CN209044993U - 用于计算机编程教学的单片机插槽式扩展板及多模块套件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种单片机插槽式扩展板及多模块套件，包括：内置电源；主机接口；多个模块插槽；标识号选择开关和工作模式选择开关。标识号选择开关用于手动设定ID号；工作模式选择开关用于手动切换单片机插槽式扩展板的工作模式；输入输出模块可包括转接模块；模块插槽通过转接模块与远端插槽卡连接；工作模式包括：正常模式、测试模式。多模块套件包括：单片机插槽式扩展板和外接的输入输出模块；输入输出模块还可以是传感器模块、效应器模块。通过插槽方式连接模块，可减少连接线连接方式带来的接线错误；整个装置集成度高，结构紧凑又简洁美观，尺寸小巧，便于携带；能够适应多种应用需求。

Description

用于计算机编程教学的单片机插槽式扩展板及多模块套件

技术领域

本实用新型涉及单片机板卡技术，尤其涉及一种单片机插槽式扩展板及多模块套件，可用于计算机编程语言教学等应用。

背景技术

现有的用于计算机编程教学的传统单片机，在传感器模块连接方面大多采用杜邦线、面包板、插针插座等面向连接线的接插形式，学习者往往需要了解基本的电子电路知识，仔细辨认插针插座的位置、顺序，在狭小的插针空间里连接多条导线，操作的过程中极易发生接线错误，而且，众多的外接导线也导致整个学习装置杂乱无章。

因此，对计算机编程的学习者而言，传统单片机的连接结构和操作方式造成了很大的学习障碍，需要大量的精力去了解芯片或者模块的引脚定义，排除因接错连接线、接触不良等产生的硬件错误，无法将注意力集中在程序本身的逻辑流程上。

实用新型内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本实用新型提供一种单片机插槽式扩展板及多模块套件，在单片机扩展板上设置多个模块插槽、标识号选择开关、工作模式选择开关，通过插槽方式连接外接输入输出模块，不仅避免了通过连接线的连接方式造成的接线错误，也使得整个套件装置集成度高，结构简洁美观，能够适应多种应用需求；通过设定标识号使得扩展板连接的主控单片机可选取自身标识，可应用于无线通信中的频道选择等场景。

本实用新型的技术方案是：

一种单片机插槽式扩展板，包括：内置电源；主机接口，用于连接主控单片机；多个模块插槽，用于外接输入输出模块；ID(标识号)选择开关；工作模式选择开关；通过ID选择开关，用户可手动设定ID号；与主机接口连接的主控单片机可读取ID号作为自身的标识；通过工作模式选择开关，用户可手动切换扩展板的工作模式；

输入输出模块可包括转接模块；单片机插槽式扩展板上的模块插槽通过转接模块与远端插槽卡连接；转接模块设有转接线插槽；远端插槽卡设有转接线插槽和模块插槽；通过转接线连接转接模块和远端插槽卡，可将单片机扩展板上的模块插槽延伸到远端插槽卡上的模块插槽；转接线的一端连接转接模块上的转接线插槽，另一端连接远端插槽卡上的转接线插槽；可通过远端插槽卡的模块插槽外接输入输出模块，达到根据需要来扩展模块插槽与外接输入输出模块的目的；同时也可解决因外接的输入输出模块的形状、体积等原因无法直接与单片机插槽式扩展板上的模块插槽连接的问题。

用户通过ID选择开关手动设定ID号，通过主机接口连接的主控单片机读取ID号作为自身的标识，可用于无线通信中的频道选择等场景；

用户通过工作模式选择开关，可手动切换扩展板的工作模式(如包括：正常模式、测试模式)。正常模式下，由主控单片机控制输入输出模块；测试模式下，扩展板无需连接主控单片机，输入输出模块上的模块单片机即可启动模块自检程序进行自检，并显示自身状态(如显示在另一个模块插槽连接的LCD显示屏模块上)；

上述单片机插槽式扩展板还可包括无线通信组件(如WIFI、蓝牙等)；当连接的主控单片机不包含无线通信组件时，可通过扩展板上的无线通信组件和ID选择开关，实现扩展板之间的无线通信。

