CN210200113U - 一种教学用可兼容堆叠连接的电路模块 - Google Patents

Abstract

一种教学用可兼容堆叠连接的电路模块，包括电路板和边框，电路板至少一侧连接有边框，电路板上设置有板间连接器，边框中设置有磁铁，边框的顶面或底面设置有堆叠凸起，边框的底面或顶面设置有堆叠限位槽。该电路模块通过两个电路模块上下堆叠时是否相吸，判断是否具有兼容性，既方便又不会出现错误连接，提高了连接效率和准确性。实现了不同电路模块之间上下连接定位，不需要焊接等复杂的操作，解决了现有技术中硬件开发板和各个模块的复杂的连接兼容和通信问题。使用GSM模块、OLED显示模块、键盘模块、电源模块、控制模块等模块可以实现模块手机设计，并可根据自己的需要，增加电路模块实现复杂的功能。

Description

一种教学用可兼容堆叠连接的电路模块

技术领域

本实用新型涉及一种用于硬件开发教学过程中的电路连接模块，属于教育技术领域。

背景技术

喜爱动手制作的创客们总是在与各种各样的复杂的电路板、线路和代码等打交道，比如STEM(科学、技术、工程和数学教育)用硬件编程系统，只要把相应的控制板、扩展板等模块组合在一起，组成需要的硬件系统，直接编写程序就能控制兼容外设，开发简单，但是也受到限制，主要是要进行焊接、连线等复杂的连接兼容问题，这让硬件开发这件事看上去好像难以入门，但其实一些基本的硬件开发原理是很简单易学的，只是硬件开发板和各个模块的相互兼容和通信的问题让它变得复杂了。

因此，目前的STEM(科学、技术、工程和数学教育)用硬件编程系统如何告别焊接、连线等复杂的连接兼容问题，只专心于硬件开发最重要的部分，让初学者通过简单的组合就能够自己动手制作(DIY)出自己的硬件，避免开发硬件时一些复杂的连接和硬件模块相互不兼容的问题，降低硬件开发的入门难度，让开发者拥有更多的乐趣，即在简易化方面的提升具有迫切需求。

CN106298713A公开的《一种垂直连接的功率模块及其堆叠连接的引脚》，至少包括三个相互分离的模块：第一电路模块、第二电路模块和第三电路模块，三个电路模块中至少有一个功率电路模块；该引脚至第一电路模块引出。该引脚包括：本体，该本体的上部与第一电路模块电性连接；第一连接面，设置在该本体的中部并与该本体具有一夹角，用于与第二电路模块电性连接；第二连接面，设置在该本体的末端，用于与第三电路模块电性连接。该实用新型只是通过三个电路模块在垂直方向上的互连实现了堆叠结构的功率模块，不能实现不同功能电路模块在垂直方向上的堆叠。

CN202405510U公开的《一种堆叠式电连接器总成及其电连接器组件》，包括相互堆叠组接的多个电连接器组件，每一电连接器组件包含：基板、第一连接器、及第二连接器；基板具有相反的第一表面与第二表面，第一连接器设置于第一表面上以供检测电路板插接，第二连接器设置于第二表面上，并能够与另一电连接器组件的第一连接器相互插接组合。此堆叠结构是用于一次检测多个电连接器组件，目的是提升检测速率，不能实现不同功能电路模块在垂直方向上的堆叠。

CN105206602A公开的《一种集成模块堆叠结构和电子设备》，所述集成模块堆叠结构包括第一集成模块、第二集成模块和连接层，所述连接层设置于所述第一集成模块和所述第二集成模块之间，所述连接层的布线根据所述第一集成模块和所述第二集成模块进行设置，所述连接层上设置用于电性连接所述第一集成模块和所述第二集成模块，以使得所述第一集成模块和所述第二集成模块之间能够进行数据传输。该堆叠结构需要通过连接层使两个集成模块上下连接。

上述文献记载的技术方案均不能实现不同功能电路模块在垂直方向上的堆叠，且不能识别各个模块的兼容性，不能方便地进行硬件开发。

实用新型内容

针对现有硬件开发技术中硬件开发板和各个模块存在的连接不便及不兼容问题，本实用新型提供一种连接效率高、准确可靠，能够解决各个模块连接兼容性和通信问题的教学用可兼容堆叠连接的电路模块。

