Nora vezja: odprtokodni učni sistem elektronike: 8 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Avtor BrownDogGadgetsBrownDogGadgetsSledi Več avtorja:

O: Včasih sem poučeval znanost v srednji šoli, zdaj pa vodim svojo spletno spletno stran o izobraževalni znanosti. Dneve porabim za oblikovanje novih projektov za študente in ustvarjalce. Več o BrownDogGadgets »

Izobraževalni in domači trg je preplavljen z modularnimi sistemi "učenja" elektronike, ki so namenjeni poučevanju otrok in odraslih ključnih konceptov STEM in STEAM. Zdi se, da izdelki, kot sta LittleBits ali Snapcircuits, prevladujejo v vsakem vodniku za praznična darila ali starševskem blogu za izobraževalne igrače. Vendar pa imajo ti sistemi vedno priloženo veliko ceno in mnogi se počutijo bolj kot igrače kot učna orodja.

Pred približno tremi leti smo začeli oblikovati Crazy Circuits kot poceni, za večkratno uporabo, modularni, brez spajkanja, zabaven sistem, ki bi ga lahko uporabili kot dejansko učno orodje. Želeli smo nekaj, kar bi starši in učitelji zlahka integrirali s kompleti, ki so jih že imeli, ali poceni izven polic. Skupnost ustvarjalcev in povprečna odrasla oseba.

Na koncu smo bili Crazy Circuits vse, na kar smo upali in še več. Sistem je brezhibno deloval s katerim koli okoljem, ki temelji na LEGO, zlahka ga je bilo mogoče uporabiti s prevodnimi nitmi za šivanje in ga je enostavno prilagoditi iz preprostih vezij navzgor z osnovnim programiranjem. Oh, zabavno je bilo tudi uporabljati, kar nam je olajšalo vse življenje.

V tem zapisu vam bomo pokazali, kako smo oblikovali komponente Crazy Circuits, naš učni načrt, kako lahko izdelujete in oblikujete svoje dele ter načine, kako Crazy Circuits deluje z drugimi sistemi.

Popolno razkritje: Dela in komplete Crazy Circuits prodajamo, vendar lahko preprosto uporabite naše odprtokodne datoteke, da sestavite svoje plošče ali oblikujete svoje dele. Ta sistem lahko uporabite za vse vrste stvari in nam nikoli ne pošljete niti centa.

Give Aways: V letu 2019 poskušamo nekaj novega. Brezplačne dele in komplete podarjamo ljudem (samo za prebivalce ZDA), ki nas spremljajo na navodilih, facebooku, instagramu in youtubu. Najverjetneje bomo podarili nekaj kompletov, končnih delov in praznih tiskanih vezij. Samo sledite ali se naročite in začeli bomo razdajati stvari.

Korak 1: Filozofija za norimi vezji

Ko sem bil učitelj, me je res motilo, da si za učilnico ne morem privoščiti elegantnih elektronskih sistemov, čeprav sem jih vsako učiteljsko konferenco ali vložek vedno priporočal. Preprosto nisem imel proračuna za komplet v vrednosti 100 USD, ki je prišel s petimi deli in bi v najboljšem primeru tri študente zaposlil pet minut. Na koncu sem naredil tisto, kar počne večina učiteljev naravoslovja, in pravkar sem kupil poceni surove dele pri eBayu in Amazonu, a to je zahtevalo, da sem naredil veliko novih načrtovanj lekcij in načrtovanja dejavnosti. Ugotovil sem tudi, da so si moji mlajši učenci težko ovijali glavo.

Sčasoma sem lahko dobil nekaj sredstev za nakup nekaj kompletov LittleBits za uporabo v mojem znanstvenem klubu po šoli. Uporabljati jih je bilo zabavno (in če sem iskren, dobro sestavljen sistem), toda ko sem srednješolce vprašal, naj pojasnijo, kako delajo, sem prejel najljubši odgovor leta "Ne vem, magneti?". To so bili otroci, ki so nekaj tednov prej gradili nekaj zapletenih vezij, vendar je LittleBits prišel bolj kot igrača kot karkoli drugega.

Ko smo začeli razmišljati o modularnem sistemu, smo želeli zagotoviti, da so se študentje zavedali, kako delujejo deli, nato pa lahko potegnejo vzporednice s skupnimi deli. Vedeli smo tudi, da potrebujemo nekaj podobnega, kot je načrt, vendar ga je lažje ovijati kot dejansko ploščo. Prav tako smo morali biti zabavni in privlačni.

Izziv sprejet!

2. korak: Zakaj LEGO?

"loading =" leni"

Nazadnje smo morali ugotoviti, kako vse skupaj povezati. Takoj smo se odločili, da sovražimo idejo o žicah in aligatorskih sponkah; odvzelo je preprostost vsega. Radi smo uporabljali prevodni trak, vendar traku iz bakrene folije ni bilo mogoče uporabiti. Lahko bi sneli trak, vendar se ne bi več vrnil. Poskušali smo celo uporabiti prevodni navoj, vendar se je to izkazalo za nemogoče nadzorovati. Po dolgih urah po Skypeu s tovarno trakov na Kitajskem smo izdelali nekaj najlonskega prevodnega traku (Maker Tape), ki je bil dovolj močan, da se je spet odlepil, a hkrati dovolj poceni, da je lahko konkurenčen običajnemu traku iz bakrene folije.

