一种集成多款传感器的Arduino教学开发板

技术领域

本发明涉及Arduino教学开发板技术领域，特别涉及一种集成多款传感器的Arduino教学开发板。

背景技术

Arduino在中小学编程教育中越来越普及，但是实践中发现，传统的拼插方式存在很多问题，一方面小学生动手能力差，拼插过程浪费宝贵的时间，可能会因为连线错误造成影响实验效果，甚至烧坏元件；

市面上现有的集成开发板使用，并非针对中小学生群体开发，使用的很多传感器，例如加速度传感器、气压传感器等，使用过程较为复杂，且成本较高，多为国外开发，不适合国内中小学基础教育大规模普及。

因此需要研发一种针对中小学基础教育大规模普及、容易使用和操作的开发板，以克服现有技术中Arduino拼插过程复杂和繁琐的问题。

发明内容

针对基于现有技术中Arduino拼插过程复杂和繁琐的问题，本发明提出了一种集成多款传感器的Arduino教学开发板。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明提供一种集成多款传感器的Arduino教学开发板，包括基板；所述基板上集成有板载传感器模块、内外部供电切换模块、内外部信号切换模块、Arduino核心模块和USB串口通信模块；

其中，所述板载传感器模块，包括：七星型或W型布置的LED组合、及多款传感器，用于完成数字输入、数字输出、模拟输入和模拟输出实验；

所述内外部供电切换模块，用于判断当前供电模式，自动实现供电切换功能；

所述内外部信号切换模块，用于根据实验场景选择所述板载传感器模块的信号或外部传感器信号；

所述Arduino核心模块，包括：相互连接的ATMEGA328P-AU芯片和复位电路；

所述USB串口通信模块为CH340C或者CP2102型号芯片；

所述ATMEGA328P-AU芯片分别与所述板载传感器模块、内外部供电切换模块、内外部信号切换模块和USB串口通信模块连接。

进一步地，所述基板上还包括：连接器；所述连接器采用40Pin插座；

在所述40Pin插座引脚中，SV-开头引脚为电源信号引脚，控制P沟道MOS管的G极，同时在板内默认下拉至低电平；如果当外部扩展电路需要关闭时，通过高电平关闭所述板载传感器模块。

进一步地，所述板载传感器模块包括七星型布置的LED组合时，该LED组合由7个RGBLED按照北斗七星形状布置，采用5个PWM输出引脚和5个数字输出引脚，用于实现每一个对每一颗星的点亮、熄灭、颜色、亮度进行独立控制；所述板载传感器模块，还包括：

3个PWM引脚：通过三个N沟道MOS管，分别控制7个RGBLED的阴极；

1个无源蜂鸣器：占用一个PWM输出引脚，实现音频输出；

2个光线传感器：占用2个模拟输入引脚，对开发板两侧的光线变化进行监测，通过光线变化，判断外部光照、运动情况；

1个红外开关：占用1个模拟输入引脚，对外部物体靠近进行感知；

1个MEMS麦克风：占用1个模拟输入引脚，对周围声音变化进行感知；

1个触摸传感器：占用1个数字输入引脚，对人体触碰进行感知。

进一步地，所述板载传感器模块包括W型布置的LED组合时，该LED组合由6个RGBLED按照W形状布置，并在所述W形状上方布置三个分别为红色、黄色、绿色的发光二极管；

