CN111882969A - 一种可参与式演示教具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可参与式演示教具，包括屋型壳体、活动窗户、驱动部、传感部、控制部。通过设置开有窗户口的屋型壳体，并在屋型壳体内设置活动窗户、驱动部、传感部和控制部；由传感部接收室内温度信息和室外雨滴信息并输出至控制部，再由控制部判断是否输出控制信号至驱动部，使得驱动部带动活动窗户移入或移出窗户口，从而实现针对室内温度变化、室外是否有雨的状况自动开关窗的演示操作，演示时室内温度变化、室外是否有雨这两个变量可由学生进行控制和改变，教具整体全程自动控制、运行，操作简单，演示效果直观，解决了现有教具演示效果差的问题。

Description

一种可参与式演示教具

技术领域

本发明属于教具技术领域，尤其涉及一种可参与式演示教具。

背景技术

2015年，由美国政府主导的STEAM教育理念传入中国，许多城市的高校都在进行STEAM教育的实验性课程。STEAM教育重在培养学生的“工程师思维”，强调打破学科之间界限，综合解决问题，培养综合型人才，是一种多学科融合式的教育模式。与此同时，3D打印具有直观、快捷等特点，许多城市的高校推行将3D打印与STEAM教育相结合的课程。但是，目前的教具市场，大多都是单一化、固定式的教学用具，不能满足此类课程的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可参与式演示教具，以解决现有教具演示效果差的问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种可参与式演示教具，包括：

屋型壳体，所述屋型壳体上开有窗户口；

活动窗户，滑动连接于所述窗户口；

驱动部，设于所述屋型壳体内，且输出端与所述活动窗户连接，用于带动所述活动窗户移入或移出所述窗户口；

传感部，设于所述屋型壳体上，用于感应室内温度信息和室外雨滴信息；

控制部，设于所述屋型壳体，并与所述驱动部和所述传感部信号连接，用于接收所述感应室内温度信息和室外雨滴信息并输出控制信号至所述驱动部。

本发明的可参与式演示教具，所述屋型壳体包括屋顶件、主体件和屋内插板；所述主体件设有上端开口的内部空腔，且所述主体件的侧壁上设有所述窗户口；所述屋顶件可拆卸连接于所述主体件的上端开口；所述屋内插板可拆卸连接于所述内部空腔的底面上，所述屋内插板与所述主体件配合形成一用于容置所述控制部的容置空间。

本发明的可参与式演示教具，所述主体件上开有若干散热孔。

本发明的可参与式演示教具，还包括固定窗户、窗框、第一滑轨和限位开关；所述窗框安装于所述窗户口；所述固定窗户安装于所述窗框；所述第一滑轨安装于所述屋型壳体内并与所述窗框相对应；所述活动窗户滑动安装于所述第一滑轨，用于与所述固定窗户配合封闭所述窗户口；所述限位开关设于所述屋型壳体内并与所述控制部信号连接。

本发明的可参与式演示教具，所述驱动部包括电机、电机固定壳、齿轮、齿条、齿条滑轨；所述电机固定壳安装于所述屋型壳体内；所述电机安装于所述电机固定壳；所述齿轮安装于所述电机的输出轴；所述齿条滑轨安装于所述屋型壳体内并与所述活动窗户相对应；所述齿条滑动安装于所述齿条滑轨并与所述活动窗户相连，且所述齿条与所述齿轮啮合。

本发明的可参与式演示教具，所述传感模块包括温度传感器、雨滴传感器；所述温度传感器设于所述屋型壳体内并与所述控制部信号连接，用于测量所述室内温度信息；所述雨滴传感器设于所述屋型壳体的外表面并与所述控制部信号连接，用于测量所述室外雨滴信息。

本发明的可参与式演示教具，所述控制部包括设于所述屋型壳体内的控制箱和设置在所述控制箱内的ESP32模块、电源模块、热电偶测温模块、雨滴传感器控制板、双H桥电机驱动模块；所述电源模块通过电源线与外部电源相连，并与所述ESP32模块电连接；所述热电偶测温模块与所述温度传感器信号连接，用于处理所述温度传感器传递的信号，并将信号反馈给所述ESP32模块；所述雨滴传感器控制板与所述雨滴传感器信号连接，用于处理所述雨滴传感器传递的信号，并将信号反馈给所述ESP32模块；所述双H桥电机驱动模块与所述驱动部信号连接。