Zahvaljujoč dejstvu, da smo v delavnici imeli veliko preskusnih tiskanih vezij z luknjami različnih velikosti, smo hitro našli najmanjši razmik, ki nam je omogočil, da smo z najlonskim prevodnim trakom prilagodili pritisk. Na ta način so morali učenci svoj trak končati na določenem mestu: dejansko so si morali vzeti čas in oblikovati svoje vezje. Ta vidik nam je omogočil, da smo Crazy Circuits spremenili v učno orodje, ne le v igračo.

Uporaba 1/8 -palčnega traku je imela tudi čudno stransko prednost, saj je omogočila dvoslojna vezja. Običajno bi trak položili na VRH LEGO čepkov, a 1/8 -palčni trak je odlično deloval tudi za MED LEGO čepki. Ljudje bi lahko s pomočjo traku na LEGO naredili vse vrste zapletenih vezij. (Čeprav nekoliko nerodno. Če nič drugega, je študentom omogočilo, da z malo truda "skočijo" na obstoječo črto.)

Osnovni primer vezja lahko uporablja stikalo, nosilec baterije in LED. Za vse naše dele smo uporabili presejanje iz bele svile za označevanje polov GND (negativno) in obarvano stran za označevanje pozitivnih polov. Zgornji videoposnetek prikazuje, kako naredim preprosto vezje. Položite trak, pritiskajte na dele, dodajte moč.

5. korak: Prevodna nit

Med preskušanjem smo odkrili, da prevodna nit deluje zelo dobro z našimi deli. Izkazalo se je, da so velike luknje iz bakrenih plošč zelo olajšale prevodno šivanje. Nekateri naši preizkuševalci so raje šivali naše dele, namesto da bi jih uporabljali z LEGO.

Če še nikoli niste uporabljali prevodne niti, poskusite! Običajno je to jeklena/ najlonska nit, ki dobro prevaja. Ročno šivanje z njim je precej enostavno, prišiti dele pa ni nič težje kot prišiti gumb. Šli smo celo tako daleč, da smo z Arduinom izdelovali zapletene interaktivne srajce. Lepo pri prevodnem šivanju je, da če res sovražite svoj projekt, lahko vedno odstranite dele in jih uporabite za kaj drugega.

Naša dejavnost »pojdi na« za otroke je, da naredijo zapestnico na gumb, ki uporablja LED, nosilec baterije in komplet zaponk. Posnetki gredo na konec zapestnice in se uporabljajo za dokončanje vezja. Če ga kdo želi uporabiti za delavnice ali domače dejavnosti, smo sestavili lep PDF za tiskanje.

6. korak: Prevodna črnila in testo

Na začetku smo bili pripravljeni delati s prevodnimi črnili. To je delovalo le delno.

Golo prevodno črnilo

To prevodno črnilo je precej podobno napihnjeni barvi. Barvanje je enostavno na katero koli površino, je precej poceni in se lahko pere v vodi za enostavno čiščenje. Slaba stran je, da grafit ni zelo prevoden in res deluje kot velik upor bolj kot karkoli drugega. Pri povezovanju z deli norega vezja nismo imeli nobenih težav, saj bi lahko črnilne madeže posušili na tiskanih vezjih, vendar smo imeli težave pri varnem premikanju energije po tokokrogu.

Na koncu smo ga uporabili za kapacitivno "dotično točko" barve za naše plošče Teensy LC, združljive z Arduino. Trak položimo iz tiskanega vezja do madežev barve, nato pa se ljudje dotaknejo barve. To omogoča vse vrste zabavnih šablon, stenskih klavirjev ali interaktivnih umetniških projektov.

Circuit Scribe

To prevodno črnilo deluje tako kot srebrno gel pero, le da za seboj pušča izjemno prevodne sledi. Prednost tega črnila je, da so sledovi izjemno prevodni in deluje kot pravo pero. Slaba stran je, da so peresa draga, ponavadi se izsušijo, zato morate svoje dele nekako pritrditi na papir, da vzpostavite trdno povezavo.

Prvotno smo izdelali nekaj magnetov po meri, ki so se prilegali skozi naše luknje LEGO. Naš GitHub Repo je poln starejših delov, ki so označeni kot "kompatibilni z magneti". Končni rezultat je bil hit ali zgrešen in spoznali smo, da smo nekako samo naredili slabe različice elektronskih delov, ki jih je Circuit Scribe že izdelal. Edina korist je bila pri izdelavi večjih projektov na osnovi Arduina, saj Circuit Scribe ne proizvaja nobenih plošč Arduino, vendar je preveč magnetov blizu skupaj povzročilo lastne težave.

Zavedali smo se tudi, da lahko vse, kar počnemo s tem črnilom, naredimo s prevodnim trakom veliko bolje.

