可编程磁吸式智能电子模块系统
阅读：206发布：2020-05-11
专利汇可以提供可编程磁吸式智能电子模块系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了编程磁吸式智能 电子 模 块 系统，由若干子模块组成，若干子模块之间的物理连接方式采用壳体磁吸式级连，电性能通信采用4PIN顶针连接方式，4PIN顶针定义为：电源正极脚、负极脚、 信号 1脚、信号2脚共4线。子模块由输入模块、电源模块、输出模块和信号中转桥组成，电源模块与输入模块连接，输入模块通过信号中转桥与输出模块连接，输入模块和输出模块采用4PIN顶针 接口 ，信号中转桥由 二极管 、 三极管 、 放大器 、跟随器和MCU处理器 电路 连接组成。相比以往 线束 两端接头对插方式，优化了线束连接的繁琐方式，达到两侧通讯简易而不受线束 管束 ；有效防止子模块错向对接和实现了防呆的好处，简易化了使用者的学习难度。，下面是可编程磁吸式智能电子模块系统专利的具体信息内容。
1.编程磁吸式智能电子模块系统，其特征在于，包括若干子模块，若干子模块为可编程式功能模块，所述若干子模块可在不同的编程平台以及编程环境中实现功能模块的功能应用。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的编程平台为micro:bit、Arduino和树莓派中的一种，所述编程环境为makecode、Ardublock and Scratch中的一种。
3.根据权利要求1或2所的系统，其特征在于，所述若干子模块之间的物理连接方式采用壳体磁吸式级连，电性能通信采用4PIN顶针连接方式，4PIN顶针定义为：电源正极脚、负极脚、信号1脚、信号2脚共4线。
4.根据权利要求3所示的系统，其特征在于，子模块由输入模块、电源模块、输出模块和信号中转桥组成，电源模块与输入模块连接，输入模块通过信号中转桥与输出模块连接，输入模块和输出模块采用4PIN顶针接口，信号中转桥由二极管、三极管、放大器、跟随器和MCU处理器电路连接组成。
5.根据权利要求4所示的系统，其特征在于，所示的输入模块的4PIN定义：左边凹槽中
4PIN顶针中第一脚为信号，第二脚为NC,第三脚为电源正极，第四脚为电源负极，右边圆凸台阶上的4PIN顶针中第一脚为NC，第二脚为信号,第三脚为电源正极，第四脚为电源负极；
输出模块的4PIN定义：左边凹槽中的PIN顶针中第一脚为NC，第二脚为信号,第三脚为电源正极，第四脚为电源负极；而右边凸的采用第一脚为NC，第二脚为信号,第三脚为电源正极，第四脚为电源负极。
6.根据权利要求1、2、4、5任一项所述的系统，其特征在于，所述的子模块包括外壳、线路板、组件、4p母连接座4、4p公连接座、4个强磁、2组4p排针，模块中所搭载的线路板上设有
4路信号线路，分别为正极电源线路、数据信号线路1、数据信号线路2和负极电源线路，四路信号线路通过一侧的4p母连接座和4p公连接座与线路板上左右两端焊接的立式带凹槽4p排针触碰相连，达到了单个模块两侧通信效果。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的4p母连接座分别由四支双头伸缩探针，和一个探针固定座；探针固定座上设计有4个通孔，双头伸缩探针以压铆方式嵌入于4个通孔中；4p公连接座分别由四支双头伸缩探针，和一个探针固定座。探针固定座上设计有4个通孔，双头伸缩探针以压铆方式嵌入于4个通孔中。
可编程磁吸式智能电子模块系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电子信息技术领域，具体涉及适用于不同龄年段的可编程磁吸 式智能电子模块系统。
背景技术
[0002] 现如今芯片的集成度越来越高，很多时候一块芯片加少量的外围电路便可 以实现复杂的功能，但同时越来越多的芯片只有贴片式封装，直插式封装几乎 已经退出了电子舞台，这对电子产品设计是个好事儿，体积更小、成本更低， 却对DIY爱好者来说没那么轻松。虽然可以使用一些免费的PCB设计软件制作 电路板，然而为每个项目做一块电路板既费时、又费力，还不灵活，而且焊接 贴片元件也并不是件易事。又或者购买一些转接板，将贴片转成直插，然而外 围电路还要自己补上，也不方便。在这种情况下电子模块可以说是DIY爱好者 的福音了，功能丰富，使用灵活，简单易用，简单地改动之后便可用于自己的 项目中，极大地方便了模块的使用。然而，现有的电子模块存在以下问题：1、 支持的编译平台过少，通用性较差；2、模块间连接线路复杂且连接方式单一； 3、不具有无线编程方式，功能不够全面。