本发明的可参与式演示教具，所述ESP32模块中烧录有与所述热电偶测温模块对应的可编程温度信号反馈模块、与所述雨滴传感器控制板对应的可编程雨滴信号反馈模块、与所述双H桥电机驱动模块对应的可编程电机驱动模块；所述可编程温度信号反馈模块、所述可编程雨滴信号反馈模块和所述可编程电机驱动模块配合组成一可编程控制模块。

本发明的可参与式演示教具，所述温度传感器、雨滴传感器、ESP32模块、电源模块、热电偶测温模块、雨滴传感器控制板、双H桥电机驱动模块之间可拆卸硬件模块化封装。

本发明的可参与式演示教具，所述屋型壳体的材质为亚克力。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1、本发明一实施例通过设置开有窗户口的屋型壳体，并在屋型壳体内设置活动窗户、驱动部、传感部和控制部；由传感部接收室内温度信息和室外雨滴信息并输出至控制部，再由控制部判断是否输出控制信号至驱动部，使得驱动部带动活动窗户移入或移出窗户口，从而实现针对室内温度变化、室外是否有雨的状况自动开关窗的演示操作，演示时室内温度变化、室外是否有雨这两个变量可由学生进行控制和改变，教具整体全程自动控制、运行，操作简单，演示效果直观，解决了现有教具演示效果差的问题。

2、本发明各个传感器、控制板等采用硬件模块化封装，每个硬件模块之间均留有相互配合的接口进行连接，采用积木搭建、拼插、榫卯等连接结构固定、封装，而不采用铆钉、螺纹等结构，便于学生操作、安装，解决了现有教具学生可参与性差的问题。

附图说明

图1是本发明的可参与式演示教具的屋型外壳造型图；

图2是本发明的可参与式演示教具的左视图；

图3是本发明的可参与式演示教具的后视图；

图4是本发明的可参与式演示教具的开关窗正面展示图；

图5是本发明的可参与式演示教具的传动机械原理图；

图6是本发明的可参与式演示教具的控制原理示意图。

附图标记说明：A01：屋顶件；A02：主体件；A03：屋内插板；A04：屋内插板滑块；B01：窗户口；B02：雨滴传感器安装孔；B03：散热孔；B04：插入口；B05：测温传感器安装孔；B06：电源插孔；C01：雨滴传感器；C02：温度传感器；C03：电机；C04：限位开关；C05：电源；C06：双H桥电机驱动模块；C07：ESP32模块；C08：雨滴传感器控制板；C09：热电偶测温模块；C10：电源模块；D01：控制箱；D02：齿轮；D03：电机固定壳；D04：齿条；D05：齿条滑轨；D06：窗框；D07：限位开关安装平台；D08：第一滑轨；D09：固定窗户；D10：活动窗户。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种可参与式演示教具作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

参看图1至图6，在一个实施例中，一种可参与式演示教具，包括屋型壳体、活动窗户D10、驱动部、传感部、控制部。

其中，屋型壳体上开有窗户口B01。活动窗户D10则滑动连接于窗户口B01。驱动部设于屋型壳体内，且输出端与活动窗户D10连接，用于带动活动窗户D10移入或移出窗户口B01。传感部设于屋型壳体上，用于感应室内温度信息和室外雨滴信息。控制部设于屋型壳体，并与驱动部和传感部信号连接，用于接收感应室内温度信息和室外雨滴信息并输出控制信号至驱动部。