所述板载传感器模块，还包括：

与ATMEGA328P-AU芯片的A0、A1接口连接的光线传感器；

与ATMEGA328P-AU芯片的A2接口连接的第一触摸传感器；

与ATMEGA328P-AU芯片的A3接口连接的无源蜂鸣器；

与ATMEGA328P-AU芯片的A4、A5接口连接的温湿度传感器；

与ATMEGA328P-AU芯片的A6接口连接的红外开关；

与ATMEGA328P-AU芯片的A7接口连接的MIC声音传感器；

与ATMEGA328P-AU芯片的第2引脚连接的第二触摸传感器；

与ATMEGA328P-AU芯片的第3引脚连接的红外遥控器；

其中，所述ATMEGA328P-AU芯片的第4～8引脚对应连接相应5个RGBLED的共阳极；

所述ATMEGA328P-AU芯片的第9～11引脚对应连接三个分别为红色、黄色、绿色的发光二极管的阴极；

所述ATMEGA328P-AU芯片的第12引脚对应连接第6个RGBLED的共阳极；

所述ATMEGA328P-AU芯片的第13引脚对应连接三个分别为红色、黄色、绿色的发光二极管的共阳极。

进一步地，所述内外部供电切换模块，具体实现如下：

定义连接器第一预设引脚为外部电压检测引脚，在未插入外部扩展板时，该第一预设引脚在板内被下拉至低电平；当插入外部扩展板后，外部VCC直接接通该第一预设引脚，该第一预设引脚电压与外部VCC电压相当；VCC输出5V至USB-VBUS，通过P沟道MOS管控制。

进一步地，所述内外部信号切换模块，具体实现如下：

所述板载传感器模块通过将第二预设引脚置为高电平，使对应的控制内部传感器供电的P沟道MOS管关闭，实现关闭内部传感器；

内部传感器的供电作为控制信号，控制二选一开关，使传感器关闭时，Arduino的第二预设引脚，与内部传感器信号断开，与40Pin连接器的特定引脚导通。

进一步地，所述基板还包括：直流电机接口、舵机接口、WiFi接口和/或蓝牙接口。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例提供的一种集成多款传感器的Arduino教学开发板，其中，板载传感器模块，包括：七星型或W型布置的LED组合、及多款传感器，用于完成数字输入、数字输出、模拟输入和模拟输出实验；内外部供电切换模块，用于判断当前供电模式，自动实现供电切换功能；内外部信号切换模块，用于根据实验场景选择内部传感器信号或外部传感器信号；Arduino核心模块，包括：相互连接的ATMEGA328P-AU芯片和复位电路；USB串口通信模块为CH340C或者CP2102型号芯片；ATMEGA328P-AU芯片分别与板载传感器模块、内外部供电切换模块、内外部信号切换模块和USB串口通信模块连接。该开发板具有高度集成性，操作简单、易于上手，接口方便，扩展性高；有助于使学生掌握数字输入、模拟输入、数字输出、PMW输出和IIC通信的实际应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的集成多款传感器的Arduino教学开发板的结构框图；

图2为本发明实施例提供的七星型的板载传感器模块结构图；

图3为本发明实施例提供的RGBLED驱动模块结构图；

图4为本发明实施例提供的W型的板载传感器模块结构图；

图5为本发明实施例提供的板载传感器模块的电源控制结构图；

图6为本发明实施例提供的内外部信号切换模块的结构图；

图7为本发明实施例提供的内40Pin引脚的结构图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1所示，本发明提供的一种集成多款传感器的Arduino教学开发板，基于中国经典的北斗七星背景开发，包括基板；该基板上集成有板载传感器模块、内外部供电切换模块、内外部信号切换模块、Arduino核心模块和USB串口通信模块；

其中，板载传感器模块，包括：七星型或W型布置的LED组合、及多款传感器，用于完成数字输入、数字输出、模拟输入和模拟输出实验；

内外部供电切换模块，用于判断当前供电模式，自动实现供电切换功能；

内外部信号切换模块，用于根据实验场景选择所述板载传感器模块的信号或外部传感器信号；

Arduino核心模块，包括：相互连接的ATMEGA328P-AU芯片和复位电路；USB串口通信模块为CH340C或者CP2102型号芯片；

ATMEGA328P-AU芯片分别与所述板载传感器模块、内外部供电切换模块、内外部信号切换模块和USB串口通信模块连接。该开发板具有高度集成性，操作简单，易于上手，接口方便，扩展性高；有助于使学生掌握数字输入、模拟输入、数字输出、PMW输出和IIC通信的实际应用。

