Őrült áramkörök: nyílt forráskódú elektronikai tanulási rendszer: 8 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:42

Szerző: BrownDogGadgetsBrownDogGadgets

Névjegy: Korábban középiskolai természettudományokat tanítottam, de most saját online oktatástudományi weboldalt üzemeltetem. Napjaimat azzal töltöm, hogy új projekteket tervezek a diákok és a készítők számára. További információ a BrownDogGadgets -ről »

Az oktatási és otthoni piacot elárasztják a moduláris elektronika „tanulási” rendszerei, amelyek célja, hogy megtanítsák a gyerekeknek és felnőtteknek a legfontosabb STEM és STEAM fogalmakat. Az olyan termékek, mint a LittleBits vagy a Snapcircuits, úgy tűnik, uralják az összes ünnepi ajándék útmutatót vagy szülői blogot az oktatási játékok számára. Ezekhez a rendszerekhez azonban mindig tetemes árcédula tartozik, és sokan inkább játéknak érzik magukat, mint tanulási eszközöknek.

Körülbelül három évvel ezelőtt kezdtük el tervezni az őrült áramköröket alacsony költségű, újrafelhasználható, moduláris, forrasztásmentes, szórakoztató rendszerként, amely tényleges tanulási eszközként használható. Szerettünk volna valamit, amit a szülők és a tanárok könnyen integrálhatnak a már meglévő készleteikkel vagy olcsón a polc alkatrészeiből. Valamit a Maker közösségnek és az átlagos felnőtteknek egyaránt.

Végül a Crazy Circuits volt minden, amit reméltünk, és még sok más. A rendszer hibátlanul működött minden LEGO -alapú környezettel, könnyen használható vezetőképes szállal varráshoz, és könnyen méretezhető az egyszerű áramköröktől az alapvető programozásig. Ja, és szórakoztató volt használni, ami megkönnyítette az életünket.

Ebben az írásban megmutatjuk, hogyan terveztük meg a Crazy Circuits komponenseit, a tananyagunkat, hogyan készíthet és tervezhet saját alkatrészeket, és hogyan működik a Crazy Circuits más rendszerekkel.

Teljes körű közzététel: Őrült áramkörök alkatrészeket és készleteket forgalmazunk, azonban könnyen használhatja nyílt forráskódú fájljainkat saját tábláinak elkészítéséhez vagy saját alkatrészeinek tervezéséhez. Ezt a rendszert mindenféle dologra használhatja, és soha egyetlen fillért sem küldhet nekünk.

Ajándékozzon: 2019 -ben valami újat próbálunk ki. Ingyenes alkatrészeket és készleteket ajándékozunk azoknak az embereknek (csak az Egyesült Államok lakói), akik követnek bennünket az oktatóanyagokon, a facebookon, az instagramon és a youtube -on. Valószínűleg néhány teljes készletet, kész alkatrészeket és üres NYÁK -okat adunk át. Csak kövess, vagy iratkozz fel, és elkezdünk ajándékokat adni.

1. lépés: Filozófia az őrült áramkörök mögött

Amikor tanár voltam, nagyon bosszantott, hogy nem engedhetem meg magamnak az elegáns elektronikai rendszereket az osztályteremben, pedig minden tanári konferencia vagy képzés, ahol részt vettem, folyamatosan ajánlotta őket. Csak nem volt költségvetésem egy 100 dolláros készletre, amely öt részből állt, és legjobb esetben három diákot foglalt el öt percig. Végül azt tettem, amit a legtöbb természettudományi tanár, és csak olcsó nyers alkatrészeket vásároltam az eBay -ről és az Amazon -ról, de ehhez sok új óratervezési és tevékenységtervezési munkát kellett elvégeznem. Azt is tapasztaltam, hogy a fiatalabb tanítványaim nehezen tekergették a fejüket a kenyértáblák köré.

