CN109471830A - 一种基于Arduino的教学开发套件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于Arduino的教学开发套件，属于编程教学技术领域。包括主控板、底板和扩展板，所述的主控板和扩展板安装在底板上，所述的主控板包括主控芯片、USB接口芯片和USB接口，所述的底板包含与主控板连接的主控接口、与扩展板连接的PCIE接口、将主控芯片各管脚引出的接口电源排座，模拟输入排座和数字输入输出排座；所述的扩展板与底板之间通过MINI PCI‑E接口进行连接。本发明的有益效果是：本发明使用“主控板+底板+扩展板”的设计模式，将arduino主控板和底板插接在底板上，省去套件需要频繁使用杜邦线连接的麻烦，提高了效率，强化了集成性。所有扩展板大小外形一致，插接时不需要考虑连接方式，对于初学者学习更为简单方便。

Description

一种基于Arduino的教学开发套件
技术领域
本发明涉及一种基于Arduino的教学开发套件，属于编程教学技术领域。
背景技术
在电路设计、C语言学习和单片机开发的基础教学方面，市面上目前有许多开发板或开发套件供初学者进行开发学习。Arduino作为开源的电子平台，以其编程简单、功能丰富、跨平台等特点，迅速发展，成为目前初学者进行单片机学习的主流平台。利用Arduino平台，初学者可以通过编程语言给Arduino电路板的微控制器编写程序，来驱动其他扩展的外设（包括传感器、显示屏和各类芯片等）进行工作，从而可以学习硬件电路、编程语言和单片机开发。目前此类开发板都是单独成系，初学者进行学习时，需要根据学习内容的不同，使用不同的开发板，集成性差。这切实需要一款可以尽可能满足初学者学习需求的开发套件。
现有技术中有的套件采用开发板之间使用杜邦线相连的方式，在arduino主控板和扩展板之间留有接口，使用杜邦线通过面包板或者直连的方式完成所需要实现的功能。另一种开发套件可以实现部分扩展板和主控板之间的插接操作，针对特定的扩展板可以将其与主控板插接在底板上。这种繁琐的更换扩展板的方式，不仅效率低下，且需要初学者使用时熟悉各连线接口的功能，将主控板和扩展板各接口进行对应连线。同时，使用杜邦线连接开发板，存在电路不稳定的风险。并且扩展板都是单独成件的，结构各异，成本过高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种基于Arduino的教学开发套件，包括主控板、底板和扩展板，底板作为整个开发板的基础，给主控和扩展板提供接口的同时，也将主控芯片的部分引脚以排针母座的形式对外提供接口。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：包括主控板、底板和扩展板，所述的主控板和扩展板安装在底板上，所述的主控板包括主控芯片、USB接口芯片和USB接口，所述的底板包含与主控板连接的主控接口、与扩展板连接的PCIE接口、将主控芯片各管脚引出的接口电源排座，模拟输入排座和数字输入输出排座；所述的扩展板与底板之间通过MINI PCI-E接口进行连接。
进一步的，所述的主控板USB接口为主控板的程序下载和电源供应的接口，主控板使用USB数据线与电脑连接，USB接口芯片采用CH340E，与外围电路构成下载电路，将程序下载到主控芯片中。
进一步的，所述的USB芯片CH340E的UD+和UD-直接连接到USB接口的D+数据线和D-数据线上，接收电脑的数据信号，USB芯片内部将电脑的USB信号转换为主控芯片可以接收的串口信号，将CH340E的接收数据的引脚RXD和主控制器的发送数据的引脚TX通过限流电阻R1相连，CH340E的发送数据的引脚TXD和主控制器的接收数据的引脚RX通过限流电阻R2相连，使程序从电脑下载到主控制器中。
进一步的，所述的主控芯片采用atmega328P 8位AVR微处理器，通过其串口（TXD和RXD）与USB接口芯片连接，主控芯片对外提供接口，包括串口（TXD和RXD）、数字输入输出口（D2~D13）、模拟输入口（A0~A5）、I2C总线接口（SCL和SDA），接口连接扩展板的相关电路实现套件的基础功能。
进一步的，所述的扩展板包括点阵板，点阵板主要由25个WS2812B灯珠与25个滤波电容（0.1uF）组成， 25个规格为5050的WS2812B小灯珠串联起来，即前一个灯珠的输出引脚DOUT与后一个灯珠的输入引脚DIN连接起来，同时电压输入端并联滤波电容，整个点阵板从P1的DIN引脚连接主控板的I/O口，驱电路工作。