发明内容
[0003] 本发明为了解决上述问题，设计了可编程磁吸式智能电子模块系统，该电 子模块系统可适用于不同年龄阶段的使用者进行编程以获得目标功能的电子应 用，同时该电子模块系统的连接方式更加简单，使用更加方便，实现“即插即 玩”的目的。
[0004] 本发明通过以下技术方案实现的：
[0005] 编程磁吸式智能电子模块系统，其特征在于，包括若干子模块，若干子模 块为可编程式功能模块，所述若干子模块可在不同的编程平台以及编程环境中 实现功能模块的功能应用。
[0006] 进一步的，所述的编程平台为micro:bit、Arduino和树莓派中的一种， 所述编程环境为makecode、Ardublock and Scratch中的一种。
[0008] 可编程磁吸式智能电子模块系统，由若干子模块组成，若干子模块之间的 物理连接方式采用壳体磁吸式级连，电性能通信采用4PIN顶针连接方式，4PIN 顶针定义为：电源正极脚、负极脚、信号1脚、信号2脚共4线。
[0009] 子模块由输入模块、电源模块、输出模块和信号中转桥组成，电源模块与 输入模块连接，输入模块通过信号中转桥与输出模块连接，输入模块和输出模 块采用4PIN顶针接口，信号中转桥由二极管、三极管、放大器、跟随器和MCU 处理器电路连接组成。
[0010] 其中输入模块的4PIN定义：左边凹的采用第一脚为信号，第二脚为NC,第 三脚为电源正极，第四脚为电源负极。而右边凸的采用第一PIN为NC，第二脚 为信号,第三脚为电源正极，第四脚为电源负极。
[0011] 输出模块的4PIN定义：左边凹的采用第一脚为NC，第二脚为信号,第三脚 为电源正极，第四脚为电源负极；而右边凸的采用第一脚为NC，第二脚为信号, 第三脚为电源正极，第四脚为电源负极，这样在即可防止输入、输出模块反接。
[0012] 其他需要双线通讯的模块左边凹的采用第一脚为信号1脚，第二脚为信号 2脚,第三脚为电源正极脚，第四脚为电源负极脚；而右边凸的采用第一脚为信 号1脚，第二脚为信号2脚,第三脚为电源正极脚，第四脚为电源负极脚，这样 在即可防止输入、输出模块反接。
[0013] 子模块的数量越多，可编程磁吸式智能电子模块系统越高级，根据子模块 的功能应用，可编程磁吸式智能电子模块系统可分为初级模块、中级模块、高 级模块和应用模块。
[0014] 本发明中的子模块采用半包围设计，由外壳1以半包的形式包裹线路板2， 露出组件3。子模块包括外壳、线路板、组件、4p母连接座4、4p公连接座、4 个强磁、2组4p排针。模块中所搭载的线路板上设有4路信号线路，分别为正 极电源线路、数据信号线路1、数据信号线路2和负极电源线路。其中，四路 信号线路通过一侧的4p母连接座和4p公连接座与线路板上左右两端焊接的立 式带凹槽4p排针触碰相连，达到了单个模块两侧通信效果。
[0015] 各个子模块间信号互通，依靠两端居中的4p母连接座和4p公连接座，加 上两侧隐藏于外壳内部的异极强磁，其中4p母连接座端强磁为N极性时，4p 公连接座端则为S极，既美观又满足了异极相吸特性，各部件自动吸附。另外， 外壳一侧母端设计成圆槽凹型，而4p公连接座中下部设计成圆凸台阶，有效防 止模块错向对接和实现了防呆的好处，简易化了使用者的学习难度。
[0016] 4p母连接座分别由四支双头伸缩探针，和一个探针固定座；探针固定座上 设计有4个通孔，双头伸缩探针以压铆方式嵌入于4个通孔中；由于探针一端 伸出一段长度，因此外壳母头一端设计成凹槽，有效防止探针损坏，达到保护 效果。
[0017] 4p公连接座组成，分别由四支双头伸缩探针，和一个探针固定座。探针固 定座上设计有4个通孔，双头伸缩探针以压铆方式嵌入于4个通孔中。
[0018] 本发明的有益效果是：1、相比以往线束两端接头对插方式，优化了线束连 接的繁琐方式，达到两侧通讯简易而不受线束管束；2、有效防止子模块错向对 接和实现了防呆的好处，简易化了使用者的学习难度；3、学习者更直观了解主 板上的元件的样式、使用方式和作用，从而加深对电子元件的认识；4、输出端 只能连接于输入端的右侧，而不会对左边的输出端造成任何干扰和指令传达， 让使用者更加准确地对要求工作的输出端进行调试或实验。附图说明