Végül sikerült finanszírozást szereznem, hogy megvásároljak néhány LittleBits készletet, amelyeket az iskola utáni tudományos klubommal használhatok. Szórakoztató volt használni őket (és őszintén szólva, egy jól összerakott rendszert), de amikor arra kértem középiskolás diákjaimat, hogy magyarázzák el, hogyan működtek, megkaptam az év kedvenc válaszát: "Nem tudom, mágnesek?". Ezek olyan gyerekek voltak, akik hetekkel korábban bonyolult áramköröket építettek, a LittleBits mégis inkább játék volt, mint bármi más.

Amikor elkezdtünk ötletelni egy moduláris rendszerben, meg akartunk győződni arról, hogy a diákok tisztában vannak azzal, hogy HOGYAN lépnek kölcsönhatásba az alkatrészek, és akkor képesek lesznek párhuzamot vonni a közös részekkel. Azt is tudtuk, hogy valami kenyérsütőhöz hasonló dologra van szükségünk, mégis könnyebb körbecsavarni a fejüket, mint egy valódi kenyérlapra. Azt is szórakoztatóvá és vonzóvá kellett tennünk.

Kihívás elfogadva!

2. lépés: Miért a LEGO?

"betöltés =" lusta"

Végül ki kellett találnunk, hogyan lehet mindent összekapcsolni. Azonnal úgy döntöttünk, hogy utáljuk a drótok és az aligátor klipek ötletét; elvett minden egyszerűségétől. Szerettünk vezetőképes szalagot használni, de a rézfólia szalagot lehetetlen volt használni. Levehetnénk a szalagot, de nem jönne fel újra. Még vezetőképes szálat is próbáltunk használni, de ezt lehetetlennek bizonyult ellenőrizni. Miután sok órát töltöttünk a Skype -on, Kínában egy szalaggyárral, készítettünk néhány egyedi Nylon Conductive Tape -t (Maker Tape), amely elég erős volt ahhoz, hogy újra lehúzódjon, de elég olcsó ahhoz, hogy versenyképes legyen a közönséges rézfólia szalaggal.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a műhelyünkben nagyon sok különböző méretű lyukakkal rendelkező teszt -PCB -k ültek, gyorsan találtunk olyan méretközöket, amelyek lehetővé tették a nyomás illeszkedését a nylon vezetőképes szalag használatával. Ily módon a diákoknak egy adott helyen kellett befejezniük a kazettát: ténylegesen időt kellett szánniuk és meg kellett tervezniük az áramkört. Ez a szempont lehetővé tette számunkra, hogy az őrült áramköröket tanulási eszközzé alakítsuk, ne csak játékszerré.

Az 1/8 hüvelykes szalag használatának az a furcsa oldala is volt, hogy lehetővé tette két rétegű áramkörök használatát. Általában a szalagot a LEGO csapok tetejére fektetnénk, de az 1/8 hüvelykes szalag tökéletesen működött a LEGO csapok között. Az emberek mindenféle bonyolult áramkört készíthettek a LEGO szalagjaival. (Bár kissé kínos. Ha más nem, akkor lehetővé tette a diákok számára, hogy csak egy kis erőfeszítéssel „ugorjanak” egy meglévő vonalra.)

Az alapvető példaáramkör kapcsolót, elemtartót és LED -et használhat. Minden alkatrészünkhöz fehér selyemszitát használtunk a GND (negatív) oszlopok kijelölésére, a színes oldalát pedig a pozitív pólusok jelzésére. A fenti videó bemutatja, hogyan készítek egy egyszerű áramkört. Fektesse le a szalagot, nyomja rá az alkatrészekre, és adjon hozzá energiát.

5. lépés: Vezető szál

A tesztelés során rájöttünk, hogy a vezető szál nagyon jól működik az alkatrészeinkkel. Kiderült, hogy a nagy rézbevágott lyukak valóban megkönnyítették a vezetést. Néhány tesztelőnk inkább az alkatrészeinkkel való varrást részesítette előnyben, mint a LEGO -val való használatát.