利用上述单片机插槽式扩展板，可以制成多种单片机插槽式扩展板多模块装置。具体实施时，本实用新型提供一种单片机插槽式扩展板多模块套件，包括：单片机插槽式扩展板和外接的输入输出模块；其中：

所述输入输出模块可包括：传感器模块；效应器模块；转接模块；

传感器模块包括传感器(如温度传感器、湿度传感器)和传感器模块单片机；传感器模块单片机用于采集传感器数据；传感器模块单片机通过模块插槽与单片机扩展板通信；

效应器模块包括效应器(如马达、LED灯、扬声器、LCD显示屏)和效应器模块单片机；效应器模块单片机用于控制效应器；效应器模块单片机通过模块插槽与单片机扩展板通信；

本实用新型还提供一种用于计算机编程教学的单片机插槽式扩展板多模块套件，包括一个或多个单片机插槽式扩展板；通过主机接口连接的主控单片机可采用Microbit、树莓派等单片机；主控单片机通过读取用户通过ID选择开关手动设定的ID号，获得自身的标识号；

每个单片机插槽式扩展板通过模块插槽外接一个或多个输入输出模块，每个输入输出模块均设有唯一的ID号；传感器模块和效应器模块的模块单片机内置驱动程序；

通过在主控单片机上编写程序，程序向其他主控单片机发送数据请求，或直接通过模块的ID号获取传感器模块采集的数据；再将获取到的数据通过效应传感器进行展示。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供一种单片机插槽式扩展板及多模块套件，在单片机扩展板上设置多个模块插槽、标识号选择开关、工作模式选择开关组件。本实用新型采用ID选择开关设定标识号，便于实施多个装置之间的无线通信，可应用于无线通信中的频道选择等场景，使得应用案例更加丰富，计算机编程教学应用多样化；通过插槽方式连接模块，一方面减少通过连接线的连接方式带来的接线错误，使学习者专注于编程语言和算法的学习，另一方面使得整个装置集成度高，结构紧凑又简洁美观，尺寸小巧，便于携带，并能够适应多种应用需求。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的单片机扩展板多模块套件的结构框图。

图2是本实用新型提供的教学套件实施例的结构示意图；

其中，101-扩展板；102-内置电源；103-电源开关；104-ID选择开关；105-工作模式选择开关；106-主控单片机主机接口；107-模块插槽；108-卡式插槽连接；109-传感器模块；110-效应器模块；111-传感器；112-效应器；113-模块单片机。

图3是本实用新型实施例采用的多模块套件结构及相互通信示意图；

其中，201表示第一扩展板连接温度传感器模块；202表示第二扩展板连接光照传感器模块；203表示第三扩展板连接LCD显示屏模块；204表示无线通信频道都设为ID＝1；205表示通过无线通信发送数据请求，获取传感器数值。

图4是本实用新型提供的教学套件典型的实施例。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。

图1是本实用新型实施例提供的单片机插槽式扩展板多模块套件的结构框图。图2是本实用新型提供的教学套件实施例的结构示意图。本实用新型提供的单片机插槽式扩展板多模块套件，包括：扩展卡；内置电源；主机接口，用于连接主控单片机；多个模块插槽，用于外接输入输出模块；ID(标识号)选择开关；工作模式选择开关。

具体应用实施时，如图3所示，可部署多个单片机扩展板，扩展板通过主机接口连接的主控单片机均为Microbit单片机；第一扩展板连接温度传感器模块，ID选择开关手动设定为1，置于窗户旁；第二扩展板连接光照传感器模块，ID选择开关设定为1，置于户外；第三扩展板连接LCD显示屏模块，ID选择开关设定为1，置于室内桌面；将扩展板的无线通信频道都设为ID＝1(与传感器模块相同频道)；第三扩展板上的主控单片机向第一扩展板和第二扩展板的主控单片机发送数据请求；获取窗口的温度值、户外的光照值，显示在LCD显示屏上。图3示意了上述实施例采用的多模块套件的结构及相互通信。