进一步的，所述的扩展板还包括WIFI模块+传感器板，WIFI模块+传感器板主要由WiFi模组、攀藤PM2.5传感器接口电路、电平转换模块电路以及土壤湿度传感器电路组成，各部分通过主控芯片的接口进行各自数据的传输；WIFI模块选用ESP82266-12F模块，配合设计的外围电路进行程序的下载和驱动电路工作，其中S1、S2为模组的复位和FLASH下载按键，当需要为ESP8266-12F烧写程序时，需要用到S1和S2，ESP_TX和ESP_RX为整个模组的串口，用于与主控芯片和电脑进行数据传输。
进一步的，所述的攀藤PM2.5传感器接口电路提供连接传感器的接口，同时对传感器的供电进行监测，判断电路对传感器是否进行了正常供电，传感器通过串口（ptT和ptR）与主控器进行数据传输。
进一步的，所述的电平转换模块电路主要是为攀藤传感器的串口和主控制器的串口进行电平转换，这里采用线性稳压芯片ME6211C33M5G将5V电压转换为3.3V电压，配合两个N沟道MOS管LBS138LT1G，将主控芯片的5V的串口高电平转换为传感器可以接受的3.3V的串口高电平，R22和R23为调测电阻。
进一步的，所述的土壤湿度传感器的土壤湿度传感器探头（即湿敏电阻）根据土壤湿度的不同，阻值不同，从而分得的电压不同，即shiduA0处电压不同，shiduA0连接主控芯片的模拟输入口，则主控芯片可获得其模拟电压值，同时，土壤湿度探头的电压作为LM393的正相输入电压，与R13获得的反相输入电压进行比较，比较结果通过shiduD0连接主控芯片的数字输入口，若正相电压大于反相电压，主控芯片的数字输入口值为1；若反相电压大于正相电压，则主控芯片的数字输入口值为0，调节可调电阻器R13的阻值，更改整个传感器阈值电压。
进一步的，所述的扩展板还包括OLED板，主要由OLED裸屛接口电路、五向开关电路、DS1302实时时钟电路以及SHT20温湿度传感器电路组成，与主控芯片通过I2C总线连接；所述的五向开关接口电路的五个按键通过10k欧姆的限流电阻，与主控芯片的数字输入引脚连接，主控芯片的输入引脚初始时置为高电平，当任意一个按键按下时，该按键与GND接通，变为低电平，主控芯片的引脚电平改变。所述的DS1302实时时钟电路与主控芯片的通信为三线接口，CS、MOSI、SCK分别与主控芯片的D10、D11、D13相连接，主控芯片可接收DS1302发送的时间信息；所述的SHT20温湿度传感器电路通过I2C总线与主控芯片进行数据通信，其中R7、R8为上拉电阻，使得SDA与SCL信号电平保持为3.3V。
本发明的有益效果是：本发明使用“主控板+底板+扩展板”的设计模式，将arduino主控板和底板插接在底板上，因此省去了市面上的套件需要频繁使用杜邦线连接的麻烦，提高了效率，强化了集成性。同时，所有扩展板大小外形一致，插接时不需要考虑连接方式，对于初学者学习更为简单方便。本发明以arduino为入门，简单易学，同时目前定型的三块扩展板涵盖了单片机应用的大部分功能（包括I/O口驱动、串口通信、I2C通信、WIFi通信等），可让初学者全面地学习电路设计、C语言程序以及单片机开发，进一步设计出复杂的产品。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意框图；
图2是本发明的主控板原理框图；
图3是本发明的主控板的USB接口下载电路图；
图4是本发明的主控板的主控制器电路图；
图5是本发明的点阵板电路图；
图6是本发明的WIFI模组电路图；
图7是本发明的攀藤PM2.5传感器接口电路图；
图8是本发明的电平转换模块电路图；
图9是本发明的土壤湿度传感器电路图；
图10是本发明的OLED裸屛接口电路；
图11是本发明的五向开关接口电路图；
图12是本发明的DS1302实时时钟电路图；
图13是本发明的SHT20温湿度传感器电路图。
具体实施方式
如图1到图12所示的一种基于Arduino的教学开发套件，包括主控板、底板和扩展板，底板作为整个开发板的基础，给主控和扩展板提供接口的同时，也将主控芯片的部分引脚以排针母座的形式对外提供接口。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：包括主控板、底板和扩展板，所述的主控板和扩展板安装在底板上，所述的主控板包括主控芯片、USB接口芯片和USB接口，所述的底板包含与主控板连接的主控接口、与扩展板连接的PCIE接口、将主控芯片各管脚引出的接口电源排座，模拟输入排座和数字输入输出排座；所述的扩展板与底板之间通过MINI PCI-E接口进行连接。
所述的主控板USB接口为主控板的程序下载和电源供应的接口，主控板使用USB数据线与电脑连接，USB接口芯片采用CH340E，与外围电路构成下载电路，将程序下载到主控芯片中。
