一种用于青少年科创发明的微型电脑装置

本发明涉及智能教学设备领域，尤其涉及一种用于青少年科创发明的微型电脑装置。

随着互联网技术的不断发展和互联网领域的不断繁荣，越来越多的人选择学习计算机，学习热情也不断高涨。微型计算机作为控制、计算等一体化设备，能通过编程和外部硬件实现发明者各种发明创造，其学习者也越来越多。

但是作为初学者，特别是没有什么基础知识的青少年学习者来讲，学习微型电脑时往往会遇到一些对于硬件进行编程操控的环节，由于初学者往往不了解硬件，若无专门针对初学者的学习硬件，初学者极大可能被复杂的布线，驱动芯片的选择与安装，网络协议的构建等步骤给阻挠，从而影响其学习进度和学习热情。

现有技术中给予青少年使用的科创发明装置比较少，青少年往往需要通过电脑控制已经完成驱动的硬件进行发明创造。而在创客板中如Microbit，树莓派等又缺乏储存与显示设备，这部分需要外接显示设备才能使用。整套含有输入，输出，可编程，声音一体的处理终端的缺陷一致存在。

同时因为是青少年所使用，小巧，高集成度的处理终端价格往往比较高，难以在青少年体中大范围推广。同样的，这些处理终端往往搭载的螺丝孔与杜邦接口(插针)，使青少年使用这种终端的结构成本，线路复杂度都变得更高。

因此，有必要提供新的一种用于青少年科创发明的微型电脑装置来解决上述技术问题。

为解决上述之一技术问题，本发明提供的一种用于青少年科创发明的微型电脑装置，包括核心终端，所述核心终端设置在双面PCB板上，所述双面PCB板包括前端面板和后端面板。

具体的，所述核心终端包括MCU处理器和功能模块，所述功能模块包括蜂鸣器模块、麦克风模块、触摸控制模块、复位及按键模块、排线连接器A、指示灯模块、姿态传感模块、温湿度传感模块、光线传感模块、外部存储器模块、显示模块、供电单元、稳压电路、USB通信模块和WIFI通信模块；所述MCU处理器设置有若干I/O口，并分别与各功能模块电性连接。

更加具体的，所述显示模块、麦克风模块、指示灯模块和光线传感模块均设置在前端面板上；所述蜂鸣器模块、复位及按键模块、排线连接器A、姿态传感模块、温湿度传感模块、外部存储器模块、供电单元、稳压电路、USB通信模块和WIFI通信模块均设置在后端面板上；所述触摸控制模块包括彼此电性连接的触控点和触控芯片；所述触控点设置在前端面板上，所述触控芯片设置在后端面板上；所述供电单元通过正极输入端和负极输入端供电口外接直流DC电源进行供电。

作为更进一步的解决方案，还包括扩展模组，所述扩展模组设置在独立的扩展PCB板上，包括若干扩展接口和排线连接器B；所述扩展接口分别与排线连接器B电性连接；所述排线连接器B通过排线线束与排线连接器A电性连接。

作为更进一步的解决方案，所述扩展接口为Beginner扩展接口，所述Beginner扩展接口设置有用于防反接的卡扣槽，并分为核心终端扩展接口和WIFI通信扩展接口。

具体的，所述核心终端扩展接口包括三个对外输出的供电端子、两个与MCU处理器I/O口电性连接的外接端子和一个接地端子；其中，所述供电端子与接地端子之间还跨接有一个滤波电容。

更加具体的，所述WIFI通信扩展接口包括三个对外输出的供电端子、一个与MCU处理器I/O口电性连接的外接端子、一个与WIFI通信模块电性连接的通信端子和一个接地端子；其中，所述供电端子与接地端子之间还跨接有一个滤波电容。

作为更进一步的解决方案，所述扩展模组还设置有DC-DC冲放一体模块；所述DC-DC冲放一体模块包括型号为IP5306的充放电管理芯片、充电电池和充放电外围电路；所述充放电管理芯片包括VIN端、LED1端、LED2端、LED3端、VOUT端、SW端、BAT端、KEY端和EP端。

