用於智能電子積木的物理量表達硬體模塊的製作方法

2023-05-14 11:20:11 1

本實用新型涉及智能玩具技術領域，具體涉及用於智能電子積木的信號產生和調節硬體模塊。

背景技術：

前的很多電路類實驗產品都是以一種獨立形式存在的，無法與機械結構類的產品一起使用，其拼接、電路連接都存在各種限制，使用者難以根據自己的需求和想法自由拼接，難以調動青少年兒童對於搭建結構以及電路原理的認知。因此，可自由組合、根據用戶想法自由拼接的智能、模塊化積木來解決上述問題。而為了實現用戶根據電路原理自由設計各種電路結構，實現積木系統的智能控制和物理量表達和顯示，系統設計用於智能電子積木的物理量表達硬體模塊，滿足用戶在進行積木拼接的過程中，感受電子控制電路帶來的樂趣並學習相關知識，本實用新型的涉及的智能積木系統由多個智能積木模塊(簡稱積木模塊)構成。

技術實現要素：

為了實現用戶根據電路原理自由設計各種電路結構，實現積木系統的智能控制和物理量表達和顯示，提出了用於智能電子積木的物理量表達硬體模塊，通過接收來自上位智能積木模塊的電壓信號，在轉換為數位訊號之後，經過處理器的運算和變換，將處理得到的數位訊號傳遞給驅動器，產生驅動電壓信號，通過顯示部件以某種物理量(例如聲音、強度可變的LED燈、LED燈條等)進行表達顯示；同時處理器產生的數位訊號，經過數模轉換器變換為電壓信號，通過信號輸出端向下位積木模塊輸出。用於智能電子積木的物理量表達的硬體模塊，提供了驅動器和顯示部件、電路板的封裝部件，提供積木模塊的安裝結構，實現智能積木模塊的標準安裝結構，便於積木模塊之間的自由拼接。

本實用新型的目的至少通過如下技術方案之一實現。

用於智能電子積木的物理量表達硬體模塊，包括：輸入端、輸出端、模數轉換器、處理器、數模轉換器、驅動器、顯示部件、電路板、上殼體和下殼體；

所述輸入端包括高電平輸入端、數據總線輸入端、信號輸入端和低電平輸入端；所述輸出端包括高電平輸出端、數據總線輸出端、信號輸出端和低電平輸出端；數據總線輸入端和數據總線輸出端所連接的數據總線，是整個智能積木系統的共同通訊總線；數據總線的數據由調節器調節控制；數據總線輸入端與上位智能積木模塊連接，獲得上位智能積木傳遞的數據；數據總線輸出端與下位智能積木模塊連接，向下傳遞數據；數據總線與處理器連接，處理器通過數據總線與調節器雙向通訊；調節器通過數據總線對處理器的運算規則進行設置；模數轉換器實時接收來自信號輸入端的電壓信號，將其轉換為數位訊號，數位訊號傳遞給處理器；處理器根據調節器對處理器運算規則的設定，對數位訊號進行運算得到運算結果，運算結果信號傳送給驅動器，驅動器將數位訊號轉換為驅動電壓信號，電壓信號驅動顯示部件，得到物理量顯示；處理器還將運算結果的數位訊號傳送給數模轉換器，將數位訊號變換為電壓信號，從信號輸出端輸出給下位積木模塊；高電平輸入端和高電平輸出端及它們之間的連線構成了高電平供電線路；低電平輸入端和低電平輸出端及它們之間的連線構成了低電平供電線路；高電平和低電平供電線路形成了電壓差迴路，為模數轉換器、處理器、數模轉換器、驅動器、顯示部件提供電力；

所述處理器、模數轉換器、數模轉換器、驅動器和顯示部件封裝在電路板上；輸入端和輸出端與電路板連通；電路板連接固定並封裝在下殼體和上殼體中間，僅有輸入端和輸出端總共8個接頭露出在殼體外部，用於與其他積木模塊連接；

下殼體在靠近輸出端接頭的部位設置了接頭凸臺，在靠近輸入端接頭的部位設置了接頭凹槽；一個積木模塊的接頭凸臺能與另一個積木模塊的接頭凹槽組裝配合；下殼體在底面設置了安裝凹槽；上殼體在頂面設置了安裝凸臺；一個積木模塊的安裝凸臺能與另一個積木模塊的安裝凹槽組裝配合。