本实用新型的教学用可兼容堆叠连接的电路模块，采用以下技术方案：

该电路模块，包括电路板和边框，电路板至少一侧连接有边框，电路板上设置有板间连接器，边框中设置有磁铁。

所述电路板与边框通过销轴实现定位连接。所述电路板和边框上均设置有所述销轴插入的定位孔。

所述板间连接器的母座位于电路板的正面，公座位于电路板的背面，母座和公座的引脚定义为水平镜像，母座和公座的引脚在电路板的正反面一一对应连接。

所述板间连接器为BTB接口方式。

所述边框的顶面或底面设置有堆叠凸起，与堆叠凸起所在面相对的边框底面或顶面设置有堆叠限位槽。

所述边框中设置有电路板限位槽，电路板嵌入该限位槽中，实现电路板与边框的插接。所述电路板限位槽的顶面或底面设置磁铁固定槽，磁铁固定槽中均设置有所述磁铁。

所述边框中磁铁的极性方向根据上下堆叠的两个电路模块是否具有兼容性决定，两个上下堆叠的电路模块兼容时则其上磁铁相吸，否则相斥。

上述结构，通过磁铁的相吸或相斥判断两个电路模块是否兼容，当上下两个电路模块能够兼容时，这两个电路模块就会通过各自上的磁铁吸引在一起，而当上下两个电路模块不兼容时，则这两个电路模块就会通过各自上的磁铁互相排斥。上一个电路模块的边框底面的堆叠限位槽(或堆叠凸起)与下一个电路模块的边框顶面的堆叠凸起(或堆叠限位槽)嵌合在一起，实现上下电路模块的定位，同时使上一个电路模块上电路板底面的板间连接器公座插入下一个电路模块上电路板的板间连接器母座，实现上下电路模块的电路连接。通过定位实现，不需要焊接等复杂的操作。

上述结构的电路模块根据功能可以包括：

1.核心模块，如控制模块，USB控制模块，下载模块，电源模块。

2.输入模块，如键盘模块，气象模块，姿态模块，手势模块。

3.输出模块，如蜂鸣器模块，电机驱动模块，OLED显示模块，彩灯矩阵模块。

4.通信模块，如GSM模块，蓝牙模块，WIFI模块。

5.扩展模块：如基板X2，基板X3，接口模块，Arduino兼容模块，Arduino扩展板。

本实用新型通过两个电路模块上下堆叠时是否相吸判断是否具有兼容性，相互不兼容的模块，会通过磁力“拒绝”对方，既方便又不会出现错误连接，提高了连接效率和准确性。实现了不同电路模块之间上下连接定位，不需要焊接等复杂的操作，解决了现有技术中硬件开发板和各个模块的复杂的连接兼容和通信问题，实现了硬件系统堆叠，减小了系统面积。可实现许多有趣的创意，例如使用GSM模块、OLED显示模块、键盘模块、电源模块、控制模块等模块可以实现模块手机设计，并可根据自己的需要，增加电路模块实现复杂的功能。