具体的，所述充放电外围电路包括若干发光二极管、若干电阻、若干电容、缓冲电路、开关电路、充电电路和滤波电路；所述LED1端与LED3端之间并联有两个发光二极管，且呈相反极性连接；所述LED2端与LED3端之间并联有两个发光二极管，且呈相反极性连接；所述VIN端外接5V直流输入电；在VIN端与地之间还设置有缓冲电路，所述缓冲电路包括电容C29、电容C30、电阻R31、电阻R6和5VLED；所述电容C29接在VIN端与地之间；所述电容C30和电阻R31串连后接在VIN端与地之间；所述电阻R6和5VLED串连后接在VIN端与地之间。

更加具体的，所述KEY端接开关电路；所述开关电路包括电阻R30和按压开关SW；所述电阻R30和按压开关SW串连后接地。

所述SW端与BAT端接充电电路；所述充电电路包括电阻R35、电容C28、电容C27、MOS管Q6、电感L1、正极充电端BAT+和负极充电端BAT-；所述SW端连接电感L1的一端；所述BAT端连接电容C28后接地；所述电感L1的另一端分别连接电阻R35、电容C27和正极充电端BAT+；所述阻R35的另一端接在BAT端上；所述电容C27的另一端接地；所述MOS管Q6的S极接地，G极接SW端，D极接负极充电端BAT-。

所述VOUT端接滤波电路，所述滤波电路包括电容C1、电容C2、电容C23、电容C24和二极管D2，所述电容C1、电容C2、电容C23和电容C24并联在VOUT端与地之间；所述二极管D2的正极接VOUT端，负极作为DC-DC冲放一体模块的5V直流输出端。

作为更进一步的解决方案，所述双面PCB板与扩展PCB板采用相同尺寸的矩形板，并在四角做圆角处理；所述双面PCB板与扩展PCB板四角对应位置分别开设有连接孔；所述双面PCB板与扩展PCB之间设置有四个连接柱，所述连接柱两端分别开设有螺纹孔，并通过螺丝与连接孔配合，将连接柱两端固定在双面PCB板与扩展PCB板上。

作为更进一步的解决方案，所述连接柱是铜连接柱；所述连接孔与铜连接柱接触部位上还设置有环形导电触点；所述供电单元外接的直流DC电源通过DC-DC冲放一体模块的5V直流输出端进行提供，并通过铜连接柱电性连接；所述扩展PCB板上的环形导电触点分别接5V直流输出端或地；所述双面PCB板上的环形导电触点分别与供电单元的正极输入端或负极输入端电性连接。

作为更进一步的解决方案，所述扩展PCB板上还开设有四个乐高孔，并能通过乐高孔与乐高插销配合将扩展PCB板安装在乐高积木上。

作为更进一步的解决方案，所述稳压电路为基于AMS1117-3.3稳压器的三端稳压电路；所述USB通信模块是基于TYPEC-304-BCP16模块的USB输入口电路；所述WIFI通信模块是基于ESP32-S2-WROOM模块的ESP32主控电路；所述显示模块通过型号为69IPS圆角LCD屏进行设置；所述麦克风模块通过SMD极体电容传声器进行设置；所述光线传感模块通过光敏电阻进行设置；所述姿态传感模块通过三轴加速度芯片进行设置；所述温湿度传感模块的通过型号为SHT30-DIS-B的温湿度传感器进行设置；所述外部存储器模块通过型号是XKTF-0803-0的SD卡读取卡座进行设置；所述蜂鸣器模块通过SMD电磁无源蜂鸣器进行设置；所述指示灯模块通过全彩RGB灯进行设置；所述排线连接器A与排线连接器B通过20PinFPC排线连接器进行设置；所述复位及控制模块包括复位按键和控制按键，并分别通过TS-1010A-B轻触开关进行设置；所述触摸控制模块包括若干触控点和型号为BS818A-2触控芯片；所述触控点设置在前端面板的下沿处。