進一步地，所述調節器自身包括處理器、LCD顯示屏、按鍵輸入、通訊接口和供電接口；調節器的通訊接口包括數據總線輸出端和信號輸出端，這兩個接口能將調節器的處理器的輸出信號傳遞到智能積木中的數據總線和信號線；調節器的供電接口包括了低電平輸入端和高電平輸入端，這兩個輸入端分別與智能積木系統的低電平導線和高電平導線連通，獲得供電模塊的供電；用戶通過調節器設有的按鍵作為信息輸入端，通過調節器進行信息的編碼，並通過通訊接口輸出以及對智能積木模塊進行設定；調節器的LCD顯示屏是調節器的顯示端。

進一步地，智能電子積木模塊所設置的顯示部件為蜂鳴器、高亮LED燈、彩色LED燈、LED燈條中的一種以上。

相對於現有技術，本實用新型具有以下優點和技術效果：

本實用新型提出了用於智能電子積木的物理量表達硬體模塊，通過接收來自上位智能積木模塊的電壓信號，在轉換為數位訊號之後，經過處理器的運算和變換，將處理得到的數位訊號傳遞給驅動器，產生驅動電壓信號，通過顯示模塊以某種物理量(例如聲音、強度可變的LED燈、LED燈條等)進行表達顯示；同時處理器產生的數位訊號，經過數模轉換器變換為電壓信號，通過信號輸出端向下位積木模塊輸出。用於智能電子積木的物理量表達的硬體模塊，提供了驅動器和顯示部件、電路板的封裝部件，提供積木模塊的安裝結構，實現智能積木模塊的標準安裝結構，便於積木模塊之間的自由拼接。本實用新型的智能積木模塊，搭接結構簡潔，使用方便。

附圖說明

圖1是實例中用於智能電子積木的物理量表達方法的原理圖。

圖2是實例中用於智能電子積木的物理量表達方法的流程圖。

圖3是實例中應用於聲音表達方式的積木模塊結構一側示意圖。

圖4是實例中應用於聲音表達方式的積木模塊結構的另一側示意圖。

圖5是實例中應用於聲音表達方式的積木模塊結構示意圖(移除上殼體)。

圖6是實例中應用於高亮LED燈表達方式的積木模塊結構示意圖。

圖7是實例中應用於LED燈條表達方式的積木模塊結構示意圖(移除上殼體)。

圖8是實例中物理量表達方法模塊與其他積木模塊連接的結構示意圖。

圖中：1-輸入端；2-輸出端；3-模數轉換器；4-處理器；5-數模轉換器；6-驅動器；7-顯示部件；8-下殼體；9-上殼體；10-接頭凸臺；11-安裝凸臺；12-接頭凹槽；13-安裝凹槽；14-電路板。

具體實施方式

以下將結合具體實施例對本實用新型作進一步說明，但本實用新型的實施和保護不限於此，本實用新型的關鍵在於對結構提出的技術方案，以下若有涉及軟體的部分或未特別詳細說明之過程，均是本領域技術人員可參照現有技術實現的。

如圖1～圖8所示，用於智能電子積木的物理量表達硬體模塊主要包括：輸入端1、輸出端2、模數轉換器3、處理器4、數模轉換器5、驅動器6和顯示部件7等。

所述輸入端1包括高電平輸入端A1、數據總線輸入端B1、信號輸入端C1和低電平輸入端D1；所述輸出端2包括高電平輸出端A2、數據總線輸出端B2、信號輸出端C2和低電平輸出端D2。數據總線輸入端B1和數據總線輸出端B2所連接的數據總線，是整個積木系統的共同通訊總線；數據總線的數據由調節器調節控制；數據總線輸入端B1與上位智能積木模塊連接，獲得上位智能積木傳遞的數據；數據總線輸出端B2與下位智能積木模塊連接，向下傳遞數據；數據總線與處理器4連接，處理器4通過數據總線與調節器雙向通訊。調節器通過數據總線對處理器的運算規則進行設置(例如，設定為邏輯非運算、相反數運算等)。模數轉換器3實時接收來自信號輸入端C1的電壓信號，將其轉換為數位訊號，數位訊號傳遞給處理器4；處理器4根據調節器對處理器運算規則的設定，對數位訊號進行運算得到運算結果，運算結果信號傳送給驅動器6，驅動器6將數位訊號轉換為驅動電壓信號，電壓信號驅動顯示部件7，得到物理量顯示。處理器4同時將運算結果的數位訊號傳送給數模轉換器5，將數位訊號變換為電壓信號，從信號輸出端C2輸出給下位積木模塊。高電平輸入端A1和高電平輸出端A2及必要的連線構成了高電平導線；低電平輸入端D1和低電平輸出端D2及必要的連線構成了低電平導線；高電平導線和低電平導線形成了電壓差迴路，為信號產生和調節的各電子電路提供電力。