上述单片机插槽式扩展板多模块套件用于编程教学时，可在第三扩展板上的主控单片机上编写程序，通过程序发送数据请求。每个输入输出模块均设有唯一的ID号(此ID号可以是模块单片机的序列号)，模块单片机内置驱动程序。对传感器模块，编程时可以直接通过模块的ID号访问传感器模块获取数据；对于效应器模块，编程时也可以直接通过模块的ID号来控制效应器实施动作，学习编程者可以无需了解模块所连接的硬件端口等细节信息。

本实用新型具体实施中，基于上述单片机插槽式扩展板开发一套用于计算机编程语言(如Python)教学的硬件套件“dxkStick编程语言教学套件”，可以弥补Python教学硬件产品的不足。dxkStick编程语言教学套件包括一块本实用新型提供的单片机插槽式扩展板，主控单片机采用microbit微型计算机，并包括多个传感器模块。

“dxkStick编程语言教学套件”具体采用无线通信方式进行通信。具体地，将每一套“microbit+单片机插槽式扩展板+外接模块”作为一个无线节点，多个教学套件之间通过无线链路连接起来，其中有一个主控制节点，其余是受控节点。主控节点通过消息广播来发送指令，受控节点接收指令并执行，主控节点可以同时控制所有受控节点，也可以控制单个受控节点。主控节点负责程序逻辑，受控节点配置传感器模块或者动作效应器模块，根据指令传回感知的数据或者操作控制声光电机械动作效应。

图4是本实用新型的教学套件的典型实施例。主控节点负责运行用户编写的程序，执行主要系统逻辑，受控节点的microbit则运行固定的程序，能够通过无线通信接收主控节点发来的指令，加以执行，并返回执行结果。所有节点设置为同一个频道channel，相同类型的传感器模块具有相同的类型type，同一个类型的传感器模块可以有多个，用id来区分。

具体实施时，节点配置和角色是：每个节点都是由“microbit+插槽式扩展板+外接模块”构成，而节点的角色，主控与受控则由内置的程序来决定。

无线通讯配置：无线通讯频道采用插槽式扩展板上的ID选择开关来设定(microbit单片机的无线通信支持0-100频道，可以由7个一组的ID选择开关来设定)。

Microbit中的程序通过读取ID选择开关的设定来获得无线通信所对应的频道，所有协同工作的节点，都应该设置为相同的无线通信频道。

传感器模块配置：传感器的模块可以通过type和ID的形式来进行区分，可以在模块单片机中固化type和ID的设置数据，由模块单片机里的程序读取。

一个节点的插槽式扩展板可以连接1个或多个传感器模块，程序可以通过读取插槽接口来确定接在插槽上的每个传感器模块是什么类型(type)，以及它的ID。插槽式扩展板的模块插槽可以提供的资源包括电源VCC、GND(Ground，代表地线或0线)、I2C总线以及若干个GPIO(General-Purpose Input/Output，通用输入输出)。可根据提供的不同资源的需要，设置不同类型的模块插槽。外接输入输出模块分为：只与单个模块插槽连接或能同时与多个模块插槽连接。例如，在实施例中，插槽式扩展板的模块插槽可设置有A、B两个，不同插槽提供不同的资源，如电源VCC、GND、I2C总线以及GPIO。由于分配给A、B插槽的GPIO有所不同，传感器模块根据使用主控单片机GPIO端口资源情况和自身的物理尺寸，可以分为多种类型，包括：适合所有插槽(A or B)、仅能插入A插槽(A Only)、仅能插入B插槽(B Only)、同时插入两个插槽(A+B)等几种。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种单片机插槽式扩展板，包括：内置电源；用于连接主控单片机的主机接口；用于外接输入输出模块的多个模块插槽；标识号选择开关和工作模式选择开关；

所述标识号选择开关用于手动设定ID号；与主机接口连接的主控单片机读取ID号作为自身的标识，可用于选择设定无线通信的频道；

所述工作模式选择开关用于手动切换单片机插槽式扩展板的工作模式；

所述输入输出模块可包括转接模块；单片机插槽式扩展板上的模块插槽通过转接模块与远端插槽卡连接；转接模块设有转接线插槽；远端插槽卡设有转接线插槽和模块插槽；转接线的一端连接转接模块上的转接线插槽，另一端连接远端插槽卡上的转接线插槽；通过转接线连接转接模块和远端插槽卡，将单片机扩展板上的模块插槽延伸到远端插槽卡上的模块插槽；通过远端插槽卡的模块插槽外接输入输出模块，达到根据需要来扩展并延长模块插槽与外接输入输出模块的目的；

