元包括type-c接口721、升压充电芯片722、输入滤波组件723、输出滤波组件724、过热检测组件725以及充电指示组件726；所述升压充电芯片722的输入端通过所述输入滤波组件723与所述type-c接口721电性连接，所述升压充电芯片722的输出端通过所述输出滤波组件724与所述第二可充电电池71电性连接，所述升压充电芯片722的过热检测端与所述过热检测组件725电性连接，所述升压充电芯片722的指示端与所述充电指示组件726电性连接。如图12所示，所述升压充电芯片722为a-slm6803，但不限于此；所述输入滤波组件723包括电容c8-1、c9-1、c10-1和c11-1以及电感l1-1；所述输出滤波组件724包括电容c4-1和电容c5-1；所述过热检测组件725包括测温电阻r7-1、上拉电阻r9-1以及限流电阻r8-1；所述充电指示组件726包括rgb-led灯d1-1以及限流电阻r5-1。电池充电模块采用slm6803升压ic，采用type-c接口5v输入12.6v输出，最大充电电流1a，模块具有充电指示功能，充电亮红色指示灯，充满转绿色指示灯，异常红蓝闪烁，充电模块带有过热保护功能，过热保护采用10k负温度系数ntc热敏电阻采集板载温度，当温度过高禁止充电。
49.需要说明的是，本实施例中，通过所述type-c接口721和升压充电芯片722对所述可充电电池71进行充电；通过所述输入滤波组件723和所述输出滤波组件724滤除电路中的杂波，提高充电的稳定性；通过所述过热检测组件725检测充电过程中的温度，当温度过高时，则停止充电，避免过热烧坏电子元器件；通过所述充电指示组件726指示充电的状态，以方便用户直观地获知充电状态。
50.如图13～15所示，优选地，所述控制模块6包括控制器单元u2-9、开关机单元以及
第二电压转换单元；所述第二电压转换单元包括降压芯片ic4-9、第一滤波组件以及第二滤波组件，所述降压芯片ic4-9的输入端通过所述第一滤波组件与第二可充电电池dc2-9电性连接，所述降压芯片ic4-9的输出端通过第二滤波组件给所述控制器单元供电；所述开关机单元包括开关指示组件、开关按键组件、第一开关管组件以及第二开关管组件，所述开关指示组件包括开关指示灯d1-9、第二限流电阻r4-9以及第一电容c7-9，所述开关按键组件包括第一二极管d2-9、第二二极管d3-9以及按键s1-9，所述第一开关管组件包括第一开关管q1-9、第三限流电阻r3-9、第四限流电阻r2-9、第五限流电阻r12-9以及第二电容c5-9，所述第二开关管组件包括第二开关管q2-9、第六限流电阻r5-9以及第七限流电阻r6-9，
51.所述开关指示灯d1-9一端通过所述第二限流电阻r4-9与所述第二滤波组件电性连接，另一端通过所述第一电容c7-9接地，
52.所述按键s1-9的一端接地，另一端通过所述第一二极管d2-9与所述控制器单元u2-9电性连接并通过所述第一电容c7-9接地，另一端还与所述第二二极管d3-9的一端电性连接，所述第二二极管d3-9的另一端与所述第二开关管q2-9的输入端电性连接并通过所述第三限流电阻r3-9与所述第一开关管q1-9的控制端电性连接，
53.所述第一开关管q1-9的输入端通过所述第一滤波组件与所述第二可充电电池dc2-9电性连接，所述第一开关管q1-9的输入端和控制端通过所述第四限流电阻r2-9电性连接，所述第一开关管q1-9的输入端与所述降压芯片ic4-9的控制端电性连接并通过所述第五限流电阻r12-9接地，所述第二电容c5-9与所述第五限流电阻r12-9并联，
54.所述第二开关管q2-9的控制端通过所述第六限流电阻r5-9与控制器单元u2-9电性连接并通过所述第七限流电阻r6-9接地，所述第二开关管q2-9的输出端接地。
55.需要说明的是，本实施例中，控制器采用atmega328p作为主控，控制器供电采用tps54821降压ic供电，控制器输入电压12.6v，工作电压为5.0v；控制器提供十路外设接口，其中两路电机专用接口，电机专用接口可控制直流电机正反转及调速运行。四路数字io接口，可连接外设传感器的使用；一路程序调试接口cam，三路模拟io接口。本实施例中，控制器采用软件控制开关机电路，长按开关按键指示灯亮起控制器开机，短按开关按键指示灯亮起松手后控制器关机。
56.以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。