本实施例通过设置开有窗户口B01的屋型壳体，并在屋型壳体内设置活动窗户D10、驱动部、传感部和控制部；由传感部接收室内温度信息和室外雨滴信息并输出至控制部，再由控制部判断是否输出控制信号至驱动部，使得驱动部带动活动窗户D10移入或移出窗户口B01，从而实现针对室内温度变化、室外是否有雨的状况自动开关窗的演示操作，演示时室内温度变化、室外是否有雨这两个变量可由学生进行控制和改变，教具整体全程自动控制、运行，操作简单，演示效果直观，解决了现有教具演示效果差的问题。

下面对本实施例的可参与式演示教具的具体结构进行说明。

在本实施例中，屋型壳体主要为小别墅造型，主要制作材料为亚克力板，激光切割后拼接而成，具体包括屋顶件A01、主体件A02和屋内插板A03。主体件A02设有上端开口的内部空腔，且主体件A02的侧壁上设有窗户口B01。屋顶件A01可拆卸连接于主体件A02的上端开口。屋内插板A03可拆卸连接于内部空腔的底面上，屋内插板A03与主体件A02配合形成一用于容置控制部的容置空间。

其中，主体件A02上开有若干散热孔B03，散热孔B03是为主体件A02的内部散热孔B03，可设置共14个。屋内插板A03可通过内部空腔底面上的插入口B04插入主体件A02内部。主体件A02的内部空腔内还可开设测温传感器安装孔B05，以安装测温传感器。主体件A02的外壳左侧设有雨滴传感器安装孔B02，用于安装雨滴传感器C01。

在本实施例中，可参与式演示教具还包括固定窗户D09、窗框D06、第一滑轨D08、限位开关C04、限位开关安装平台D07。窗框D06安装于窗户口B01。固定窗户D09安装于窗框D06。第一滑轨D08安装于主体件A02内并与窗框D06相对应，即位于窗框D06的正下方。活动窗户D10滑动安装于第一滑轨D08，用于与固定窗户D09配合封闭窗户口B01。限位开关安装平台D07分别位于活动第一滑轨D08的两侧，限位开关C04共两个，分别设于两侧的限位开关安装平台D07上并与控制部信号连接。

在本实施例中，驱动部包括电机C03、电机固定壳D03、齿轮D02、齿条D04、齿条滑轨D05。电机固定壳D03安装于主体件A02内。电机C03安装于电机固定壳D03。齿轮D02安装于电机C03的输出轴。齿条滑轨D05位于窗框D06正上方，且位于主体件A02正面内侧与活动窗户D10之间的位置。齿条D04滑动安装于齿条滑轨D05并与活动窗户D10相连，且齿条D04与齿轮D02啮合。

在本实施例中，传感模块包括温度传感器C02、雨滴传感器C01。温度传感器C02设于屋型壳体内并与控制部信号连接，用于测量室内温度信息。雨滴传感器C01设于屋型壳体的外表面并与控制部信号连接，用于测量室外雨滴信息。

在本实施例中，控制部包括设于屋型壳体内的控制箱D01和设置在控制箱D01内的ESP32模块C07、电源模块C10、热电偶测温模块C09、雨滴传感器控制板C08、双H桥电机驱动模块C06。电源模块C10通过电源线与外部电源C05相连，并与ESP32模块C07电连接。热电偶测温模块C09与温度传感器C02信号连接，用于处理温度传感器C02传递的信号，并将信号反馈给ESP32模块C07，此软件驱动程序为可编程温度信号反馈模块。雨滴传感器控制板C08与雨滴传感器C01信号连接，用于处理雨滴传感器C01传递的信号，并将信号反馈给ESP32模块C07，此软件驱动程序为可编程雨滴信号反馈模块。双H桥电机C03驱动模块C06与驱动部信号连接，此软件驱动程序为可编程电机驱动模块。其中，可编程温度信号反馈模块、可编程雨滴信号反馈模块、可编程电机驱动模块可以组合为可编程控制模块，即一套完整的可参与式演示教具的软件程序。

进一步地，温度传感器C02、雨滴传感器C01、ESP32模块C07、电源模块C10、热电偶测温模块C09、雨滴传感器控制板C08、双H桥电机驱动模块C06之间可通过硬件模块化封装。其中，硬件模块化封装，即根据不同元器件、机械结构进行DIY定制、封装，每个硬件模块之间均留有相互配合的接口进行连接，采用积木搭建、拼插、榫卯等连接结构固定、封装，而不采用铆钉、螺纹等结构。