单片机插槽式扩展板的工作模式包括：正常模式、测试模式；正常模式下，由主控单片机控制输入输出模块；测试模式下，单片机插槽式扩展板无需连接主控单片机，输入输出模块上的模块单片机即可启动模块自检程序进行自检，并显示自身状态。

2.如权利要求1所述单片机插槽式扩展板，其特征是，所述单片机插槽式扩展板还包括无线通信组件；通过无线通信组件和标识号选择开关，实现多个单片机插槽式扩展板之间的无线通信。

3.如权利要求1所述单片机插槽式扩展板，其特征是，所述单片机插槽式扩展板的模块插槽提供的资源包括电源VCC、GND、I2C总线、一个或多个通用输入输出GPIO；可设置多个提供不同资源的模块插槽类型；外接输入输出模块分为：只与单个模块插槽连接或能同时与多个模块插槽连接。

4.一种利用权利要求1～3所述单片机插槽式扩展板制成的单片机插槽式扩展板多模块套件装置，其特征是，包括：单片机插槽式扩展板和外接的输入输出模块；其中：

所述输入输出模块包括：传感器模块、效应器模块、转接模块；

所述传感器模块包括传感器和传感器模块单片机；传感器模块单片机用于采集传感器数据；传感器模块单片机通过模块插槽与单片机插槽式扩展板通信；

效应器模块包括效应器和效应器模块单片机；效应器模块单片机用于控制效应器；效应器模块单片机通过模块插槽与单片机插槽式扩展板通信。

5.如权利要求4所述单片机插槽式扩展板多模块套件装置，其特征是，传感器模块中的传感器包括温度传感器、湿度传感器。

6.如权利要求4所述单片机插槽式扩展板多模块套件装置，其特征是，效应器模块中的效应器包括马达、LED灯、扬声器、LCD显示屏。

7.如权利要求4所述单片机插槽式扩展板多模块套件装置，其特征是，所述单片机插槽式扩展板多模块套件装置用于计算机编程教学，其包括：一个或多个单片机插槽式扩展板；通过主机接口连接的主控单片机采用Microbit单片机或树莓派单片机；主控单片机通过读取用户通过标识号选择开关手动设定的ID号，获得自身的标识号；

每个单片机插槽式扩展板通过模块插槽外接一个或多个输入输出模块，每个输入输出模块均设有唯一的模块ID号；传感器模块和效应器模块的模块单片机均内置驱动程序；

通过在主控单片机上编写程序，程序向其他主控单片机发送数据请求，或直接通过模块ID号获取传感器模块采集的数据；再将获取到的数据通过效应传感器进行展示，由此实现编程教学。

8.如权利要求7所述单片机插槽式扩展板多模块套件装置，其特征是，每一套单片机插槽式扩展板多模块套件为：“microbit单片机+单片机插槽式扩展板+外接模块”教学套件；多个所述“microbit单片机+单片机插槽式扩展板+外接模块”教学套件采用无线通信方式进行通信；具体地，将每一套“microbit单片机+单片机插槽式扩展板+外接模块”教学套件作为一个无线节点，多个教学套件之间通过无线链路连接起来，其中设有一个主控节点，其余是受控节点；所述主控节点通过消息广播发送指令，受控节点接收指令并执行；主控节点可控制单个受控节点或同时控制所有受控节点；主控节点负责程序逻辑，受控节点配置传感器模块或效应器模块，根据指令传回感知的数据或操作效应器模块控制效应。

9.如权利要求8所述单片机插槽式扩展板多模块套件装置，其特征是，microbit单片机通过读取标识号选择开关的设定，获得无线通信所对应的频道；所有协同工作的无线节点均设置为相同的无线通信频道。

10.如权利要求7所述单片机插槽式扩展板多模块套件装置，其特征是，通过在模块单片机中固化设置类型type和ID数据，用于标识输入输出模块。