CN207833708U - 一种多方位简化编程学习过程的教具和编程教具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多方位简化编程学习过程的教具和编程教具，包括电池、微控制单元、程序输入组件、环境感应组件和反馈组件。程序输入组件用于接受用户编写的用于控制所述反馈组件进行相应动作的程序数据或信号；环境感应组件，用于对外界环境数据进行采集，并向微控制单元进行传送；微控制单元，用于运行程序输入组件输入的程序，并结合所述环境感应组件接收的环境数据生成控制指令；反馈组件，用于接收并执行控制指令。本实用新型的目的在于简化编程的学习过程，利用教具内各个组件之间的结合实现功能和程序之间的简单对照，让学习编程变得简单快乐。

Description

一种多方位简化编程学习过程的教具和编程教具

技术领域

本实用新型涉及程序编写教学领域，具体为一种多方位简化编程学习过程的教具和编程教具。

背景技术

说起程序编程，在很多人的映像中就是专业人员的专属，普通人会觉得学习编程是一个漫长而且困难的过程。事实上，学习者在学习过程中的设计出一个程序后，无法对自己编写的程序的功能和正确性进行及时验证，还需要根据程序自身利用各种传感器和执行器来搭建所需的电路。学习者在学习编程的过程中还需要对硬件做出改动，就要求学习者在学习编程的同时还需要学习硬件知识。这样的编程学习过程加大了学习者的学习负担，学习者的热情和兴趣也会随着长时间对硬件的改动而衰减，大大影响学习效率。

此外，以一个简单的灯环从一种颜色过渡到另外一种颜色为例，传统的程序编写中，需要写几十行代码才能实现这项功能，而且需要专业的数学知识和复杂的编程逻辑。简单的功能需要复杂的程序代码进行控制，并且在执行过程中还会出现许多BUG，这样的学习过程会降低学习者的成就感，打击学习者的学习积极性。

在传统学习过程中，用于验证程序的外界设备一般都是学习者自行搭建的电路板，学习者在使用过程中需要对电路进行改变，而更改电路板上的元器件需要专业的工具和场所，电路板不能随身携带并且随时使用，这限制了编程学习的时间和场所。编程学习和教学的过程中存在着一些不便因素，导致大众对编程的映像都是刻板而难以掌握，导致编程在如今这个信息时代无法普及。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了提供多方位简化编程学习过程的教具和编程教具，目的在于简化编程的学习过程，利用教具内各个组件之间的结合实现功能和程序之间的简单对照，让学习编程变得简单快乐。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用了以下技术方案：多方位简化编程学习过程的教具和编程教具，包括电池、微控制单元、程序输入组件、环境感应组件和反馈组件；

所述程序输入组件，用于接受用户编写的用于控制所述反馈组件进行相应动作的程序数据或信号；

所述环境感应组件，耦接微控制单元，用于对外界环境数据进行采集，并向微控制单元进行传送；

所述微控制单元，耦接于程序输入组件和反馈组件之间，用于运行程序输入组件输入的程序，并结合所述环境感应组件接收的环境数据生成控制指令；

所述反馈组件耦接所述微控制单元，用于接收并执行控制指令。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的多方位简化编程学习过程的教具和编程教具，具有如下有益效果：

一、采用本实用新型的多方位简化编程学习过程的教具和编程教具，学习者在对程序进行检验时，只需将程序传输进本实用新型教具中就能对程序的功能和正确性进行验证，学习者无需对程序外的硬件电路进行学习，减轻了学习者的学习负担；

二、本实用新型教具集合了多种功能的元件，学习者在改动程序的过程中可随意调用需要的元件，无需对教具进行改动；

三、本实用新型的教具根据教具中的各个组件功能将原本复杂的代码进行简化，使调用教具中相关功能的程序变得简单，减轻学习者的负担，提升学习者在学习过程中的成就感和积极性。

四、本实用新型教具有一程序输入组件，该组件与学习者使用的程序编辑终端相互连接即可进行程序的验证，因此该教具可以在使用时没有场地和工具的限制。

优选的，所述程序输入组件包括USB接口和USB转串口，所述USB接口用于连接终端进行程序的数据传输，所述USB转串口耦接所述USB接口和所述微控制单元之间，实现对数据的转换。