作为更进一步的解决方案，所述供电单元还设置有外接供电口，所述外接供电口通过M3鳄鱼夹供电口进行设置。

作为更进一步的解决方案，所述MCU处理器使用Xtensa LX7单核32位微处理器进行部署，并支持Scratch图形化编程、Python编程、Win/MAC操作系统、USB烧写和拖放上传代码功能。

与相关技术相比较，本发明提供的一种用于青少年科创发明的微型电脑装置具有如下有益效果：

1、本发明将常用的功能模块集成一体；青少年学习者能直接使用各功能硬件，降低了学习门槛，使青少年学习者能较好地适应学习过程。此外，由于直接集成了各功能模块，因此还避免了由于接线错误、操作失误等导致的硬件损坏情况发生，通过双面PCB板能节省硬件成本，增加硬件集成度，减小装置的占用体积，解决了复杂硬件携带困难的问题，不需要青少年学习者接线便能便捷地使用；其硬件成本也大大降低，减少青少年学习者的学习成本；

2、本发明通过添加扩展模组来解决初学者模块布线存在困难的问题；扩展模组与核心终端分离设置的设计能使使用者根据事情情况自行添加和卸载；且扩展模组与核心终端之间的接线直接通过排线连接器A与排线连接器B连接，避免了复杂的接线流程；各功能模块仅需适配扩展接口，便能便捷的接入系统，即插即用；使装置的扩展性和便捷性大大提升，此外，还扩展接口还能保证接线具备一定强度，从而保证各扩展的功能模块能稳定工作；

3、本发明将扩展模组集了DC-DC冲放一体模块，使整个模组可以离机使用；此外，DC-DC冲放一体模块还能为核心终端提供稳定的5V直流电源，解决了电源稳定性的问题；通过设置充电电池，还能在没有外接电源的情况下保证装置正常工作一定时间；

4、本发明将扩展模组与乐高积木适配能极大地增加装置的实用性；青少年使用者能在乐高积木上发挥自己的想象；创造发明不同的物品，并通过微型电脑装置来实现硬件控制；极大地增加了可创造性，从而激发青少年学习者的学习兴趣，使学习过程更加快乐有趣。

图1为本发明实施例提供的一种用于青少年科创发明的微型电脑装置的较佳的系统示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于青少年科创发明的微型电脑装置的较佳的硬件示意图；

图3为本发明实施例提供的核心终端的较佳的后端面板示意图；

图4为本发明实施例提供的核心终端的较佳的前端面板示意图；

图5为本发明实施例提供的扩展模组的较佳的示意图；

图6为本发明实施例提供的扩展模组的较佳的外接模块示意图；

图7为本发明实施例提供的三端稳压电路的电路结构图；

图8为本发明实施例提供的USB输入口电路的电路结构图；

图9为本发明实施例提供的MCU控制及WIFI通信模块的电路结构图；

图10为本发明实施例提供的69IPS圆角LCD屏的电路结构图；

图11为本发明实施例提供的SMD极体电容传声器的电路结构图；

图12为本发明实施例提供的光敏电阻的电路结构图；

图13为本发明实施例提供的触摸控制模块的电路结构图；

图14为本发明实施例提供的三轴加速度芯片的电路结构图；

图15为本发明实施例提供的温湿度传感器的电路结构图；

图16为本发明实施例提供的SD卡读取卡座的电路结构图；

图17为本发明实施例提供的SMD电磁无源蜂鸣器的电路结构图；

图18为本发明实施例提供的全彩RGB灯的电路结构图；

图19为本发明实施例提供的排线连接器A的电路结构图；

图20为本发明实施例提供的环形导电触点的电路结构图；

图21为本发明实施例提供的DC-DC冲放一体模块的电路结构图；

图22为本发明实施例提供的核心终端扩展接口的电路结构图；

图23为本发明实施例提供的述Beginner扩展接口的电路结构图；

图24为本发明实施例提供的排线连接器B及连接排线的电路结构图。

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图24所示，本实施例提供的一种用于青少年科创发明的微型电脑装置，包括核心终端，所述核心终端设置在双面PCB板上，所述双面PCB板包括前端面板和后端面板。