进一步地，屋内插板A03上可设置滑轨，使得在主体件A02内滑动，且可以掩盖住下方的控制箱D01。主体件A02背面设有电源插孔B06，可将电源线由此插入到控制箱D01内部的电源模块C10。

具体地，热电偶测温模块C09、雨滴传感器控制板C08、双H桥电机驱动模块C06分别对应与控制箱D01外的温度传感器C02、雨滴传感器C01、电机C03相连。温度传感器C02、雨滴传感器C01、电机C03分别对应安装在测温传感器安装孔B05、雨滴传感器C01放置孔、电机固定壳D03上。控制箱D01内的控制元件通过屋内插板的“凸”形设计，与各类传感器以及电机C03连接。

通过电源模块C10与外接电源连接，为电路供电；ESP32模块C07接收温度传感器C02、雨滴传感器C01、限位开关C04的处理后信号，执行python编程的设定程序，并将动作信号反馈给电机C03执行；电机C03上的齿轮D02与齿条D04啮合，从而带动活动窗户D10在滑轨上的移动，电机C03的正、反转对应窗户移动的开、关；两个限位开关C04分部用于限制活动窗户D10开和关的极限位置。本实施例的可参与式演示教具，以自动开关窗为展示背景，学生可通过三维制图软件绘制小别墅的结构、控制箱D01、窗框D06、窗户、齿轮D02、齿条D04、齿条滑轨D05、电机固定壳D03。其中，小别墅的整体造型采用激光切割的亚克力板制作；控制箱D01、窗框D06、窗户、齿轮D02、齿条D04、齿条滑轨D05、电机固定壳D03采用FDM打印机3D打印成型，材料为PLA。此过程，与机械传动、机械制图、3D打印等领域密切结合。同时结合python编程、控制等领域，实现小别墅自动开关窗的演示目的。

下面对本实施例的可参与式演示教具的自动开关窗的机械工作原理进行说明：

(1)当电机C03停转时，齿轮D02、齿条D04不运动，则活动窗户D10不运动，此时活动窗户D10保持原有位置状态。

(2)当电机C03正转时，齿轮D02逆时针运动，齿条D04沿齿条滑轨D05向右运动，则活动窗户D10沿第一滑轨D08向右运动，此时为开窗运动。当活动窗户D10碰到限位开关C04时，电机C03停转，开窗运动结束，此时窗户为完全打开状态。

(3)当电机C03反转时，齿轮D02顺时针运动，齿条D04沿齿条滑轨D05向左运动，则活动窗户D10沿第一滑轨D08向左运动，此时为关窗运动。当活动窗户D10碰到限位开关C04时，电机C03停转，关窗运动结束，此时窗户为完全关闭状态。

下面对本实施例的可参与式演示教具通电状态下，自动开关窗的控制电路工作原理进行说明：

(1)下雨时，雨滴传感器C01将检测到的雨水信号传递给雨滴传感器控制板C08，信号经处理后反馈给ESP32模块C07，开始执行关窗命令；

(2)当室内温度≥28℃时，温度传感器C02将检测到的温度信号传递给热电偶测温模块C09，信号经处理后反馈给ESP32模块C07，开始执行开窗命令；

(3)当室内温度≤18℃时，温度传感器C02将检测到的温度信号传递给热电偶测温模块C09，信号经处理后反馈给ESP32模块C07，开始执行关窗命令；

(4)当开始执行开窗命令时，ESP32模块C07通过双H桥电机驱动模块C06将命令传递给电机C03，此时电机C03正转；

(5)当开始执行关窗命令时，ESP32模块C07通过双H桥电机驱动模块C06将命令传递给电机C03，此时电机C03反转；

(6)当活动窗户D10碰到限位开关C04时，ESP32模块C07将反馈信号经处理运行后，再通过双H桥电机驱动模块C06将停止传动命令传递给电机C03，此时电机C03停转；