下面对本发明实施例进行详细的描述：

板载传感器模块：

参照图2所示，当板载传感器模块采用七星型布置的LED组合，包含了以下传感器，可以完成数字输入、数字输出、模拟输入和模拟(PWM)输出实验：

7个RGBLED：每一个RGBLED代表七星中的一颗星，使用5个PWM输出引脚和5个数字输出引脚，可以实现每一个对每一颗星的点亮、熄灭、颜色、亮度进行独立控制，其中2个PWM输出引脚，分配给七星中最亮的两颗星，以实现更复杂的控制逻辑，

3个PWM引脚，通过三个N沟道MOS管，分别控制7个RGBLED的阴极(本实施例中，使用共阳极型RGBLED)，MOS管的加入是为了避免Arduino单IO引脚电流驱动能力有限。整体架构如图3所示。

1个无源蜂鸣器：占用1个PWM输出引脚，可以实现音频输出；

2个光线传感器：占用2个模拟输入引脚，可以对开发板两侧的光线变化进行监测，可以通过光线变化，判断外部光照、运动情况；

1个红外开关：占用1个模拟输入引脚，可以对外部物体靠近进行感知；

1个MEMS麦克风：占用1个模拟输入引脚，可以对周围声音变化进行感知；

1个触摸传感器：占用一个数字输入引脚，对人体触碰进行感知；

另外，还可以具有音频输入/输出接口端子，比如采用3.5mm音频接口母头，具体包括两个音频输入母头和一个音频输出母头；还包括至少一个3.5mm耳麦接口母头，可以实现音频的输入和输出，便于展开指导实验。

在本实施例中，Arduino核心模块的IO与板载传感器的分配如下：

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参照图4所示，当板载传感器模块采用W型布置的LED组合，使用六个RGBLED，将第七个RGBLED替换为红色、黄色、绿色三个发光二极管，这样可以做红绿灯实验，六个RGBLED的W型可以做线性流水灯和环形流水灯效果。

W型实施例中，A4、A5接口使用了基于IIC协议的温湿度传感器。

W型实施例中，使用了A6、A7两个接口，需要注意的是，这两个接口只能做输入使用，不能输出，并且开发板类型需要选择Arduino Nano并烧录对应的BootLoader。

W型实施例的，Arduino核心模块的IO与板载传感器的分配如下：

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即：板载传感器模块中包括：

与ATMEGA328P-AU芯片的A0、A1接口连接的光线传感器；

与ATMEGA328P-AU芯片的A2接口连接的第一触摸传感器(触摸L)；

与ATMEGA328P-AU芯片的A3接口连接的无源蜂鸣器；

与ATMEGA328P-AU芯片的A4、A5接口连接的温湿度传感器；

与ATMEGA328P-AU芯片的A6接口连接的红外开关；

与ATMEGA328P-AU芯片的A7接口连接的MIC声音传感器；

与ATMEGA328P-AU芯片的第2引脚连接的第二触摸传感器(触摸R)；

与ATMEGA328P-AU芯片的第3引脚连接的红外遥控器；

其中，ATMEGA328P-AU芯片的第4～8引脚对应连接相应5个RGBLED的共阳极；

ATMEGA328P-AU芯片的第9～11引脚对应连接三个分别为红色、黄色、绿色的发光二极管的阴极；ATMEGA328P-AU芯片的第12引脚对应连接第6个RGBLED的共阳极；ATMEGA328P-AU芯片的第13引脚对应连接三个分别为红色、黄色、绿色的发光二极管的共阳极。

内外部供电切换模块：

其中，供电模块需要完成的功能包括：

在开发板连接USB线时，对USB-VBUS进行保护处理后，为Arduino核心和板载传感器提供5V供电；

外部供电检测：在插入外部扩展电路后，由外部VCC对Arduino核心供电，关闭USB供电。

具体实现方式如下：

定义连接器特定引脚(第一预设引脚)为外部电压检测引脚，比如在本实施例中，使用第32脚(VT32)，在未插入外部扩展板时，VT32在板内被下拉至低电平，当插入外部扩展板后，外部VCC直接接通VT32，VT32电压与外部VCC电压相当；