具体的，所述核心终端包括MCU处理器和功能模块，所述功能模块包括蜂鸣器模块、麦克风模块、触摸控制模块、复位及按键模块、排线连接器A、指示灯模块、姿态传感模块、温湿度传感模块、光线传感模块、外部存储器模块、显示模块、供电单元、稳压电路、USB通信模块和WIFI通信模块；所述MCU处理器设置有若干I/O口，并分别与各功能模块电性连接。

更加具体的，所述显示模块、麦克风模块、指示灯模块和光线传感模块均设置在前端面板上；所述蜂鸣器模块、复位及按键模块、排线连接器A、姿态传感模块、温湿度传感模块、外部存储器模块、供电单元、稳压电路、USB通信模块和WIFI通信模块均设置在后端面板上；所述触摸控制模块包括彼此电性连接的触控点和触控芯片；所述触控点设置在前端面板上，所述触控芯片设置在后端面板上；所述供电单元通过正极输入端和负极输入端供电口外接直流DC电源进行供电。

需要说明的是：传统的创客板往往是针对有一定硬件基础的使用者进行设计，通常需要使用者自行外接显示模块等类似功能模块；这样设置的好处是能根据实际的使用情况对硬件进行自定义添加；但是外接这种设备需要对各模块引脚有透彻的了解；并知道其交互规则等，进而通过编程实现想要的科创发明。但是，实现各功能模块与MCU处理器的接线、交互和使用需要较为强大的知识基础；这对于青少年使用者来讲是极其困难的；故青少年学习者在学习硬件控制时，会在前期经历较为痛苦的学习初期；这无疑提高了计算机学习门槛；本实施例针对这一情况，将常用的功能模块集成一体；在小尺寸的核心终端中使用屏幕，MCU，存储，以及一系列输入输出设备来设计制造的青少年科创发明，科学探索的微电脑。青少年学习者能直接使用各功能硬件，降低了学习门槛，使青少年学习者能较好地适应学习过程。此外，由于直接集成了各功能模块，因此还避免了由于接线错误、操作失误等导致的硬件损坏情况发生，通过双面PCB板能节省硬件成本，增加硬件集成度，减小装置的占用体积，解决了复杂硬件携带困难的问题，不需要青少年学习者接线便能便捷地使用；其硬件成本也大大降低，减少青少年学习者的学习成本。

作为更进一步的解决方案，还包括扩展模组，所述扩展模组设置在独立的扩展PCB板上，包括若干扩展接口和排线连接器B；所述扩展接口分别与排线连接器B电性连接；所述排线连接器B通过排线线束与排线连接器A电性连接。

需要说明的是：在实现发明创造时，难免出现核心终端所设置的功能模块无法满足实际需求的情况；这时我们就需要根据实际需求自行添加功能模块；但是传统添加功能模块的方法是直接将功能模块与MCU处理器各I/O口进行接线实现的；这就给初学者增加了很大的难度；为此，本实施例通过添加扩展模组来解决上述问题；扩展模组与核心终端分离设置的设计能使使用者根据事情情况自行添加和卸载；且扩展模组与核心终端之间的接线直接通过排线连接器A与排线连接器B连接，避免了复杂的接线流程；各功能模块仅需适配扩展接口，便能便捷的接入系统，即插即用；使装置的扩展性和便捷性大大提升，此外，还扩展接口还能保证接线具备一定强度，从而保证各扩展的功能模块能稳定工作。