优选的，所述环境感应组件包括重力传感器、温湿度传感器、噪音强度感知、光照强度感知和/或红外接收器之间的任意组合；噪音强度感知，用于检测环境中的噪音强度；光照强度感知，用于检测环境中的光照强度；重力传感器，用于检测教具本身相对于水平面改变的倾斜角度；温湿度传感器，用于检测外界环境的温度和/或湿度；红外接收器，用于检测红外线的有无，或者用于接收红外数据。

优选的，所述反馈组件包括振动器、RGB灯环、用户按键、红外发射器、激光发射器、蜂鸣器、时钟芯片和/或独立LED灯之间的任意组合；振动器，用于产生振动信号；RGB灯环，用于产生用户输入程序所指定的灯光效果；用户按键，用于用户自定义按键功能；红外发射器，用于产生红外信号；激光发射器，用于产生激光信号；蜂鸣器，用于发出声音信号；时钟芯片，用于计时或用户自定义时间；独立LED灯，用于产生区别与所述RGB灯环灯光效果的灯光信号。

优选的，本实用新型多方位简化编程学习过程的教具和编程教具还包括时钟电池，时钟电池用于对时钟进行独立供电，时钟电池耦接时钟芯片。

优选的，本实用新型多方位简化编程学习过程的教具和编程教具还包括电源开关、电池充电模组和电池升压模组，所述电源开关控制整个教具的电能供应，所述电池充电模组用于向所述电池充电，所述电池升压模组用于调整电池的输出电压。

优选的，该教具还包括复位按键，用于将教具恢复到初始状态。

优选的，该教具还包括拓展接口，所述拓展接口用于拓展连接本教具以外的功能元器件。

附图说明

图1为本实用新型多方位简化编程学习过程的教具和编程教具实施例的结构示意图；

图2为本实用新型多方位简化编程学习过程的教具和编程教具实施例的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中编程教具的具体结构示意图；

图4为本实用新型实施例中编程教具另一方向的具体结构示意图；

图5为本实用新型实施例中顶盖的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述。

如图1至2所示的多方位简化编程学习过程的教具和编程教具，包括电池、微控制单元、程序输入组件、环境感应组件和反馈组件。程序输入组件用于接受用户编写的用于控制所述反馈组件进行相应动作的程序数据或信号；环境感应组件耦接于微控制单元，用于对外界环境数据进行采集，并向微控制单元进行传送；微控制单元耦接于程序输入组件和反馈组件之间，用于运行程序输入组件输入的程序，并结合所述环境感应组件接收的环境数据生成控制指令；反馈组件耦接所述微控制单元，用于接收并执行控制指令。

使用者通过程序输入组件将本实用新型教具和自己使用的程序编写终端进行连接，使用者将编写完成的程序输入到教具中，程序通过程序输入组件进入到微控制单元，微控制单元运行上述的程序，得到相应的控制指令向反馈组件传达，反馈组件接收并执行相应命令指令。此外，在微控制单元对程序进行运算时，可能需要调用环境感应组件对周围的环境进行数据采集，结合程序中相应的控制指令和采集到的环境数据对反馈组件进行进一步的控制。

一般地，使用者在编写程序时所使用的程序终端为计算机，故在本实用新型实施例中，将教具和程序终端进行连接的程序输入组件为USB接口和USB转串口。USB接口用于连接终端进行程序的数据传输，所述USB转串口耦接所述USB接口和所述微控制单元之间，实现程序输入组件和微控制单元之间的数据转换。

在使用者编写的程序中，可能会需要采集教具所处环境的环境数据，微控制单元会结合所采集到的环境数据对程序进行进一步的运行运算，从而向反馈组件发出控制指令。上述的环境数据包括很多，例如，外界环境的温度和湿度，教具所处的位置是否水平或是否有红外线信号等。根据需求，检测环境数据的元器件有重力传感器、温湿度传感器和红外接收器等。其中，重力传感器用于检测教具本身相对于水平面改变的倾斜角度；温度传感器用于检测外界环境的温度；湿度传感器用于检测外界环境的湿度；红外接收器用于检测红外线的有无或者用于接收红外数据。本实施例中，环境感应组件包括重力传感器、温湿度传感器和红外接收器中的一种或是几种的任意组合。