Ha még soha nem használt vezetőképes szálat, akkor próbálja ki! Ez tipikusan acél/ nylon szál, amely elég jól vezet. A kézi varrás nagyon egyszerű, és az alkatrészek felvarrása nem bonyolultabb, mint egy gomb felvarrása. Még odáig is eljutottunk, hogy bonyolult interaktív ingeket készítünk egy Arduino segítségével. A vezetőképes varrás szép része az, hogy ha nagyon utálod a projektedet, akkor mindig le tudod venni az alkatrészeket, és másra használhatod fel őket.

A gyerekeknek szóló „go to” tevékenységünk az, hogy egy gombnyomó karkötőt készítsenek egy LED, egy elemtartó és egy csattanó segítségével. A pattanások a karkötő végére kerülnek, és az áramkör befejezésére szolgálnak. Összeállítottunk egy szép nyomtatható PDF -t, ha valaki műhelyekhez vagy otthoni tevékenységekhez szeretné használni.

6. lépés: Vezető tinták és tészták

Kezdetben halottak voltunk azon, hogy alkatrészeinket vezető tintákkal működtessük. Ez csak részben működött.

Csupasz vezetőképes tinta

Ez a vezető tinta nagyon hasonlít a puffadt festékhez. Könnyen festhető bármilyen felületre, meglehetősen olcsó és vízzel mosható a könnyű tisztítás érdekében. A hátránya, hogy a grafit nem túl vezetőképes, és valóban mindennél jobban működik, mint egy nagy ellenállás. Nem volt gondunk az őrült áramkörök alkatrészeihez való csatlakoztatással, mivel a tintafoltok kiszáradhattak a NYÁK -on, de problémáink voltak az áramkör biztonságos mozgatásával.

Végül azt használtuk, hogy kapacitív festék "érintési pont" legyen az Arduino -kompatibilis Teensy LC tábláinkhoz. Szalagot futtatunk a NYÁK -ról a festékfoltokra, majd az emberek megérintik a festéket. Ez mindenféle szórakoztató sablont, falzongorát vagy interaktív művészeti projektet tesz lehetővé.

Circuit Scribe

Ez a vezető tinta ugyanúgy működik, mint egy ezüst gél toll, csak rendkívül vezető nyomokat hagy maga után a papíron. A tinta előnye, hogy a nyomok rendkívül vezetőképesek, és úgy viselkednek, mint egy igazi toll. Hátránya, hogy a tollak drágák, hajlamosak kiszáradni, és valahogy le kell szorítani az alkatrészeket a papírra, hogy szilárd kapcsolatot lehessen létrehozni.

Eredetileg egyedi mágneseket készítettünk, amelyek beleférnek a LEGO lyukainkba. A GitHub Repo tele van régi alkatrészekkel, amelyek "mágnes -kompatibilis" címkével vannak ellátva. A végeredmény eltalált, és rájöttünk, hogy az elektronikai alkatrészek rossz verzióit készítettük, amelyeket a Circuit Scribe már készített. Az egyetlen előny a nagyobb Arduino -alapú projektek készítése volt, mivel a Circuit Scribe nem állít elő Arduino -táblákat, de a túl sok mágnes egymás mellé helyezése saját problémákat okozott.

Rájöttünk arra is, hogy bármit is csinálunk ezzel a festékkel, sokkal jobban meg tudjuk csinálni a vezető szalagot.

Squishy Circuits Dough - AKA Conductive Dough

Mindig azt találtam, hogy ez egy kiváló tanulási eszköz az alapvető elektronika oktatására fiatalabb diákokkal. A tészta előnye, hogy rendkívül szórakoztató, különösen süteményvágókkal. A hátránya, hogy kiszárad (mint minden tészta), és nagyon ellenálló.

Hajlamosak vagyunk a tésztát ugyanúgy használni, mint a csupasz konduktív festéket, mint érintőpontot kapacitív érintési projektekhez. Szórakoztató elemet ad a keverékhez. Ezenkívül, ha igazán nagy lapos tésztát készít, a teste reagálni fog az áramkörrel, mielőtt megérinti. Néha akár egy centire is. Mindig szórakoztató nézni, ahogy az emberek megpróbálják kitalálni, miért történik ez.

