一种可编程科教系统及教具

技术领域

本发明涉及教学教具领域，具体的说，是涉及一种可编程科教系统及教具。

背景技术

PLC控制是通过一种可编程的存储器，在内部存储过程中执行各种操作的指令，通过数字方式或模拟方式控制机械设备的一种控制方式。PLC控制在自动化生产与自动化管理中具有一定的地位，因此为培养相关职业人才的教育机构，如大学、职业学校等，均将PLC编程控制板纳入教育的一部分。

目前市面上的可编程教具多采用遥控小车的形式，但小车主体上只是设置一块带有可编程芯片的主板，利用PC或者手机、平板上的APP对其进行编程以改变一些简易的功能，例如灯、光、声。

现有的可编程教具仅能对小车上的主板进行编程，内容也比较简单、乏味，学生很快便没有了学习兴趣；且在系统需要升级时，整块主板都要更换，存在资源浪费的问题。

以上问题，值得解决。

发明内容

为了克服现有可编程教具的教学内容单一，且系统升级时存在资源浪费的问题，本发明提供一种可编程科教系统及教具。

本发明技术方案如下所述：

一种可编程科教系统，包括：

主板，设有第一电源电路、马达驱动控制电路、第一MCU接口以及多个用于连接传感模组的接口；

遥控板，设有第二电源电路、第二MCU接口以及方向控制电路；

两个可编程板，分别插接于所述第一MCU接口和所述第二MCU接口，通过在对应的所述可编程板写入控制程序以对主板和遥控板进行功能设定；两个所述可编程板设有无线传输模块，所述遥控板的可编程板与所述主板的可编程板无线连接。

根据上述方案的本发明，所述接口包括16个模拟IO控制接口、11个数字接口、1个SPI接口、1个I2C接口、1个串行接口；连接于所述接口的所述传感模组包括人体接近传感器、颜色传感器、烟雾传感器、超声波传感器、光线传感器、红外传感器。

根据上述方案的本发明，所述第一电源电路和所述第二电源电路均连接一个可充电电池，且所述第一电源电路和所述第二电源电路均包括充电管理电路。

根据上述方案的本发明，所述无线传输模块包括蓝牙模块、2.4G无线模块。

根据上述方案的本发明，所述可编程板还设有三轴地磁传感器、重力传感器和LED点阵屏。

根据上述方案的本发明，可编程科教系统还包括传感器集成板，所述传感器集成板设有若干组红外传感器、一组颜色检测传感器和一组到位检测传感器，所述传感器集成板与所述主板通过多口排线电连接，用于传输多个传感信号至所述主板。

根据上述方案的本发明，所述遥控板设有声控电路，所述声控电路连接麦克风模块，所述麦克风模块用于采集声音信号。

根据上述方案的本发明，所述主板和所述遥控板均设有蜂鸣器，且所述遥控板还设有振动器。

本发明还提供一种用于搭载上述方案的可编程科教系统的教具，所述教具包括无线连接的小车和手柄遥控器，所述小车包括支撑板，所述支撑板上方设有主板，所述支撑板下方设有传感器集成板，所述传感器集成板与所述主板电连接；

所述支撑板设有四个独立的马达，且每个所述马达控制一个车轮；所述手柄遥控器用于发送方向操控信号至所述主板以驱动所述马达运转。

根据上述方案的本发明，所述车轮为麦克纳姆。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于：

本发明的科教系统包括主板和遥控板，主板和遥控板均可拆卸连接一个可编程板，且主板设有多个用于连接传感模组的接口，学生可以按照自己的喜好，为主板安装不同的传感器，并且在主板上的可编程板写入相应的程序代码，在遥控板上的可编程板写入相匹配的控制程序；最后将两个可编程板通讯连接以实现遥控板对主板的操控；

