CN213904673U - 一种用于教学的树莓派扩展板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于教学的树莓派扩展板，包括扩展板和树莓派，扩展板和树莓派电连接；所述扩展板包括电源电路、PWM电路、加密电路、3.3V稳压电路、电机驱动电路、蜂鸣器电路、红外遥控电路、IIC通信接口、SPI通信接口、传感器接口、电机接口、PWM接口以及电池接口。本实用新型通过保险丝和肖基二极管对树莓派采取多重保护措施，延长了产品的使用寿命并提高了安全性。利用PCA9685芯片产生16路PWM信号，解决了PWM输出接口不足的问题，同时节省了对树莓派引脚的占用率，增加了可扩展硬件外设的数量。在扩展板上加入了两片DRV883PWP电机驱动芯片，可直接驱动电机，使接线数减少，使用户容易上手学习。

Description

一种用于教学的树莓派扩展板

技术领域

本实用新型涉及教育机器人配套设备技术领域，具体涉及一种用于教学的树莓派扩展板。

背景技术

树莓派(Raspberry Pi)4B是一款基于ARM的微型电脑，其系统基于Linux，以SD/MicroSD卡作为内存硬盘。卡片主板周围有四个USB接口和两个HDMI接口，可连接鼠标、键盘、摄像头、麦克风以及屏幕等，可实现编程、浏览网页和物联网等功能。其编程语言为python，具有丰富的集成库，方便使用者的学习与开发。

目前市面上将树莓派应用于编程教育的产品具有以下问题：

1、外接设备时接线步骤繁琐。外部设备主要通过杜邦线与树莓派上的40 脚排针进行电气连接，由于树莓派上没有对应的引脚标号，用户往往需要多次查询树莓派开发手册。而且使用杜邦线连接容易出现接触不良、松动等问题。

2、树莓派引脚无法直接驱动电机等大电流外设，需要另外接电机驱动模块，不便于初学者上手。

3、扩展板接口不统一、接口数量少，对树莓派的引脚资源利用不够充分，远远不能满足用户的使用需求。

4、扩展板只提供了硬件扩展，没有与教学的软件端交互，无法对用户的实际使用情况进行追踪与反馈，不利于产品的更新换代。

实用新型内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种用于教学的树莓派扩展板，使用户可以通过编程直接控制电机、传感器等常见外设，体验人机交互的编程乐趣，寓学于乐。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种用于教学的树莓派扩展板，包括扩展板和树莓派，扩展板和树莓派电连接；

所述扩展板包括电源电路、PWM电路、加密电路、3.3V稳压电路、电机驱动电路、蜂鸣器电路、红外遥控电路、IIC通信接口、SPI通信接口、传感器接口、电机接口、PWM接口以及电池接口；

所述电源电路分别与树莓派、电池接口电连接，通过外接电池或适配器对树莓派扩展板进行供电；

所述PWM电路分别与树莓派、电机驱动电路、PWM接口电连接，产生PWM信号，对扩展板上的电机驱动电路、PWM接口进行控制；

所述电机驱动电路分别与树莓派、电机接口电连接，使用两块芯片，每块芯片产生两路驱动，共四路驱动电流输出到所述电机接口；

所述加密电路与树莓派电连接，将生成的序列码实时发送至树莓派，当识别到正确的序列码后，用户才能进入到树莓派扩展板界面；

所述3.3V稳压电路分别与树莓派、蜂鸣器电路电连接，将5V供电稳压为 3.3V，为所述蜂鸣器电路进行供电；

所述IIC通信接口与树莓派电连接，为树莓派扩展板提供IIC通信接口；

所述SPI通信接口与树莓派电连接，为树莓派扩展板提供SPI通信接口；

所述红外遥控电路与树莓派电连接，用户通过红外遥控对扩展板进行远距离控制；

所述传感器接口与树莓派电连接，为树莓派扩展板提供传感器接口。

进一步地，所述电源电路使用电池供电时，利用TPS54540DDAR将电池的 12V电压稳压成5V电压。

进一步地，所述电源电路采用了两片自动复位保险丝，分别为4A和2A，根据电流限制分别保护扩展板与树莓派。

进一步地，所述PWM电路采用芯片PCA9685产生PWM信号。

进一步地，所述扩展板集成了4路电机接口以及8路PWM接口。

进一步地，所述电机驱动电路使用芯片为两块DRV8833。

进一步地，所述加密电路使用的芯片为STM32F042F6P6。

进一步地，所述3.3V稳压电路采用的稳压芯片为AMS1117。

进一步地，所述传感器接口和PWM接口为ZH1.5端子。

进一步地，所述电机接口和电池接口为XH2.54端子。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

1、本实用新型提供了一种树莓派的电池供电方案，该方案为：通过所述电池接口为扩展板供电，并通过所述电源电路为树莓派供电，解决了树莓派工作时被充电线限制移动范围的问题。