所述的USB芯片CH340E的UD+和UD-直接连接到USB接口的D+数据线和D-数据线上，接收电脑的数据信号，USB芯片内部将电脑的USB信号转换为主控芯片可以接收的串口信号，将CH340E的接收数据的引脚RXD和主控制器的发送数据的引脚TX通过限流电阻R1相连，CH340E的发送数据的引脚TXD和主控制器的接收数据的引脚RX通过限流电阻R2相连，使程序从电脑下载到主控制器中。
所述的主控芯片采用atmega328P 8位AVR微处理器，通过其串口（TXD和RXD）与USB接口芯片连接，主控芯片对外提供接口，包括串口（TXD和RXD）、数字输入输出口（D2~D13）、模拟输入口（A0~A5）、I2C总线接口（SCL和SDA），接口连接扩展板的相关电路实现套件的基础功能。
所述的扩展板包括点阵板，点阵板主要由25个WS2812B灯珠与25个滤波电容（0.1uF）组成， 25个规格为5050的WS2812B小灯珠串联起来，即前一个灯珠的输出引脚DOUT与后一个灯珠的输入引脚DIN连接起来，同时电压输入端并联滤波电容，整个点阵板从P1的DIN引脚连接主控板的I/O口，驱电路工作。
所述的扩展板还包括WIFI模块+传感器板，WIFI模块+传感器板主要由WiFi模组、攀藤PM2.5传感器接口电路、电平转换模块电路以及土壤湿度传感器电路组成，各部分通过主控芯片的接口进行各自数据的传输；WIFI模块选用ESP82266-12F模块，配合设计的外围电路进行程序的下载和驱动电路工作，其中S1、S2为模组的复位和FLASH下载按键，当需要为ESP8266-12F烧写程序时，需要用到S1和S2，ESP_TX和ESP_RX为整个模组的串口，用于与主控芯片和电脑进行数据传输。
所述的攀藤PM2.5传感器接口电路提供连接传感器的接口，同时对传感器的供电进行监测，判断电路对传感器是否进行了正常供电，传感器通过串口（ptT和ptR）与主控器进行数据传输。
所述的电平转换模块电路主要是为攀藤传感器的串口和主控制器的串口进行电平转换，这里采用线性稳压芯片ME6211C33M5G将5V电压转换为3.3V电压，配合两个N沟道MOS管LBS138LT1G，将主控芯片的5V的串口高电平转换为传感器可以接受的3.3V的串口高电平，R22和R23为调测电阻。
所述的土壤湿度传感器的土壤湿度传感器探头（即湿敏电阻）根据土壤湿度的不同，阻值不同，从而分得的电压不同，即shiduA0处电压不同，shiduA0连接主控芯片的模拟输入口，则主控芯片可获得其模拟电压值，同时，土壤湿度探头的电压作为LM393的正相输入电压，与R13获得的反相输入电压进行比较，比较结果通过shiduD0连接主控芯片的数字输入口，若正相电压大于反相电压，主控芯片的数字输入口值为1；若反相电压大于正相电压，则主控芯片的数字输入口值为0，调节可调电阻器R13的阻值，更改整个传感器阈值电压。
所述的扩展板还包括OLED板，主要由OLED裸屛接口电路、五向开关电路、DS1302实时时钟电路以及SHT20温湿度传感器电路组成，与主控芯片通过I2C总线连接；所述的五向开关接口电路的五个按键通过10k欧姆的限流电阻，与主控芯片的数字输入引脚连接，主控芯片的输入引脚初始时置为高电平，当任意一个按键按下时，该按键与GND接通，变为低电平，主控芯片的引脚电平改变。所述的DS1302实时时钟电路与主控芯片的通信为三线接口，CS、MOSI、SCK分别与主控芯片的D10、D11、D13相连接，主控芯片可接收DS1302发送的时间信息；所述的SHT20温湿度传感器电路通过I2C总线与主控芯片进行数据通信，其中R7、R8为上拉电阻，使得SDA与SCL信号电平保持为3.3V。

Claims (10)

1.一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：包括主控板、底板和扩展板，所述的主控板和扩展板安装在底板上，所述的主控板包括主控芯片、USB接口芯片和USB接口，所述的底板包含与主控板连接的主控接口、与扩展板连接的PCIE接口、将主控芯片各管脚引出的接口电源排座，模拟输入排座和数字输入输出排座；所述的扩展板与底板之间通过MINIPCI-E接口进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：所述的主控板USB接口为主控板的程序下载和电源供应的接口，主控板使用USB数据线与电脑连接，USB接口芯片采用CH340E，与外围电路构成下载电路，将程序下载到主控芯片中。