[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要 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发明的一 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。
[0020] 图1是可编程磁吸式智能电子模块系统结构框图；
[0021] 图2是实施例中初级模块的结构布置图；
[0022] 图3是可编程磁吸式智能电子模块系统组成的IOT互联网；
[0023] 图4是子模块的整体结构示意图；
[0024] 图5是子模块的组成结构示意图；
[0025] 图6是子模块的右视结构示意图；
[0026] 图7是子模块的剖面结构示意图；
[0027] 图8是子模块的内部连接结构示意图；
[0028] 图9是4p公连接座和4p母连接座之间的通信示意图；
[0029] 图10是4p母连接座的结构示意图；
[0030] 图11是4p公连接座的结构示意图；
[0031] 图12是初级模块电源模块电路图；
[0032] 图13是初级模块输入模块电路图；
[0033] 图14是初级模块的输出模块电路图；
[0034] 图15是高级模块的主控模块的电路图；
[0035] 图16是高级模块的串口模块的电路图；
[0036] 图17是高级模块的I2C模块的电路图；
[0037] 图18是高级模块的逻辑模块的电路结构图；
[0038] 图19是高级模块的扩展模块电路结构图。
[0039] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0040] 1、外壳；2、线路板；3、组件；4、4p母连接座；5、4p公连接座；6、强 磁；7、4p排针；4-1、双头伸缩探针；4-2、探针固定座。
具体实施方式
[0041] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042] 如图1所示，可编程磁吸式智能电子模块系统，由若干子模块组成，若干 子模块之间的物理连接方式采用壳体磁吸式级连，电性能通信采用4PIN顶针连 接方式，4PIN顶针定义为：电源正极脚、负极脚、信号1脚、信号2脚共4线。
[0043] 如图2所示，初级模块系统采取的是去编程模式，控制规则遵守三点原则。 其一：输入、输出模块和电源模块同时连接。其二：输入模块在输出模块左侧， 其三：输出模块由最接近它的输入模块控制。输出模块可以无限的级连。
[0044] 其中输入模块的4PIN定义：左边凹的采用第一脚为信号，第二脚为NC,第 三脚为电源正极，第四脚为电源负极。而右边凸的采用第一PIN为NC，第二脚 为信号,第三脚为电源正极，第四脚为电源负极。
[0045] 输出模块的4PIN定义：左边凹的采用第一脚为NC，第二脚为信号,第三脚 为电源正极，第四脚为电源负极；而右边凸的采用第一脚为NC，第二脚为信号, 第三脚为电源正极，第四脚为电源负极，这样在即可防止输入、输出模块反接。
[0046] 其他需要双线通讯的模块左边凹的采用第一脚为信号1脚，第二脚为信号 2脚,第三脚为电源正极脚，第四脚为电源负极脚；而右边凸的采用第一脚为信 号1脚，第二脚为信号2脚,第三脚为电源正极脚，第四脚为电源负极脚，这样 在即可防止输入、输出模块反接。
[0047] 如图3所示，应用模块是学习者通过初级免编程学习和中、高级编程模式 的套件学习之后，掌握了一定的电子基础知识和软件编程基础。然后根据自己 的兴趣和想法去创造实现自己的作品和小发明。可以配合不同种类的DIY套件 和磁吸底板制作多元化的智能电子设备。更有趣的还可以利用各种感器配合 5G、4G、2G、WIFI、BT、GPS等模块组成IOT互联网。
[0048] 如图4-6所示，子模块由外壳1以半包的形式包裹线路板2，露出带有某 种输入意义的传感器或组件3，保护重要部件/IC的同时，让学习者更直观了解 主板上的元件(传感器或输出端)的样式、使用方式和作用，从而加深对电子 元件的认识。
[0049] 子模块包括外壳1、线路板2、组件3(传感器或输出端)、4p母连接座4、 4p公连接座5、4个强磁6、2组4p排针7。
[0050] 如图7-9所示，子模块模块间信号互通，依靠模块两端居中的4p母连接座 4和4p公连接座5，加上两侧隐藏于外壳1内部的异极强磁6，其中4p母连接 座4端强磁为N极性时，4p公连接座5端则为S极，既美观又满足了异极相吸 特性，模块自动吸附。另外，外壳1一侧母端设计成圆槽凹型，而4p公连接座 5中下部设计成圆凸台阶，有效防止模块错向对接和实现了防呆的好处，简易 化了使用者的学习难度。相比以往线束两端接头对插方式，本发明优化了线束 连接的繁琐方式，达到两侧通讯简易而不受线束管束。