作为更进一步的解决方案，所述扩展接口为Beginner扩展接口，所述Beginner扩展接口设置有用于防反接的卡扣槽，并分为核心终端扩展接口和WIFI通信扩展接口。

需要说明的是：由于初学者对硬件设备不够了解，很容易因为反接线路等原因损坏硬件设备，从而造成不必要的经济损失和时间损失，通过Beginner扩展接口的卡扣结构避免线路反接，从而增强装置的实用性。

具体的，所述核心终端扩展接口包括三个对外输出的供电端子、两个与MCU处理器I/O口电性连接的外接端子和一个接地端子；其中，所述供电端子与接地端子之间还跨接有一个滤波电容。

更加具体的，所述WIFI通信扩展接口包括三个对外输出的供电端子、一个与MCU处理器I/O口电性连接的外接端子、一个与WIFI通信模块电性连接的通信端子和一个接地端子；其中，所述供电端子与接地端子之间还跨接有一个滤波电容。

需要说明的是：此处设置核心终端扩展接口和WIFI通信扩展接口主要是方便不同的功能模块适配不同的接口，一些功能模块不仅与MCU处理器进行通信，还需要对外进行通信，即可使用WIFI通信扩展接口；而一些功能模块仅需与MCU处理器进行通信，故选用核心终端扩展接口即可。

作为更进一步的解决方案，所述扩展模组还设置有DC-DC冲放一体模块；所述DC-DC冲放一体模块包括型号为IP5306的充放电管理芯片、充电电池和充放电外围电路；所述充放电管理芯片包括VIN端、LED1端、LED2端、LED3端、VOUT端、SW端、BAT端、KEY端和EP端。

具体的，所述充放电外围电路包括若干发光二极管、若干电阻、若干电容、缓冲电路、开关电路、充电电路和滤波电路；所述LED1端与LED3端之间并联有两个发光二极管，且呈相反极性连接；所述LED2端与LED3端之间并联有两个发光二极管，且呈相反极性连接；所述VIN端外接5V直流输入电；在VIN端与地之间还设置有缓冲电路，所述缓冲电路包括电容C29、电容C30、电阻R31、电阻R6和5VLED；所述电容C29接在VIN端与地之间；所述电容C30和电阻R31串连后接在VIN端与地之间；所述电阻R6和5VLED串连后接在VIN端与地之间。

更加具体的，所述KEY端接开关电路；所述开关电路包括电阻R30和按压开关SW；所述电阻R30和按压开关SW串连后接地。

所述SW端与BAT端接充电电路；所述充电电路包括电阻R35、电容C28、电容C27、MOS管Q6、电感L1、正极充电端BAT+和负极充电端BAT-；所述SW端连接电感L1的一端；所述BAT端连接电容C28后接地；所述电感L1的另一端分别连接电阻R35、电容C27和正极充电端BAT+；所述阻R35的另一端接在BAT端上；所述电容C27的另一端接地；所述MOS管Q6的S极接地，G极接SW端，D极接负极充电端BAT-。

所述VOUT端接滤波电路，所述滤波电路包括电容C1、电容C2、电容C23、电容C24和二极管D2，所述电容C1、电容C2、电容C23和电容C24并联在VOUT端与地之间；所述二极管D2的正极接VOUT端，负极作为DC-DC冲放一体模块的5V直流输出端。

需要说明的是：本实施例将扩展模组集了DC-DC冲放一体模块，使整个模组可以离机使用；此外，DC-DC冲放一体模块还能为核心终端提供稳定的5V直流电源，解决了电源稳定性的问题；通过设置充电电池，还能在没有外接电源的情况下保证装置正常工作一定时间。

作为更进一步的解决方案，所述双面PCB板与扩展PCB板采用相同尺寸的矩形板，并在四角做圆角处理；所述双面PCB板与扩展PCB板四角对应位置分别开设有连接孔；所述双面PCB板与扩展PCB之间设置有四个连接柱，所述连接柱两端分别开设有螺纹孔，并通过螺丝与连接孔配合，将连接柱两端固定在双面PCB板与扩展PCB板上。