VCC至5V，USB-VBUS，通过P沟道MOS管控制。

内外部信号切换模块：

内外部信号切换模块为了当希望使用外部扩展电路中传感器时，避免内部传感器对信号的冲突，需要完成的功能包括：

由外部扩展电路，可以对板载传感器开关状态进行设置；

由外部扩展电路，决定Arduino某一IO使用内部传感器的信号还是外部传感器的信号。

具体实现方式如下：

板载传感器通过将特定引脚(第二预设引脚)置为高电平，使对应的控制内部传感器供电的P沟道MOS管关闭，实现关闭内部传感器；本实施例中，比如可使用SOT-363封装的一个MOS管，具有有2个P沟道(YJL3139KDW)控制，如图5所示，减少Layout面积。

内部传感器的供电，作为控制信号，控制二选一开关，使传感器关闭时，Arduino特定的引脚，与内部传感器信号断开，与40Pin连接器特定引脚导通。本实施例中，如图6所示，PIN-开头的引脚，为外部信号输入引脚，通过对应传感器的供电信号，进行内外部信号选择。

Arduino核心模块：

包括ATMEGA328P-AU芯片，复位电路，本实施例中，为了节省体积，BootLoader烧录的6Pin引脚放在外部扩展板上；复位电路连接复位按钮，该复位按钮可设置在基板一侧的上边角，能够对整个基板上的电子元件进行复位操作，同时复位按钮设置在边角位置方便扩展板出现故障时及时复位重启。

USB串口通信模块：

USB串口通信可以使用CH340C或者CP2102信号芯片，本实施例中，出于成本和后期维修方便，可选用CH340C，并且其内置时钟，无需外部晶振；减少开发板的体积，无需占用过多的设计空间。

连接器模块：

连接器使用40Pin插座(间距1.27mm)，方便外部扩展，不用连线。本实施例中，如图7所示在40Pin引脚中，SV-开头引脚为电源信号引脚，控制P沟道MOS管的G极，同时在板内默认下拉至低电平，如果当外部扩展电路需要关闭时，通过高电平关闭板载传感器。另外，该连接器模块，也可以满足扩展的需要，与其他扩展板、外设等都有很高的兼容性。

进一步地，可在基板上集成有直流电机接口、舵机接口、WiFi接口和/或蓝牙接口；可方便与外设连接，可适用于智能硬件比赛，编程比赛，智能小车，搬运机器人等实验。

另外，可在基板的右上边角或左上角作倒角处理，主要起到防错作用，便于使用者区分基板的自身朝向和安装位置。

本发明实施例提供的集成多款传感器的Arduino教学开发板，具有高度集成性，操作简单、易于上手，接口方便，扩展性高；可以支持中小学Arduino主题的编程教学任务有助于使学生掌握数字输入、模拟输入、数字输出、PMW输出和IIC通信的实际应用。

其中，板载丰富的环境传感器，可以对周边的声音变化、光线变化、物体接近、触摸进行感知和判断，并通过蜂鸣器、LED进行表达，构建丰富的声、光、电结合交互应用场景。避免了传统的各种飞线连接，使课堂教学环节中，有更多的时间关注编程的本身，而无需花费过多时间在连接硬件以及排除硬件Bug上。

丰富的中华传统文化底蕴，七颗可独立亮灭、调光、调色的RGBLED，可以实现北斗七星(对七星的亮度进行模拟)、闪烁七星(类似跑马灯，逐一闪烁)、呼吸七星(全组亮度渐变的呼吸灯效果)、彩虹七星(颜色依次七彩渐变)等无限创意，编程也可以与科学科普有机结合。

本发明所选用传感器时，已经考虑技术成熟度、市场供货充足性、价格优势明显等因素，可以大批量量产，加上新颖的产品形式，具备极强的市场竞争力。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。