[0051] 如图10-11所示，4p母连接座4组成，分别由四支双头伸缩探针4-1，和 一个探针固定座(塑胶)4-2。探针固定座(塑胶)4-2上设计有4个通孔，双 头伸缩探针4-1以压铆方式嵌入于4个通孔中。由于探针4-1一端伸出一段长 度，因此外壳1母头一端设计成凹槽，有效防止探针4-1损坏，达到保护效果。 4p公连接座5组成，分别由四支双头伸缩探针，和一个探针固定座(塑胶)。 探针固定座(塑胶)4-2上设计有4个通孔，双头伸缩探针4-1以压铆方式嵌 入于4个通孔中。
[0052] 子模块的数量越多，可编程磁吸式智能电子模块系统越高级，根据子模块 的功能应用，可编程磁吸式智能电子模块系统可分为初级模块、中级模块、高 级模块和应用模块。
[0053] 如图12所示，初级模块电源模块电路采用USB和电池双电源供电，且双电 源不冲突。默认是电池优先供电，当USB插放是电池就会自动断开，由USB电 源给系统供电，同时USB电源还向电池充电，保持电池一直满电状态。2：采用 了低电指示灯提示功能和充电指示灯。当充电时，充电指示灯会闪烁，充满电 时LED灯会灭掉。当低电时，低电指示灯会慢慢变暗，低于3.3V时低电指示灯 会灭掉。3：将USB和电池电源统一降到为3.3V/2A输出电源，这样更好的保护 USB前端电源和电池过放的安全性，也更好的保护后级电路的安全性。4：采用 了自锁开关来控制电源开关，且电流非常小，这样更好的快捷的保护各系统的 完全性。
[0054] 如图13-14所示，初级模块的输入模块左右凹凸连接的引脚只采用电源正 极，负极，信号脚，没用到的PIN悬空。2：输入信号因各种电子器件的特性不 同，会采用各种二，三极管、放大器、跟随器、MCU等等各种器件作为信号中 转桥。输出模块左右凹凸连接的引脚只采用电源正极，负极，信号脚，没用到 的PIN悬空。2：输出信号因各种电子器件的特性不同，会采用各种二，三极管、 放大器、跟随器、MCU等等各种器件作为信号中转桥。
[0055] 如图15所示，高级模块则在子模块的基础上上加入主控模块，主控模块采 用USB和电池双电源供电，且双电源不冲突。默认是电池优先供电，当USB插 放是电池就会自动断开，由USB电源给系统供电，同时USB电源还向电池充电， 保持电池一直满电状态。2：采用了低电指示灯提示功能和充电指示灯。当充电 时，充电指示灯会闪烁，充满电时LED灯会灭掉。当低电时，低电指示灯会慢 慢变暗，低于3.3V时低电指示灯会灭掉。3：将USB和电池电源统一降到为 3.3V/2A输出电源，这样更好的保护USB前端电源和电池过放的安全性，也更 好的保护后级电路的安全性。4：采用了自锁开关来控制电源开关，且电流非常 小，这样更好的快捷的保护各系统的完全性。5：本模块集成了一个低成本的微 型MCU控制IC、蓝牙4.0、气压传感器、6轴角度传感器。6：主控制IC引出 了各种数字、模拟、IC2、UART、SPI、PWM口供大家学习。7：无线传输采用了 板载天线，这样大大的节省了整套系统的空间。
[0056] 如图16所示，高级模块的串口模块左右凹凸连接的引脚只采用电源正极， 负极，TX，RX信号线。2：输出信号因各种电子器件的特性不同，会采用各种 器件作为信号中转桥。
[0057] 如图17所示，高级模块的I2C模块左右凹凸连接的引脚只采用电源正极， 负极，SDA，SCL信号线。2：输出信号因各种电子器件的特性不同，会采用各 种器件作为信号中转桥。
[0058] 如图18所示，高级模块的逻辑模块左右凹凸连接的引脚只采用电源正极， 负极，信号输入、输出线。2：输入、输出信号因各种电子器件的特性不同，会 采用各种器件作为信号中转桥。
[0059] 如图19所示，高级模块的扩展模块左右凹凸连接的引脚只采用电源正极， 负极，信号1、信号2。2：输入、输出信号因各种电子器件的特性不同，会采 用各种器件作为信号中转桥。3：在使用主控模块时，只用4PIN顶针中的一个 信号脚时，而另一个信号被模块遮档信不方便使用时，那么加上此扩展模块就 很方便将没用的PIN可以利用起来了。
[0060] 高级模块可使用树莓派、Micro bit、Arduino主控板进行控制，可使用编 程语言包括：python、c、java、图形化编程等语言进行编程学习。高级模块包 含了丰富的GPIO、I2C、SPI、UART、USB、LAN、CAN等多种总线接口的电子模 块。而主控模块集成了无线功能，学习者可以更好的学习无线编程方式。然而 初级模块也可以采用编程来控制。