附图说明

图1是本实用新型教学用可兼容堆叠连接的电路模块的结构分解示意图。

图2是本实用新型教学用可兼容堆叠连接的电路模块的正面结构示意图。

图3是本实用新型教学用可兼容堆叠连接的电路模块的背面结构示意图。

图4是本实用新型中控制模块的电路原理图。

图5是本实用新型中控制模块板件连接器的线序定义。

图6是本实用新型中下载模块电路原理图。

图7是本实用新型中下载模块的接口定义。

图8是本实用新型中电源模块电路原理图。

图9是本实用新型中电源模块的接口定义。

图10是本实用新型中USB控制模块电路原理图。

图11是本实用新型中USB控制模块的接口定义。

图12是本实用新型中键盘模块电路原理图。

图13是本实用新型中键盘模块的接口定义。

图14是本实用新型中气象模块电路原理图。

图15是本实用新型中气象模块的接口定义。

图16是本实用新型中姿态模块电路原理图。

图17是本实用新型中姿态模块的接口定义。

图18是本实用新型中手势模块电路原理图。

图19是本实用新型中手势模块的接口定义。

图20是本实用新型中蜂鸣器模块电路原理图。

图21是本实用新型中蜂鸣器模块的接口定义。

图22是本实用新型中电机驱动模块电路原理图。

图23是本实用新型中电机驱动模块的接口定义。

图24是本实用新型中OLED显示模块电路原理图。

图25是本实用新型中OLED显示模块的接口定义。

图26是本实用新型中彩灯矩阵模块电路原理图。

图27是本实用新型中彩灯矩阵模块的接口定义。

图28是本实用新型中GSM模块电路原理图。

图29是本实用新型中GSM模块的接口定义。

图30是本实用新型中蓝牙模块电路原理图。

图31是本实用新型中蓝牙模块的接口定义。

图32是本实用新型中WIFI模块电路原理图。

图33是本实用新型中WIFI模块的接口定义。

图34是本实用新型中基板×2模块电路原理图。

图35是本实用新型中基板×3模块电路原理图。

图36是本实用新型中接口模块电路原理图。

图37是本实用新型中接口模块的接口定义。

图38是本实用新型中Arduino兼容模块电路原理图。

图39是本实用新型中Arduino兼容模块的接口定义。

图40是本实用新型中Arduino扩展板模块电路原理图。

图41是本实用新型中Arduino扩展板模块的接口定义。

图中：1.电路板；2.板间连接器；3.边框；4.销轴；5.磁铁；6.电路板限位槽；7.磁铁固定槽；8.边框定位孔；9.电路板定位孔；10.堆叠凸起；11.母座；12.公座；13.堆叠限位槽；

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实用新型的教学用可兼容堆叠连接的电路模块，包括电路板1和边框3，电路板1的两侧均固定连接有边框3，电路板1与边框3通过销轴4实现定位连接。

电路板1上设置有板间连接器2，板间连接器2的母座11位于电路板1的正面(参见图 2)，公座12位于电路板1的背面(参见图3)，母座11和公座12的引脚定义为水平镜像，母座11和公座12的引脚在电路板1的正反面是一一对应连接。板间连接器2为BTB接口方式连接通讯。电路板1上与边框3的连接处至少设置有两个电路板定位孔9。

边框3中设置有电路板限位槽6，电路板1嵌入该限位槽6中，实现电路板1与边框3的插接。电路板限位槽6的顶面或底面设置磁铁固定槽7，每个磁铁固定槽7中均设置有磁铁5。两个电路模块上边框3中磁铁5的极性方向根据两者是否具有兼容性决定，两个电路模块兼容时上下连接则相吸，不兼容时上下连接则相斥。当上下两个电路模块能够兼容时，这两个电路模块就会通过各自上的磁铁5吸引在一起，而当上下两个电路模块不兼容时，则这两个电路模块就会通过各自上的磁铁5互相排斥。通过两个电路模块上下是否相吸，判断是否具有兼容性，既方便又不会出现错误连接，提高了连接效率和准确性。

边框3上设置有竖向边框定位孔8，边框定位孔8的轴线与电路板限位槽6的开口方向垂直。边框定位孔8与电路板1上的电路板定位孔9相对应，边框定位孔8与电路板定位孔9中插入销轴4，通过销轴4使电路板1与边框3定位固定。

边框3的一面(顶面或底面)设置有多个堆叠凸起10，为便于加工及减小边框3的体积，堆叠凸起10与边框定位孔8为同心圆设置。边框3的另一面设置有堆叠限位槽13。可以是堆叠凸起10与堆叠限位槽13一一对应，堆叠限位槽13的尺寸和位置与堆叠凸起10相一致，一个堆叠凸起10定位在一个堆叠限位槽13中；也可以是几个堆叠凸起10与一个堆叠限位槽13对应，这几个堆叠凸起10定位在一个堆叠限位槽13中，如图3所示。当多个电路模块上下堆叠时，上一个电路模块的边框底面的堆叠限位槽11(或堆叠凸起10)与下一个电路模块的边框顶面的堆叠凸起10(或堆叠限位槽11)嵌合在一起，实现上下电路模块的定位，同时使上一个电路模块上电路板1底面的板间连接器公座13插入下一个电路模块上电路板的板间连接器母座12，实现上下电路模块的电路连接。通过定位实现，不需要焊接等复杂的操作。上下电路模块之间采用BTB接口方式连接通讯。

上述结构实现了不同电路模块之间上下连接定位，相互不兼容的模块，会通过磁力“拒绝”对方。

通过电路板1上的电路可以形成以下不同功能的电路模块。

一.核心模块：

1.控制模块

其电路如图4所示，控制模块为逻辑核心，可以存储、运行编译后的代码。通过接口对其他模块进行控制。核心模块的主芯片为ATMEGA328P，这与ArduinoUno使用的是同一块芯片，因此芯片的管脚功能和ArduinoUno是完全兼容的。