2、通过保险丝和肖基二极管对树莓派采取多重保护措施，延长了产品的使用寿命并提高了安全性。

3、利用PCA9685芯片产生16路PWM信号，解决了现有技术PWM输出接口不足的问题，同时节省了对树莓派引脚的占用率，增加了可扩展硬件外设的数量。

4、本实用新型在扩展板上加入了两片DRV883PWP电机驱动芯片，可直接驱动电机。一片芯片有两路电流输出(每路峰值为2A)，最多可以同时驱动四路电机。免除了用户外接电机驱动模块的繁琐操作，使接线数减少，使用户容易上手学习。

5、本实用新型的扩展板上含有一块STM32F042F6P6芯片，用于识别与追踪本扩展板，防止盗版用户使用软件系统，并通过服务器后台收集数据进行分析，获取产品使用频率、使用寿命等基本情况，为客户提供教学装备的个性化定制。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型用于教学的树莓派扩展板的电路原理图；

图2是本实用新型树莓派40脚GPIO接口与扩展板的连接方式示意图；

图3是本实用新型电源电路示意图；

图4是本实用新型PWM电路示意图；

图5是本实用新型PWM接口示意图；

图6是本实用新型电机驱动电路示意图；

图7是本实用新型电机接口示意图；

图8是本实用新型加密电路示意图；

图9是本实用新型3.3V稳压电路示意图；

图10是本实用新型蜂鸣器电路示意图；

图11是本实用新型IIC通信接口示意图；

图12是本实用新型SPI通信接口示意图；

图13是本实用新型红外遥控电路示意图；

图14是本实用新型传感器接口示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供一种用于教学的树莓派扩展板，包括扩展板和树莓派，扩展板和树莓派电连接(如图2所示)。

所述扩展板包括电源电路、PWM电路、加密电路、3.3V稳压电路、电机驱动电路、蜂鸣器电路、红外遥控电路、IIC通信接口、SPI通信接口、传感器接口、电机接口、PWM接口以及电池接口。

如图3所示，所述电源电路分别与树莓派、电池接口电连接，可通过外接电池或树莓派的适配器进行供电，使用电池供电时，利用TPS54540DDAR将电池的12V电压稳压成5V电压。市面上同类型的树莓派扩展板，大多通过树莓派的 GPIO接口对树莓派进行供电，由于GPIO接口缺少电源保护，当向树莓派输入过大的电流或电压，极容易烧毁树莓派，造成用户的财产损失。因此本实用新型扩展板极度重视对电源的保护，采用了两片自动复位保险丝，分别为4A和2A，根据电流限制分别保护扩展板与树莓派。为防止电流倒灌，本实用新型扩展板使用了SS34肖基二极管进行保护，将大电流外设如电机模块与树莓派供电模块分隔开，提高了产品安全性。

如图4-5所示，所述PWM电路分别与树莓派、电机驱动电路、PWM接口电连接，所述PWM电路采用芯片PCA9685产生PWM信号，对扩展板上的电机驱动、 PWM输出接口进行控制，具有以下优势：本实用新型扩展板集成了4路电机接口以及8路PWM输出接口，需要多达12路PWM信号进行控制，传统上使用树莓派的GPIO引脚产生PWM信号，但过度占用GPIO引脚产生PWM会造成资源的浪费，故本扩展板采用性能强大的芯片PCA9685产生PWM信号。该芯片使用IIC通信进行控制，仅占用2路GPIO接口即可产生最多16路PWM信号，精度为12位。使用独立芯片产生PWM信号更便于检修，维护成本更低，而且在软件驱动方面已有成熟的库，缩短了软件的开发周期。

如图6-7所示，所述电机驱动电路分别与树莓派、电机接口电连接，所述电机驱动电路使用芯片为两块DRV8833，所述DRV8833与树莓派引脚进行电气连接，并与所述PWM电路的输出进行电气连接，每块芯片产生两路驱动，共四路驱动电流输出到所述电机接口。

如图8所示，所述加密电路与树莓派电连接，所述加密电路使用的芯片为STM32F042F6P6，芯片上烧录了序列码生成算法，扩展板将所述算法生成的序列码实时发送至树莓派，当识别到正确的序列码后，用户才能进入到本扩展板配套的软件系统，否则用户将无法进入程序界面。识别与追踪到本扩展板后，系统将通过服务器后台收集数据进行分析，获取产品使用频率、使用寿命等基本情况，为客户提供教学装备的个性化定制。

如图9所示，所述3.3V稳压电路分别与树莓派、蜂鸣器电路电连接，所述 3.3V稳压电路将所述5V供电稳压为3.3V，为所述蜂鸣器电路进行供电，采用的稳压芯片为AMS1117。