Squishy Circuits Dough - AKA prevodno testo

Vedno se mi je zdelo to odlično učno orodje za poučevanje osnovne elektronike z mlajšimi učenci. Prednost testa je, da je zelo zabaven, še posebej z modelčki za piškote. Slaba stran je, da se posuši (kot vsako testo) in je tudi zelo uporen.

Testo uporabljamo na enak način kot golo prevodno barvo kot dotično točko pri kapacitivnih projektih na dotik. Mešanici doda zabaven element. Poleg tega, če naredite resnično velik kos testa, bo vaše telo reagiralo s tokokrogom, preden se ga dotaknete. Včasih do palca stran. Vedno je zabavno gledati ljudi, ki poskušajo ugotoviti, zakaj se to dogaja.

7. korak: Arduino, Raspberry Pi, Micro: Bit in brezžične plošče

Na hitro poglejte naš GitHub Repo in videli boste, da imamo veliko velikih PCB-jev, ki so zasnovani za delo s številnimi priljubljenimi mikrokrmilniki. Ena naših glavnih pritožb glede veliko gradbenega sistema je bila/ je, da ljudi privabljajo v uporabo ustreznega sistema za programiranje ali pa vam dovoljujejo uporabo samo ene platforme. Ker se strojna in programska oprema nenehno razvijata, se je zdelo čudno, da bi ljudi zaprli ali jih po nekaj letih zavrgli.

Najbolj očitna izbira za začetek z Arduino Nano (ki je postal naš odbor za robotiko) zaradi majhnosti in cene. To je bilo kot nalašč za široko paleto programerskih projektov, kot so svetlobni učinki ali obračanje servomotorjev. Odločili smo se, da bomo s Teensy LC izdelali tudi bolj bogato različico, predvsem za kapacitivne zmogljivosti na dotik. Teensy LC (Invention Board) ima tudi nekaj lepih funkcij za posnemanje tipkovnice in z njim smo hitro ustvarili nekaj zabavnih krmilnikov iger. Lani smo celo naredili velikanski krmilnik LEGO NES in ga objavili na Instructables.

Programiranje je zabavno, vendar ne želijo vsi iti skozi težave. Sestavili smo ploščo, zasnovano okoli vnaprej programiranega čipa ATtiny85, ki samo utripa in zbledi. Naša produkcijska različica uporablja dele SMT, vendar boste v našem Repo našli različico z luknjami. Pridejo prav pri manjših projektih, kot je na primer grda božična majica ali kakšna utripajoča zvezda.

Ena stvar, ki smo jo zanemarili, je poliranje plošč Raspberry Pi Zero in Micro: Bit. Na splošno so nam Micro: Bit in skupnost, ki je nastala okoli njega, všeč. Kar se tiče naše plošče Raspberry Pi Zero … dobesedno nimamo pojma, kaj z njo narediti. Resno, nekdo bo z njim naredil nekaj zanimivega in poslali vam bomo nekaj delov.

Imeli smo tudi čudno idejo, da bi poskušali sestaviti nekaj brezžičnih projektov. Skupaj smo združili plošče za foton plošče iz delcev, nekaj plošč iz perja Adafruit in skupno ploščo NodeMCU. Zasnovali smo jih na isti osnovni zasnovi kot naša Nano PCB z vrsto zatičev na zadnji strani.

8. korak: Prihodnji načrti?

Trenutno smo sredi tretje proizvodnje delov, večina naše prodaje gre v šole, knjižnice in Maker Spaces. Od uporabnikov vseh starosti smo prejeli veliko trdnih povratnih informacij, ki so nam pomagale oblikovati boljše dele.

Učni načrt

Ena najpogostejših zahtev je bila učni program, pripravljen za učilnice. Sestavljanje projektov je preprosto; šest tednov virov za učence in učitelje je težje. Konec marca bomo na naši spletni strani objavili prve osnutke učnih načrtov, ki jih bodo lahko uporabljali vsi. Imeli bomo dve skladbi, eno za osnovno vezje in eno za osnovno programiranje. Oba bosta osredotočena na naše dele Crazy Circuits, vendar jih je mogoče zlahka spremeniti tako, da se bodo uporabljali zunaj polic.

Več delov proizvodnih linij

Trenutno sprejemamo zahteve za nove dele. Postopek je počasen, vendar želimo v svojo ponudbo za letos dodati nekaj novih kosov. Upajmo, da nam bo uspelo izdelati nekaj potenciometrov in komponent NeoPixel ter jih začeti dodajati v naše komplete. Imeli smo srečo, da smo imeli nekaj navdušenih oboževalcev, ki so oblikovali svoje komponente in jih delili z nami, in upamo, da jih bo v prihodnje še več.

Zavezanost odprtokodnemu programu

Morda se sliši, kot da premagamo mrtvega konja, vendar nam je zelo všeč, da so naše komponente odprtokodne. Še naprej bomo dodajali v svoje projektne vire, učne načrte in oblikovalske datoteke. Resnično upamo, da bodo tako noice kot napredni uporabniki lahko začeli ustvarjati lastne dele ali jih spreminjati za nove projekte.

Druga nagrada na natečaju PCB