使用者在学习编程的过程中，需要使用的用于执行程序控制指令的元器件有很多。在本实施例中，反馈组件包括振动器、RGB灯环、用户按键、红外发射器、激光发射器、蜂鸣器、时钟芯片和/或独立LED灯之间的任意组合，下面对上述的反馈组件中元件功能进行进一步的解释：

使用者可以通过程序利用振动器控制教具进行振动。RGB灯环可以根据使用者需求发出多种灯光效果，方便使用者在变成过程中发挥自身创造力。在使用者实际编程过程中，很多动作需要使用者进行触发，用户按键由使用者用程序对其功能进行定义，达到预想效果。

红外发射器可与上述的红外接收器结合使用，不过此时就需要两个或两个以上的本实用新型的教具进行配合使用。红外发射器可以发射简单的不携带信息的红外线，另一教具上的红外接收器仅用于检测是否存在红外信号；但是红外发射器也可以在程序和微控制单元的控制下发射携带信息的红外线信号，此时另一教具上的红外接收器接收到红外信号进行解码得到所需的信息。

在使用者需要的情况下，激光发射器可用于产生激光信号，蜂鸣器可用于发出声音信号。时钟芯片可以进行简单的计时和时间变化，比如，使用者可以利用时钟芯片自定义设计一款计时器，与用户按键结合控制计时器的开关；又如，时钟芯片能设定成闹钟形式，在时钟芯片中设定好具体时间后，时钟芯片内的时间会自动向前及时，就如普通时钟一般，教具只要一条指令就能获取相应时间，用户可以设定相应的时间闹钟，结合蜂鸣器或/和振动器达到闹钟的效果。

独立LED灯，用于产生区别与所述RGB灯环灯光效果的灯光信号，此处的独立LED灯可以用作信号指示灯等，独立LED灯的暗灭可以代表两种状态，结合其他元件可以达到很多效果。

在上述的时钟芯片运行过程中，为了验证时钟芯片相关程序的正确性，往往需要长时间的运行，此时还包括时钟电池，时钟电池用于对时钟进行独立供电，以便时钟芯片长时间运行。

在本实施例中，教具中的电池还需要还包括电源开关、电池充电模组和电池升压模组。其中，电源开关控制整个教具的电能供应，电池充电模组通过USB接口向电池充电，所述电池升压模组对电池输出电压进行调整供其他组件使用。

对于编程初学者来说，编写好的程序会存在很多问题，这些问题在微控制单元中运行时可能会导致一些元件无法正常工作。因此，本实用新型多方位简化编程学习过程的教具和编程教具中还包括复位按键，一旦出现部分元件无法正常工作时，使用者按下复位按键将教具整个恢复到初始状态后，教具即可继续正常使用。

在本实施例中，本教具虽然已经涵盖了多方位的编程初学者需要的功能，但是受到教具大小等因素的限制，无法做到完全覆盖所有元件，因此，还包括拓展接口用于拓展连接本教具外的功能元器件。

如图3至5所示的一种编程教具，包括处理器，数据输入部分、电源、反馈输出组件；

其中，数据输入部分可以分为：程序输入、环境数据采集和物理按键输入。程序输入部分包括USB接口50和功能扩展接口51：

-USB接口50：用于程序输入及电池充电；

-功能扩展接口51：包括两个数据接口和两个电源接口，用于外界功能硬件及备用电源接口。两个数据接口则是将微处理器的某两根引脚通过导线引了出来。这样的设计，能实现功能拓展。例如我们可以外接一个人体红外感应器，一个超声波测距传感器，甚至可以再接一个SBB进行双方通信。至于接上以后能做什么事情，完全取决于硬件是什么，以及程序如果控制这两根数据线的数据和指令。

环境数据采集包括多个传感器，用于检测编程教具所处的外部环境的参数。

-噪音强度传感器20：检测环境噪音强度；

-光强传感器21：检测环境光照强度；

-温湿度传感器：检测环境温度和湿度；

-重力角速度传感器：编程教具的重力加速度传感器能感知重力三维空间中XYZ轴向的重力分量。重力分量会随着编程教具的姿态，运动方式发生变化。

-时钟芯片：时钟芯片就像一个普通的手表一样，只要我们将时间设定好之后，他就会自己开始往前跑时间。它能提供秒、分、时、日期、年、星期信息。当编程教具需要知道时间时，通过程序中的一条指令就能获取到所有的时间信息。