可见，本发明满足学生利用两个可编程板学习程序的编写，再通过遥控板对主板的控制来验证所编写的程序，学生能够更加直观地感受编程带来的功能变化，提高学习兴趣；

主板和遥控板上的可编程板为可拆卸连接的方式，可以通过升级可编程板，来对教具更新换代，既方便拓展教具的功能，也利于提高资源利用率。

附图说明

图1为本发明的可编程科教系统的示意图；

图2为第一电源电路和第二电源电路的电路图；

图3为遥控板中声控电路的电路图；

图4为马达驱动控制电路的电路图；

图5为一优选实施例中遥控板的电路图；

图6为可编程板上三轴地磁传感器的电路图；

图7为可编程板上重力传感器的电路图；

图8为可编程板上LED点阵屏的电路图；

图9为一优选实施例中传感器集成板的电路图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。

“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。

如图1所示，一种可编程科教系统，包括：

主板，设有第一电源电路、马达驱动控制电路、第一MCU接口以及多个用于连接传感模组的接口。其中，第一电源电路连接有可充电电池，用于为主板提供工作所需的电能；马达驱动控制电路在获取控制信号后，输出信号并控制对应的马达运转，从而控制对应的轮子转动；第一MCU接口用于插接可编程板，以获取可编程板的信号；传感器模组的接口用于连接不同的传感器，实现对主板上的传感功能进行改造。

在一个具体实施例中，传感模组包括人体接近传感器、颜色传感器、烟雾传感器、超声波传感器、光线传感器、红外传感器。学生可以按照自己的喜好，为主板安装不同的传感器，并且在主板上的可编程板写入相应的控制程序代码。

遥控板，设有第二电源电路、声控电路、第二MCU接口以及方向控制电路。其中，第二电源电路连接有可充电电池，用于为遥控板提供工作所需的电能；声控电路连接有麦克风模块，麦克风模块可采集声音信号并传输至遥控板的处理器芯片，实现遥控板的声控功能。

如图3所示，在一个可选实施例中，声控电路包括声控芯片电路(图中左边电路部分)和声控输入电路(图中右边电路部分)。

在本发明中，两个可编程板分别插接于所述第一MCU接口和所述第二MCU接口，通过在对应的所述可编程板写入控制程序以对主板和遥控板进行功能设定，具体地，学生利用第一MCU接口上的可编程板，对主板上的功能进行程序编写，以激活主板上相关的传感功能；利用第二MCU接口上的可编程板，对遥控板上的控制功能进行程序编写，以使遥控功能适配主板。两个可编程板设有无线传输模块，主板的可编程板与遥控板的可编程板无线连接，实现主板与遥控板的通讯连接。遥控板上的方向控制电路可接收方向控制信号，并无线传输至主板，主板的处理芯片将控制信号传达至马达驱动控制电路，以控制对应的轮子转动。方向控制信号可来自遥控板上的方向控制按键，也可以来自麦克风模块。

其中，无线传输模块包括蓝牙模块、2.4G无线模块。通过无线传输模块能够连接带有蓝牙功能或WIFI功能的手机等电子设备，实现对系统的控制设备的拓展。2.4G无线模块已能够满足本方案系统信号传输的速率要求，且此类信号的穿墙效果更佳，更有利于控制信号的传输稳定性。

本发明满足学生利用两个可编程板学习程序的编写，再通过遥控板对主板的控制来验证所编写的程序，学生能够更加直观地感受编程带来的功能变化，提高学习兴趣。

如图2所示，在一个优选实施例中，第一电源电路和第二电源电路不仅均连接一个可充电电池，而且第一电源电路和第二电源电路均包括充电管理电路。充电管理电路包括充放电控制电路(芯片U2部分)、充电保护电路(芯片U6部分)和电池DC-DC控制电路(芯片U7部分)，用于对可充电电池进行充电、放电控制，避免可充电电池过充、过放、过流、过温等情况发生，有效提高可充电电池的安全性。

在一个具体实施例中，主板上设有多种接口，包括16个模拟IO控制接口、11个数字接口、1个SPI接口、1个I2C接口、1个串行接口。主板的处理器芯片通过上述接口控制人体接近传感器、颜色传感器、烟雾传感器、超声波传感器、光线传感器、红外传感器等外部传感模组，进行人工智能产品的编程控制和学习。

如图4所示，在一个具体实施例中，马达驱动控制电路包括第一马达驱动控制电路(图中上方电路部分)和第二马达驱动控制电路(图中下方电路部分)，第一马达驱动控制电路连接左前侧两个马达，第二马达驱动控制电路连接右侧两个马达。