所述調節器自身包括處理器、LCD顯示屏、按鍵輸入、通訊接口和供電接口；調節器的通訊接口包括數據總線輸出端和信號輸出端，這兩個接口可以將調節器的處理器的輸出信號傳遞到智能積木中的數據總線和信號線；調節器的供電接口包括了低電平輸入端和高電平輸入端，這兩個輸入端分別與智能積木系統的低電平導線和高電平導線連通，獲得供電模塊的供電。調節器的處理器內嵌了處理程序，用戶可通過調節器設有的按鍵作為信息輸入端，通過調節器進行信息的編碼，並通過通訊接口輸出以及對智能積木模塊進行設定。調節器的LCD顯示屏是調節器的顯示端。

用於智能電子積木的物理量表達方法，信號輸入端C1通過接收來自上位智能積木模塊的電壓信號，在轉換為數位訊號之後，經過處理器的運算和變換，將處理得到的數位訊號傳遞給驅動器，產生驅動電壓信號，通過顯示模塊以某種物理量(例如聲音、強度可變的LED燈、LED燈條等)進行表達顯示；同時處理器產生的數位訊號，經過數模轉換器變換為電壓信號，通過信號輸出端向下位積木模塊輸出。對於第一塊或者最上位的智能積木模塊，通常其本身擁有可以產生信號的傳感器單元。

如圖2，用於智能電子積木的物理量表達方法，主要步驟如下：

1)智能積木系統的調節器通過數據總線對處理器4進行參數設置，設置處理器的運算規則，例如比例放大、邏輯非運算、相反數運算等，所設置的參數保存在處理器中。

2模數轉換器3實時讀取來自信號輸入端C1的電壓信號，將其轉換為數位訊號。

3處理器4根據1中所設定的運算規則，對數位訊號進行處理運算，得到運算結果，運算結果是數位訊號；

4驅動器6獲得來自處理器4的數位訊號，將其轉換為電壓信號，該電壓信號作為結果顯示模塊的驅動電壓，顯示部件7根據驅動電壓信號，實現對物理量的表達；

5處理器4同時將輸出的數位訊號經過數模轉換器5變換為電壓信號，並通過信號輸出端C2對外輸出；數據總線實時監控數模轉換器的輸出信號，並與處理器的運算值進行比較，如果輸出信號與運算值不一致則反饋給處理器4；所述的輸出信號與運算值不一致情況，如果輸出信號與運算值的偏差大於允許的設定偏差值，則確定為出錯，進而反饋給處理器。

6處理器4同時將輸出的數位訊號經過數模轉換器5變換為電壓信號，並通過信號輸出端C2對外輸出。

7數據總線實時監控數模轉換器的輸出信號，並與處理器的運算值進行比較，如果出錯則反饋給處理器4。

如圖7，用於智能電子積木的物理量表達方法的硬體模塊還包括了電路板14、上殼體9和下殼體8等主要部件。所述處理器4、模數轉換器3、數模轉換器5、驅動器6和顯示部件7等組件封裝在電路板14上；輸入端1和輸出端2與電路板14連通。電路板14連接固定並封裝在下殼體8和上殼體9中間，僅有輸入端和輸出端總共8個接頭露出在殼體外部與其他積木模塊連接。

下殼體8在靠近輸出端接頭的部位設置了接頭凸臺10，在靠近輸入端接頭的部位設置了接頭凹槽12；一個積木模塊的接頭凸臺10可與另一個積木模塊的接頭凹槽12組裝配合。下殼體8在底面設置了安裝凹槽13；上殼體9在頂面設置了安裝凸臺11；一個積木模塊的安裝凸臺11可與另一個積木模塊的安裝凹槽13組裝配合。

如圖5、圖6，智能電子積木模塊所設置的顯示部件7，可以是蜂鳴器、高亮LED燈、彩色LED燈、LED燈條等；所述驅動器6的驅動電路需要與顯示部件7的類型一致。

作為實例，圖3～5給出了本實用新型應用於聲音表達方式的積木模塊結構示意圖。圖6給出了本實用新型應用於高亮LED燈表達方式的積木模塊結構示意圖。

圖7給出了本實用新型應用於LED燈條表達方式的積木模塊結構示意圖。

圖8是實例中用於智能電子積木的物理量表達硬體模塊801與其他積木模塊如調機器802(帶調機器接頭8021)、顯示模塊803、電壓控制器804和電池805連接的結構示意圖。

根據上述說明書的揭示和教導，本實用新型所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本實用新型並不局限於上面揭示和描述的具體實施方式，對本實用新型的一些修改和變更也應當落入本實用新型的權利要求的保護範圍內。