物理按键分为以下三个按键：复位按键41、用户按键42和电源开关40；

-复位按键41：用于死机或故障时程序复位；

-用户按键42：所谓的用户按键，指的是这个按键没有被预设任何功能，其能具备的功能完全取决于程序是如何设置逻辑的。按键通过导线和处理器的某个引脚相连，一点按键按下会引起这个引脚数字信号0/1的变化，通过程序微处理器可以检测到这种变化，检测到以后做什么则不是按键关心的事情。程序的驱动在打开电源开关的一瞬间就开始了，直到断电。

-电源开关40：用于控制电池的供电。

反馈输出组件分为如下多个装置：

-RGB全彩灯环（环形LED灯组）12：用于配合程序进行多彩灯光显示，包括多个环形排列的全彩灯珠；利用12颗全彩RGB LED作为主要显示设备；具有突出的视觉效果。每一颗等有超过16万种颜色，255级亮度，12颗灯由此形成的组合情况几乎无数。

-激光头10：用于配合程序发射激光；激光并不具备切割物体的功能，在做PPT报告时，很多人会使用一支激光笔引导听众的视线，他的功能很简单：让一个物体的某一个点模拟发光。例如我们可以让编程教具把某一个对外的状态通知通过激光头打在墙上，而无需一支地头注视编程教具身上的信号变化。激光头10的位置和光强传感器21的边距一致，方便两个编程教具进行激光通信。

-线型LED灯组11：用于配合程序发出灯光指令，LED灯组11包括多个独立显示的灯珠。通过程序可以控制独立灯珠的显示状态，用来检测程序的正确性。

-振动器：加入振动器，可以模拟震动提醒功能。

本实施例中的外壳为方形柱状，外壳包括半透明的顶盖7和不透明的底盖，顶盖7的下表面开设有降低顶盖7厚度的环形嵌槽72和线型嵌槽71，上述环形LED模组12和线型LED模组11分别固定在环形嵌槽72和线型嵌槽71内。

上盖采用半透明的材料制成，不完全透光，可以将内部的PCB板进行遮盖，遮盖非必要的元器件，避免其影响外观的美观度。在LED模组的安装处设置嵌槽，通过嵌槽降低顶盖的厚度，以提高顶盖嵌槽处的透光度，使得LED模组的灯光显示更为清晰明亮。

顶盖7上表面的光强传感器21位于一侧的角部，线型LED模组11和激光头10同位于同一侧的角部。在使用时，可以将整个编程教具翻一面贴合，既可使光强传感器21对准线型LED模组11或激光头10，仅需要稍微调整一下角度就可以选择光强传感器21对准线型LED模组11或激光头10。方便两个编程教具进行光通信。

编程教具还包括红外接收器32和红外发射器31。

-红外发射器31：用于发射红外数据，或者向另一编程教具的红外接收器32发送红外数据。就类似于一个红外遥控器一样，能通过红外二极管发生红外信号，但是信号的内容取决于程序。红外接收头可以将其发射的信号解码。

-红外接收器32：用于检测红外线的有无，或者用于接收红外数据。

本实施例中编程教具包括外壳，外壳呈方形柱状，所有的灯光显示装置（RGB全彩灯环12、激光头10、LED灯组11）均位于外壳上方。可以最直观的将灯光反馈给使用者。

而USB接口50、功能扩展接口51、复位按键41、用户按键42、电源开关40、等不发出可见光的接口、按钮和装置均设置在教具盒的侧壁，使接口和按钮不影响教具盒的外观，并且操作方便。

而红外接收器32和红外发射器31位于外壳两个相对的侧表面上，使编程教具在对接时可以前后依次排列起来，排列的样子是连续的头尾相接直线状，不弯曲扭动，可以实现多个编程教具之间的对接。无需取拿，仅需放在同一平面内即可完成对接，进行红外信号的传输。

以上所述使本实用新型的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种多方位简化编程学习过程的教具，其特征在于：包括电池、微控制单元、程序输入组件、环境感应组件和反馈组件；