图5给出了控制模块上板件连接器的线序定义，可以看出母座和公座引脚定义为水平镜像，这说明母座和公座的引脚在电路板正反面是一一对应连接的。

2.下载模块

其电路如图6所示，下载模块通过USB连线与计算机进行通信，将编译后的程序下载到控制模块，并可提供控制模块与计算机软件的串口通信功能。

图7给出了下载模块接口定义。下载模块可以提供5V、3.3V电源，并与控制模块或USB 控制模块的UART串口线RXD、TXD连接。通过UART串口接口进行程序的下载并可进行串口通信。

3、电源模块，3.7V可充电锂电池，为项目中的其他模块提供5V和3.3V电源。

其电路如图8所示，电源模块为其他模块提供5V和3.3V电源。使用3.7V可充电锂电池，可通过MicroUSB口进行充电。图9给出了电源模块接口定义。

4.USB控制模块，芯片型号为ATMEGA32U4，自带USB接口，不需要下载模块即可实现程序的下载与串口通信。

其电路如图10所示，USB控制模块与模块模块功能类似，但自带USB接口，使用主芯片为ATmega32U4，不需要下载模块即可实现程序的下载与串口通信。

图11给出了USB控制模块的接口定义。可以看出与控制模块相比，电源、地、控制脚、数字脚、模拟脚、串口脚的定义都是相同的，但PWM脚、中断脚不是完全相同的，因此在项目设计时需要注意这些不同。

二.输入模块：

1.键盘模块

其电路如图12所示，为4*4键盘矩阵。图13给出了键盘模块的接口定义。使用了数字引脚4到11共8个脚。

2.气象模块

其电路如图14所示，键盘模块提供温度、湿度、压强、海拔高度4种气象数据，使用的温湿度芯片为SHT31，气压传感器为BMP180。图15给出了气象模块的接口定义，使用了电源脚3.3V和地，IIC接口SCL、SDA。

3.姿态模块

其电路如图16所示，姿态模块主芯片为MPU6050，包含3轴加速度和3轴陀螺仪功能，能够为系统提供姿态信息。图17给出了姿态模块的接口定义。使用了电源脚3.3V和地，IIC 接口SCL、SDA，数字引脚2。

4.手势模块

其电路如图18所示，手势模块主芯片为APDS9960，支持上、下、左、右、前、后等，多种手势动作识别，并可实现环境光检测、距离检测功能。图19给出了手势模块的接口定义，使用了电源脚3.3V和地，IIC接口SCL、SDA，数字引脚2。

三.输出模块：

1.蜂鸣器模块，可输出不同频率的声音。

其电路如图20所示，蜂鸣器模块通过控制模块或USB控制模块的控制可输出不同频率的声音或不同的音乐。图21给出了蜂鸣器模块的接口定义，使用了电源脚3.3V和地，数字引脚5。

2.电机驱动模块

其电路如图22所示，电机驱动模块可驱动两路带编码器的直流电机，可控制电机的转速、方向，并反馈电机转过的角度。图23给出了电机驱动模块的接口定义，使用了电源脚5V和地，数字引脚2、3、4、5、6、7、8、9，其中数字引脚5、6为输出PWM信号分别控制2个电机转速，引脚4、7分别控制2个电机的转动方向，引脚2、8连接电机A的编码器信号，引脚3、9连接电机B的编码器信号，引脚2、3使用中断功能，因此要实现读取电机的编码器数据需要配合控制模块。

3.OLED显示模块。

其电路如图24所示。OLED显示模块提供1.44英寸128*64分辨率的单色显示功能，可输出点、线、图形、文字等。OLED显示屏内置驱动芯片为SSD1963，通过IIC口进行控制。图25给出了OLED显示模块的接口定义，使用了电源脚5V和地，IIC总线的SCL、SDA引脚。

4.彩灯矩阵模块

其电路如图26所示，彩灯矩阵模块提供9个颜色可控的彩色LED灯，每个灯内置控制芯片WS2812，通过编程可实现复杂的灯光显示。图27给出了彩灯矩阵模块的接口定义，使用了电源脚5V和地，数字引脚5。

四.通信模块：

1.GSM模块

其电路如图28所示，GSM模块可实现语音通话功能。图29给出了GSM模块的接口定义。使用了电源脚5V和地，数字引脚2、3、7。其中引脚7为GSM模块的开关机引脚，引脚2、3 为软件模拟的UART串行通信口。