(7)无上述情况出现时，电机C03保持停转状态。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种可参与式演示教具，其特征在于，包括：

屋型壳体，所述屋型壳体上开有窗户口；

活动窗户，滑动连接于所述窗户口；

驱动部，设于所述屋型壳体内，且输出端与所述活动窗户连接，用于带动所述活动窗户移入或移出所述窗户口；

传感部，设于所述屋型壳体上，用于感应室内温度信息和室外雨滴信息；

控制部，设于所述屋型壳体，并与所述驱动部和所述传感部信号连接，用于接收所述感应室内温度信息和室外雨滴信息并输出控制信号至所述驱动部。

2.如权利要求1所述的可参与式演示教具，其特征在于，所述屋型壳体包括屋顶件、主体件和屋内插板；所述主体件设有上端开口的内部空腔，且所述主体件的侧壁上设有所述窗户口；所述屋顶件可拆卸连接于所述主体件的上端开口；所述屋内插板可拆卸连接于所述内部空腔的底面上，所述屋内插板与所述主体件配合形成一用于容置所述控制部的容置空间。

3.如权利要求2所述的可参与式演示教具，其特征在于，所述主体件上开有若干散热孔。

4.如权利要求1所述的可参与式演示教具，其特征在于，还包括固定窗户、窗框、第一滑轨和限位开关；所述窗框安装于所述窗户口；所述固定窗户安装于所述窗框；所述第一滑轨安装于所述屋型壳体内并与所述窗框相对应；所述活动窗户滑动安装于所述第一滑轨，用于与所述固定窗户配合封闭所述窗户口；所述限位开关设于所述屋型壳体内并与所述控制部信号连接。

5.如权利要求1所述的可参与式演示教具，其特征在于，所述驱动部包括电机、电机固定壳、齿轮、齿条、齿条滑轨；所述电机固定壳安装于所述屋型壳体内；所述电机安装于所述电机固定壳；所述齿轮安装于所述电机的输出轴；所述齿条滑轨安装于所述屋型壳体内并与所述活动窗户相对应；所述齿条滑动安装于所述齿条滑轨并与所述活动窗户相连，且所述齿条与所述齿轮啮合。

6.如权利要求1所述的可参与式演示教具，其特征在于，所述传感模块包括温度传感器、雨滴传感器；所述温度传感器设于所述屋型壳体内并与所述控制部信号连接，用于测量所述室内温度信息；所述雨滴传感器设于所述屋型壳体的外表面并与所述控制部信号连接，用于测量所述室外雨滴信息。

7.如权利要求1所述的可参与式演示教具，其特征在于，所述控制部包括设于所述屋型壳体内的控制箱和设置在所述控制箱内的ESP32模块、电源模块、热电偶测温模块、雨滴传感器控制板、双H桥电机驱动模块；所述电源模块通过电源线与外部电源相连，并与所述ESP32模块电连接；所述热电偶测温模块与所述温度传感器信号连接，用于处理所述温度传感器传递的信号，并将信号反馈给所述ESP32模块；所述雨滴传感器控制板与所述雨滴传感器信号连接，用于处理所述雨滴传感器传递的信号，并将信号反馈给所述ESP32模块；所述双H桥电机驱动模块与所述驱动部信号连接。

8.如权利要求7所述的可参与式演示教具，其特征在于，所述ESP32模块中烧录有与所述热电偶测温模块对应的可编程温度信号反馈模块、与所述雨滴传感器控制板对应的可编程雨滴信号反馈模块、与所述双H桥电机驱动模块对应的可编程电机驱动模块；所述可编程温度信号反馈模块、所述可编程雨滴信号反馈模块和所述可编程电机驱动模块配合组成一可编程控制模块。

9.如权利要求7所述的可参与式演示教具，其特征在于，所述温度传感器、雨滴传感器、ESP32模块、电源模块、热电偶测温模块、雨滴传感器控制板、双H桥电机驱动模块之间可拆卸硬件模块化封装。

10.如权利要求1所述的可参与式演示教具，其特征在于，所述屋型壳体的材质为亚克力。

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