所述程序输入组件，用于接受用户编写的用于控制所述反馈组件进行相应动作的程序数据或信号；

所述环境感应组件，耦接微控制单元，用于对外界环境数据进行采集，并向微控制单元进行传送；

所述微控制单元，耦接于程序输入组件和反馈组件之间，用于运行程序输入组件输入的程序，并结合所述环境感应组件接收的环境数据生成控制指令；

所述反馈组件耦接所述微控制单元，用于接收并执行控制指令。

2.根据权利要求1所述的一种多方位简化编程学习过程的教具，其特征在于：所述程序输入组件包括USB接口和USB转串口，所述USB接口用于连接终端进行程序的数据传输，所述USB转串口耦接所述USB接口和所述微控制单元之间，实现对数据的转换。

3.根据权利要求1所述的一种多方位简化编程学习过程的教具，其特征在于：所述环境感应组件包括重力传感器、温湿度传感器和/或红外接收器之间的任意组合；

噪音强度感知，用于检测环境中的噪音强度；

光照强度感知，用于检测环境中的光照强度；

重力传感器，用于检测教具本身相对于水平面改变的倾斜角度；

温湿度传感器，用于检测外界环境的温度和/或湿度；

红外接收器，用于检测红外线的有无，或者用于接收红外数据。

4.根据权利要求1所述的一种多方位简化编程学习过程的教具，其特征在于：所述反馈组件包括振动器、RGB灯环、用户按键、红外发射器、激光发射器、蜂鸣器、时钟芯片和/或独立LED灯之间的任意组合；

振动器，用于产生振动信号；

RGB灯环，用于产生用户输入程序所指定的灯光效果；

用户按键，用于用户自定义按键功能；

红外发射器，用于产生红外信号；

激光发射器，用于产生激光信号；

蜂鸣器，用于发出声音信号；

时钟芯片，用于计时或用户自定义时间；

独立LED灯，用于产生区别与所述RGB灯环灯光效果的灯光信号。

5.根据权利要求4所述的一种多方位简化编程学习过程的教具，其特征在于：还包括时钟电池，时钟电池用于对时钟进行独立供电，时钟电池耦接时钟芯片。

6.根据权利要求1所述的一种多方位简化编程学习过程的教具，其特征在于：还包括电源开关、电池充电模组和电池升压模组，所述电源开关控制整个教具的电能供应，所述电池充电模组用于向所述电池充电，所述电池升压模组用于调整电池的输出电压。

7.根据权利要求1所述的一种多方位简化编程学习过程的教具，其特征在于：还包括复位按键，用于将教具恢复到初始状态。

8.根据权利要求1所述的一种多方位简化编程学习过程的教具，其特征在于：还包括拓展接口，所述拓展接口用于拓展连接本教具以外的功能元器件。

9.一种编程教具，其特征在于：包括方形柱状外壳、处理器，和同处理器耦接的数据输入接口、电源、光输出装置、声音输出装置（6）和传感器组件；

数据输入接口，用于程序输入并传输至处理器；

传感器组件，用于感应教具的周围环境数据，并将环境数据发送至处理器；

光输出装置，用于接收处理器的控制指令发出光信号；

声音输出装置（6），用于接收处理器的控制指令发出声音信号；

处理器，用于接收程序和环境数据处理得到不同的控制指令，并将控制指令发送至声音输出装置（6）和/或光输出装置；

电源，用于为光输出装置、声音输出装置（6）、传感器组件和处理器提供电能；

所述外壳包括顶盖（7）和底盖，所述光输出装置位于顶盖（7）和底盖之间，光输出装置包括LED模组，所述LED模组位于顶盖（7）的下表面，所述顶盖（7）为半透明状，顶盖（7）的下表面开设有降低顶盖（7）厚度的嵌槽，所述LED模组嵌设于嵌槽内。

10.根据权利要求9所述的编程教具，其特征在于：所述LED模组包括环形LED模组（12）和线型LED模组（11）；所述嵌槽包括环形嵌槽（72）和线型嵌槽（71）；所述顶盖（7）上表面还设有用于检测外界光照强度或线型LED模组（11）光照强度的光强传感器（21），光强传感器（21）与线型LED模组（11）均位于同一侧的边部对角处；顶盖（7）上还设有激光头（10），所述激光头（10）与线型LED模组（11）位于同侧的边部的对角处。