2.蓝牙模块，提供蓝牙BLE通信功能。

其电路如图30所示，蓝牙模块可提供蓝牙BLE通信功能。图31给出了蓝牙模块的接口定义，使用了电源脚3.3V和地，UART串行通信口引脚RXD、TXD。

3.WIFI模块，提供无线网络通信功能。

其电路如图32所示，WIFI模块提供无线网络通信功能。图33给出了WIFI模块的接口定义，使用了电源脚3.3V和地，UART串行通信口引脚RXD、TXD。

五.扩展模块：

1.基板X2，提供不重叠的两路模块连接。

其电路如图34所示，基板×2提供不重叠的两路模块连接，模块的正反面都可连接。两个BTB母座、两个BTB公座相互之间的引脚都是一一对应连接起来的。

2.基板X3，提供不重叠的三路模块连接。

其电路如图35所示。基板×3提供不重叠的三路模块连接，模块的正反面都可连接。三个BTB母座、三个BTB公座相互之间的引脚都是一一对应连接起来的。

3.接口模块，提供连接线连接接口。

其电路如图36所示，接口模块提供连接线连接接口。图37给出了接口模块的接口定义。

4.Arduino兼容模块，实现Arduino标准的兼容接口。

其电路如图38所示，Arduino兼容模块实现Arduino标准的兼容接口。图39给出了Arduino兼容模块的接口定义。这与Arduino的引脚定义是一样的，因此可以兼容连接Arduino 的扩展板。

5.Arduino扩展板，与Arduino兼容模块配合，可方便连接各种Arduino兼容硬件。

其电路如图40所示，图41给出了Arduino扩展板模块的接口定义。Arduino扩展板与兼容模块配合使用，可方便连接各种与Arduino兼容的硬件模块。

上述各种不同功能的电路模块可根据其边框标记的颜色区分，如：

红色：核心模块，是项目的大脑和逻辑核心。

绿色：输入模块，为项目提供传感器数据。

黄色：输出模块，为项目提供输出声音、显示、动作等功能。

白色：扩展模块，通过转接功能实现与各种外接模块的兼容连接。

本实用新型可兼容市场上的Arduino开源硬件，可以在Arduino IDE开发环境下进行编程，也可以使用Mixly编程软件进行图形化编程。另外配合Blynk软件可以实现手机无线控制。

本实用新型支持串口通信、蓝牙、WIFI、GSM通信，并设计有DIS传感器接口，可读取DIS传感器的数据，这样本实用新型便获得了更高精度的传感器数据。

Claims (9)

1.一种教学用可兼容堆叠连接的电路模块，其特征是：该电路模块，包括电路板和边框，电路板至少一侧连接有边框，电路板上设置有板间连接器，边框中设置有磁铁。

2.根据权利要求1所述的教学用可兼容堆叠连接的电路模块，其特征是：所述电路板与边框通过销轴实现定位连接。

3.根据权利要求2所述的教学用可兼容堆叠连接的电路模块，其特征是：所述电路板和边框上均设置有所述销轴插入的定位孔。

4.根据权利要求1所述的教学用可兼容堆叠连接的电路模块，其特征是：所述板间连接器的母座位于电路板的正面，公座位于电路板的背面，母座和公座的引脚定义为水平镜像，母座和公座的引脚在电路板的正反面一一对应连接。

5.根据权利要求1或4所述的教学用可兼容堆叠连接的电路模块，其特征是：所述板间连接器为BTB接口方式。

6.根据权利要求1所述的教学用可兼容堆叠连接的电路模块，其特征是：所述边框的顶面或底面设置有堆叠凸起，与堆叠凸起所在面相对的边框底面或顶面设置有堆叠限位槽。

7.根据权利要求1或6所述的教学用可兼容堆叠连接的电路模块，其特征是：所述边框中设置有电路板限位槽，电路板嵌入该限位槽中，实现电路板与边框的插接。

8.根据权利要求7所述的教学用可兼容堆叠连接的电路模块，其特征是：所述电路板限位槽的顶面或底面设置磁铁固定槽，磁铁固定槽中均设置有所述磁铁。

9.根据权利要求1所述的教学用可兼容堆叠连接的电路模块，其特征是：所述边框中磁铁的极性方向根据上下堆叠的两个电路模块是否具有兼容性决定，两个上下堆叠的电路模块兼容时则其上磁铁相吸，不兼容时则相斥。

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