如图10所示，所述蜂鸣器电路包含无源贴片蜂鸣器、SS8050 Y1三极管、 1N4148WST4稳压二极管、电容C1、电阻R4、电阻R5。

如图11所示，所述IIC通信接口与树莓派的GPIO2和GPIO3进行电气连接。

如图12所示，所述SPI通信接口与树莓派的GPIO8、GPIO9、GPIO10、GPIO11、 GPIO26进行电气连接。

如图13所示，所述红外遥控电路与树莓派的GPIO18进行电气连接，用户可以通过红外遥控对扩展板进行远距离控制。

如图14所示，所述传感器接口与树莓派电连接，为树莓派扩展板提供传感器接口。

所述传感器接口、PWM接口为ZH1.5端子。

所述电机接口、电池接口为XH2.54端子。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

1、本实用新型提供了一种树莓派的电池供电方案，该方案为：通过所述电池接口为扩展板供电，并通过所述电源电路为树莓派供电，解决了树莓派工作时被充电线限制移动范围的问题。

2、通过保险丝和肖基二极管对树莓派采取多重保护措施，延长了产品的使用寿命并提高了安全性。

3、利用PCA9685芯片产生16路PWM信号，解决了现有技术PWM输出接口不足的问题，同时节省了对树莓派引脚的占用率，增加了可扩展硬件外设的数量。

4、本实用新型在扩展板上加入了两片DRV883PWP电机驱动芯片，可直接驱动电机。一片芯片有两路电流输出(每路峰值为2A)，最多可以同时驱动四路电机。免除了用户外接电机驱动模块的繁琐操作，使接线数减少，使用户容易上手学习。

5、本实用新型的扩展板上含有一块STM32F042F6P6芯片，用于识别与追踪本扩展板，防止盗版用户使用软件系统，并通过服务器后台收集数据进行分析，获取产品使用频率、使用寿命等基本情况，为客户提供教学装备的个性化定制。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于教学的树莓派扩展板，其特征在于，包括扩展板和树莓派，扩展板和树莓派电连接；

所述扩展板包括电源电路、PWM电路、加密电路、3.3V稳压电路、电机驱动电路、蜂鸣器电路、红外遥控电路、IIC通信接口、SPI通信接口、传感器接口、电机接口、PWM接口以及电池接口；

所述电源电路分别与树莓派、电池接口电连接，通过外接电池或适配器对树莓派扩展板进行供电；

所述PWM电路分别与树莓派、电机驱动电路、PWM接口电连接，产生PWM信号，对扩展板上的电机驱动电路、PWM接口进行控制；

所述电机驱动电路分别与树莓派、电机接口电连接，使用两块芯片，每块芯片产生两路驱动，共四路驱动电流输出到所述电机接口；

所述加密电路与树莓派电连接，将生成的序列码实时发送至树莓派，当识别到正确的序列码后，用户才能进入到树莓派扩展板界面；

所述3.3V稳压电路分别与树莓派、蜂鸣器电路电连接，将5V供电稳压为3.3V，为所述蜂鸣器电路进行供电；

所述IIC通信接口与树莓派电连接，为树莓派扩展板提供IIC通信接口；

所述SPI通信接口与树莓派电连接，为树莓派扩展板提供SPI通信接口；

所述红外遥控电路与树莓派电连接，用户通过红外遥控对扩展板进行远距离控制；

所述传感器接口与树莓派电连接，为树莓派扩展板提供传感器接口。

2.根据权利要求1所述的用于教学的树莓派扩展板，其特征在于，所述电源电路使用电池供电时，利用TPS54540DDAR将电池的12V电压稳压成5V电压。

3.根据权利要求1所述的用于教学的树莓派扩展板，其特征在于，所述电源电路采用了两片自动复位保险丝，分别为4A和2A，根据电流限制分别保护扩展板与树莓派。

4.根据权利要求1所述的用于教学的树莓派扩展板，其特征在于，所述PWM电路采用芯片PCA9685产生PWM信号。

5.根据权利要求1所述的用于教学的树莓派扩展板，其特征在于，所述扩展板集成了4路电机接口以及8路PWM接口。

6.根据权利要求1所述的用于教学的树莓派扩展板，其特征在于，所述电机驱动电路使用芯片为两块DRV8833。

7.根据权利要求1所述的用于教学的树莓派扩展板，其特征在于，所述加密电路使用的芯片为STM32F042F6P6。

8.根据权利要求1所述的用于教学的树莓派扩展板，其特征在于，所述3.3V稳压电路采用的稳压芯片为AMS1117。

9.根据权利要求1所述的用于教学的树莓派扩展板，其特征在于，所述传感器接口和PWM接口为ZH1.5端子。

10.根据权利要求1所述的用于教学的树莓派扩展板，其特征在于，所述电机接口和电池接口为XH2.54端子。

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