3.根据权利要求2所述的一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：所述的USB芯片CH340E的UD+和UD-直接连接到USB接口的D+数据线和D-数据线上，接收电脑的数据信号，USB芯片内部将电脑的USB信号转换为主控芯片可以接收的串口信号，将CH340E的接收数据的引脚RXD和主控制器的发送数据的引脚TX通过限流电阻R1相连，CH340E的发送数据的引脚TXD和主控制器的接收数据的引脚RX通过限流电阻R2相连，使程序从电脑下载到主控制器中。
4.根据权利要求2所述的一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：所述的主控芯片采用atmega328P 8位AVR微处理器，通过其串口（TXD和RXD）与USB接口芯片连接，主控芯片对外提供接口，包括串口（TXD和RXD）、数字输入输出口（D2~D13）、模拟输入口（A0~A5）、I2C总线接口（SCL和SDA），接口连接扩展板的相关电路实现套件的基础功能。
5.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：所述的扩展板包括点阵板，点阵板主要由25个WS2812B灯珠与25个滤波电容（0.1uF）组成， 25个规格为5050的WS2812B小灯珠串联起来，即前一个灯珠的输出引脚DOUT与后一个灯珠的输入引脚DIN连接起来，同时电压输入端并联滤波电容，整个点阵板从P1的DIN引脚连接主控板的I/O口，驱电路工作。
6.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：所述的扩展板还包括WIFI模块+传感器板，WIFI模块+传感器板主要由WiFi模组、攀藤PM2.5传感器接口电路、电平转换模块电路以及土壤湿度传感器电路组成，各部分通过主控芯片的接口进行各自数据的传输；WIFI模块选用ESP82266-12F模块，配合设计的外围电路进行程序的下载和驱动电路工作，其中S1、S2为模组的复位和FLASH下载按键，当需要为ESP8266-12F烧写程序时，需要用到S1和S2，ESP_TX和ESP_RX为整个模组的串口，用于与主控芯片和电脑进行数据传输。
7.根据权利要求6所述的一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：所述的攀藤PM2.5传感器接口电路提供连接传感器的接口，同时对传感器的供电进行监测，判断电路对传感器是否进行了正常供电，传感器通过串口（ptT和ptR）与主控器进行数据传输。
8.根据权利要求6所述的一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：所述的电平转换模块电路主要是为攀藤传感器的串口和主控制器的串口进行电平转换，这里采用线性稳压芯片ME6211C33M5G将5V电压转换为3.3V电压，配合两个N沟道MOS管LBS138LT1G，将主控芯片的5V的串口高电平转换为传感器可以接受的3.3V的串口高电平，R22和R23为调测电阻。
9.根据权利要求6所述的一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：所述的土壤湿度传感器的土壤湿度传感器探头（即湿敏电阻）根据土壤湿度的不同，阻值不同，从而分得的电压不同，即shiduA0处电压不同，shiduA0连接主控芯片的模拟输入口，则主控芯片可获得其模拟电压值，同时，土壤湿度探头的电压作为LM393的正相输入电压，与R13获得的反相输入电压进行比较，比较结果通过shiduD0连接主控芯片的数字输入口，若正相电压大于反相电压，主控芯片的数字输入口值为1；若反相电压大于正相电压，则主控芯片的数字输入口值为0，调节可调电阻器R13的阻值，更改整个传感器阈值电压。
10.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的教学开发套件，其特征在于：所述的扩展板还包括OLED板，主要由OLED裸屛接口电路、五向开关电路、DS1302实时时钟电路以及SHT20温湿度传感器电路组成，与主控芯片通过I2C总线连接；所述的五向开关接口电路的五个按键通过10k欧姆的限流电阻，与主控芯片的数字输入引脚连接，主控芯片的输入引脚初始时置为高电平，当任意一个按键按下时，该按键与GND接通，变为低电平，主控芯片的引脚电平改变；所述的DS1302实时时钟电路与主控芯片的通信为三线接口，CS、MOSI、SCK分别与主控芯片的D10、D11、D13相连接，主控芯片可接收DS1302发送的时间信息；所述的SHT20温湿度传感器电路通过I2C总线与主控芯片进行数据通信，其中R7、R8为上拉电阻，使得SDA与SCL信号电平保持为3.3V。
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