需要说明的是：做圆角处理主要是避免尖锐直角划伤使用者，双面PCB板与扩展PCB板采用相同尺寸的矩形板主要是为了两者可以通过连接柱叠加为一体；增加装置的集成度；方便使用者将装置搭载在其他物品上，解决分散设计容易丢失的问题。

作为更进一步的解决方案，所述连接柱是铜连接柱；所述连接孔与铜连接柱接触部位上还设置有环形导电触点；所述供电单元外接的直流DC电源通过DC-DC冲放一体模块的5V直流输出端进行提供，并通过铜连接柱电性连接；所述扩展PCB板上的环形导电触点分别接5V直流输出端或地；所述双面PCB板上的环形导电触点分别与供电单元的正极输入端或负极输入端电性连接。

需要说明的是：铜连接柱能起到输送电能的作用，能使DC-DC冲放一体模块向核心终端提供稳定的5V直流电能，这样的设计能减少布线，使装置整体简洁实用；在将核心终端和扩展模组搭载在一起时，便一同解决了供电问题，减少青少年使用者的操作步骤，从而避免误操作带来的相关问题。

作为更进一步的解决方案，所述扩展PCB板上还开设有四个乐高孔，并能通过乐高孔与乐高插销配合将扩展PCB板安装在乐高积木上。

需要说明的是：乐高积木具备多样的组合变化，能实现不同的外部结构；将扩展模组与乐高积木适配能极大地增加装置的实用性；青少年使用者能在乐高积木上发挥自己的想象；创造发明不同的物品，并通过微型电脑装置来实现硬件控制；极大地增加了可创造性，从而激发青少年学习者的学习兴趣，使学习过程更加快乐有趣。

作为更进一步的解决方案，如图7至图24所示，所述稳压电路为基于AMS1117-3.3稳压器的三端稳压电路；所述USB通信模块是基于TYPEC-304-BCP16模块的USB输入口电路；所述WIFI通信模块是基于ESP32-S2-WROOM模块的ESP32主控电路；所述显示模块通过型号为69IPS圆角LCD屏进行设置；所述麦克风模块通过SMD极体电容传声器进行设置；所述光线传感模块通过光敏电阻进行设置；所述姿态传感模块通过三轴加速度芯片进行设置；所述温湿度传感模块的通过型号为SHT30-DIS-B的温湿度传感器进行设置；所述外部存储器模块通过型号是XKTF-0803-0的SD卡读取卡座进行设置；所述蜂鸣器模块通过SMD电磁无源蜂鸣器进行设置；所述指示灯模块通过全彩RGB灯进行设置；所述排线连接器A与排线连接器B通过20PinFPC排线连接器进行设置；所述复位及控制模块包括复位按键和控制按键，并分别通过TS-1010A-B轻触开关进行设置；所述触摸控制模块包括若干触控点和型号为BS818A-2触控芯片；所述触控点设置在前端面板的下沿处。

作为更进一步的解决方案，所述供电单元还设置有外接供电口，所述外接供电口通过M3鳄鱼夹供电口进行设置。

作为更进一步的解决方案，所述MCU处理器使用Xtensa LX7单核32位微处理器进行部署，并支持Scratch图形化编程、Python编程、Win/MAC操作系统、USB烧写和拖放上传代码功能。

需要说明的是：本实施例硬件集成度高，硬件成本低廉，可扩展性强，无须青少年使用者进行复杂的布线就能实现创造发明，从而降低了学习门槛，同时与乐高积木适配能增加学习的乐趣和创造的多样性，此外，本实施MCU处理器使用Xtensa LX7单核32位微处理器能适配不同的编程语言和不同的操作系统，并支持USB烧写和拖放上传代码功能，从而使装置的可扩展性和适用性进一步增强，能运用于各类发明创造中。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。