在一个可选实施例中，主板上设有蜂鸣器，还设有由多色LED灯组成的点阵显示屏。

如图5所示，在一个优选实施例中，遥控板上设有两个开关电路(图中K1芯片和K2芯片部分)，分别与遥控板上设置的左方向摇杆键、右方向摇杆键连接。遥控板上还设有发声的蜂鸣器及其电路(图中H部分)和振动器及其开关电路(图中I部分)，分别实现遥控手柄的声音功能和振动功能。

可编程板还设有三轴地磁传感器、重力传感器和LED点阵屏。

其中，三轴地磁传感器在主板的可编程板上，主要用作于姿态控制和运动检测，通过测量磁场的方向和强度变化，可以检测设备的倾斜、旋转和加速度等信息；带有三轴地磁传感器的主板适合作为小车或机器人的主板。三轴地磁传感器在遥控板的可编程板上，主要用作实时捕捉玩家的手部动作，带有三轴地磁传感器的遥控板适合作为手柄遥控器，丰富手柄遥控器的控制功能。在一个具体实施例中，可编程板上的三轴地磁传感器采用MAG3110，其相关电路如图6所示。

其中，重力传感器可以完成从重力变化到电信号的转换，实现小车在重力感应模式，通过遥控器或手机的重力感应控制无级变速，倾斜角度越大，遥控车的速度越快。在一个具体实施例中，可编程板上的三轴地磁传感器采用MMA8653FC，是10位数字加速度传感器，其相关电路如图7所示。

其中，LED点阵屏上的多颗LED灯可以通过写入的程序，改变每颗LED灯的点亮模式，从而在LED点阵屏上实现数字、文字、简易图案或者简易动图的展示。如图8所示，在一个具体实施例中，可编程板上的LED点阵屏包括25颗LED灯。

在本发明中，可编程科教系统还包括传感器集成板，传感器集成板与主板之间通过排线电连接，将多个传感信号传输至主板。传感器集成板设有若干组红外传感器、一组颜色检测传感器和一组到位检测传感器。其中，多组红外传感器用于红外巡线，故也称红外巡线传感器，其中的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，红外接收管一直处于关断状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，红外接收管饱和；可以利用照射黑线，红外线照射到黑线时将被吸收，没有照射到黑线时将被返回，以此来保证自动行走设备的按照设定的黑线行走。颜色检测传感器用于避障。到位检测传感器用于检测物体是否到达了指定的位置。

如图9所示，在一个具体实施例中，传感器集成板上与主板连接的端口电路如图中A部分所示；颜色检测传感器及颜色检测光线控制电路如图中B部分所示；红外巡线传感器相关电路如图中C部分所示。在本实施例中，传感器集成板上还设有检测状态指示灯，每一个红外传感器配置一个指示灯，例如六组红外传感器则配置6个指示灯，其电路如图中D部分所示。传感器集成板上还设有应急停止开关电路，其电路如图中E部分所示。本实施例通过IO口控制6路红外巡线传感器，通过串口控制1路颜色检测传感器，通过IO口控制应急停止开关。

本发明还提供一种用于搭载上述方案所述的可编程科教系统的教具，该教具包括小车和手柄遥控器。具体地，小车包括一块起到支撑作用的支撑板，支撑板设有四个车轮，每个车轮由一个独立的马达提供动力。主板上的马达驱动控制电路连接并控制马达，每一个马达获得的转动信号独立，四个车轮独立地按照接受到的信号转动方向。主板设置在支撑板的上方，一个可编程板插接在主板的第一MCU接口上。传感器集成板设置在支撑板的下方，传感器集成板上的多组红外巡线传感器均朝下照射地板上的黑线；颜色检测传感器的方向也是朝下；而到位检测传感器朝向小车的前方。

在一个优选实施例中，车轮为麦克纳姆轮(简称麦轮)，由轮教和围绕轮毅的辊子组成，在轮的轮缘上斜向分布着许多小轮子，即辊子，麦轮辊了轴线和轮毅轴线夹角成45°。小车采用麦轮实现包括横向滑移的全方位移动。

综上所述，本发明的主板和遥控板上的可编程板为可拆卸连接的方式，可以通过升级可编程板，来对教具更新换代，既方便拓展教具的功能，也能够重复使用主板和遥控板，利于提高资源利用率。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。