[0061] 由主控模块和按键模块再加上4G模块即可组成一台电话机；由主控模块和 按键模块即可组成一台游戏机；由主控模块和电机模块加循迹模块即可组成一 部循迹小车。更多的应用和作品可由学习者通过自己的创造和想法去组合搭配 不同的模块实现！[0062] 以下对本电子系统在不同的编程平台进行编程的方法
[0063] 一、Arduino编程平台
[0064] 1.Arduino编程方法
[0065] 介绍两种多文件编程的方法，示例程序架构是:主函数中调用fileA.cpp 中定义的函数funA()和fileB.cpp中定义的函数funB().
[0066] 2、Arduino编程步骤
[0067] 2.1安装编程软件；
[0068] 2.2编写第一个程序(C++)
[0069] 2.2.1目的让11号引脚上的LED每隔1s闪烁一次；
[0070] 2.2.2点击IDE上的√来编译程序查看是否有错；
[0072] 2.4点击IDE上类似﹥来进行烧录程序。
[0073] 二、Microbit编程平台
[0074] 1、Microbit编程方法
[0075] 主流开发环境有采用JavaScript开发的如MakeCode和采用Python开发的 如MU[0076] 方法1：可采用积木块或JavaScript开发Micro:bit,其IDE名称为 MakeCode,有Web版和离线版两种.其中Web版的链接 为:https://makecode.microbit.org/。
[0077] 方法2:可采用Python开发Micro:bit,目前也有Web版和离线版两种开发 环境.离线版为Mu.其下载地址为:https://codewith.mu/en/download,可根据 不同的操作系统和位数进行下载、安装。
[0078] 2、Microbit编程步骤
[0079] 2.1打开MakeCode的Web版,并连接硬件；
[0080] 2.1.1从左侧拉出所需的积木再拼接在一起即可编程；
[0082] 2.1.3编写第一个程序；
[0083] 2.1.3.1目的让16号引脚上的LED每隔1s闪烁一次；
[0084] 2.1.3.1.1.当开机时积木:它在程序启动时运行,比其他任何事件先运行, 此积木可用来初始化程序；
[0085] 2.1.3.1.2无限循环积木：一直循环执行此积木内的程序(积木)内容；
[0086] 2.1.3.1.3鼠标右击积木再点击帮助即可查看积木的功能及其如何使用的 例子。
[0087] 2.1.4下载程序并把程序烧录到Microbit中
[0088] 2.1.4.1鼠标点击红箭头所示的保存按钮即可保存程序并把程序下载到PC 中；
[0089] 2.1.4.2下载好的程序是HEX文件(二进制),然后鼠标左击此文件再点发 送到MICROBIT即可烧录程序,烧录完LED即刻点亮并每隔1s闪烁.
[0090] 2.1.4.3打开离线版Mu,初次进入，请设置为BBC Micro:bit模式；
[0091] 2.2.1编写第一个Python程序
[0092] 2.2.1.1目的让16号引脚上的LED每隔1s闪烁一次,
[0093] 2.2.1.2from microbit import:导入microbit的库
[0094] 2.2.1.3while True:当条件为真时，一直执行while函数里的程序
[0095] 2.2.1.4sleep():延时函数等同于C语言中的delay函数
[0096] 2.3编译检查程序并把程序烧录到Microbit中
[0097] 2.4点击刷入按钮即可烧录程序
[0098] 2.5点击加载按钮可添加例程文件或者库。
[0099] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等 的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于 本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述 不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者 特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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