7. lépés: Arduino, Raspberry Pi, Micro: Bit és vezeték nélküli alaplapok

Röviden nézze meg GitHub Repo-t, és látni fogja, hogy sok nagy PCB-t kínálunk, amelyek számos népszerű mikrovezérlővel működnek. Az egyik legfőbb panaszunk a sok építési rendszerrel kapcsolatban az volt/ van, hogy az embereket egy megfelelő programozási rendszer használatába bocsátják, vagy csak egy platform használatát teszik lehetővé. Mivel a hardver és a szoftver folyamatosan fejlődött, furcsanak tűnt az emberek bezárása vagy néhány év elteltével az alkatrészek kidobása.

A legnyilvánvalóbb választás egy Arduino Nano -val (amely a mi Robotikai Táblánk lett) a kis méret és ár miatt. Ez tökéletes programozási projektek széles skálájához, például fényeffektusokhoz vagy esztergáló szervókhoz. Úgy döntöttünk, hogy egy Teensy LC -t használó, funkciókban gazdag változatot is készítünk, elsősorban a kapacitív érintési képességek érdekében. A Teensy LC (Invention Board) szintén rendelkezik néhány szép billentyűzetemulációs funkcióval, és gyorsan elkészítettünk néhány szórakoztató játékvezérlőt. Tavaly még készítettünk egy óriási LEGO NES vezérlőt, és közzétettük az Instructables oldalán.

A programozás szórakoztató, de nem mindenki szeretné átvészelni a gondokat. Összeállítottunk egy táblát, amelyet egy előre programozott ATtiny85 chip köré terveztünk, amely csak villogást és halványítást eredményez. Gyártási verziónk SMT alkatrészeket használ, de talál egy átmenő lyukú változatot a Repo -ban. Jól jönnek kisebb projektekhez, mint például egy csúnya karácsonyi ing vagy néhány csillogó csillag.

Egy dolgot elhanyagoltunk, hogy felcsiszoljuk a Raspberry Pi Zero és a Micro: Bit táblákat. Általában szeretjük a Micro: Bit -et és a körülötte kialakult közösséget. Ami a Raspberry Pi Zero táblát illeti, szó szerint fogalmunk sincs, mit kezdjünk vele. Komolyan, csináljon valaki valami érdekeset vele, és küldünk néhány alkatrészt.

Az a furcsa ötletünk is volt, hogy megpróbálunk összeállítani néhány vezeték nélküli projektet. Mi csak együtt a Particle Photon Board, néhány Adafruit Feather Board és a közös NodeMCU tábla táblái. Ugyanazt az alapkonstrukciót vettük alapul, mint a Nano PCB -t.

8. lépés: Jövőbeli tervek?

Jelenleg az alkatrészek harmadik gyártási szakaszának közepén járunk, eladásaink nagy része iskolákba, könyvtárakba és a Maker Spaces -be kerül. Sok szilárd visszajelzést kaptunk minden korosztály felhasználóitól, ami segített a jobb alkatrészek tervezésében.

Tanterv

Az egyik leggyakoribb kérés az osztályteremre kész tananyag. A projektek elkészítése egyszerű; a diákok és a tanárok számára hat hetes forrás biztosítása nehezebb. Március végéig közzétesszük honlapunkon az első tantervi tervezetünket, bárki számára ingyenesen. Két sávunk lesz, az egyik az alapvető áramkörhöz, a másik az alapvető programozáshoz. Mindkettő a Crazy Circuits alkatrészeink középpontjában fog állni, de könnyen módosíthatók a polcrészek használatához.

További gyártósor alkatrészek

Jelenleg új alkatrészekre vonatkozó kéréseket fogadunk. A folyamat lassú, de szeretnénk néhány új darabot hozzáadni a kínálatunkhoz az év végén. Remélhetőleg képesek leszünk előállítani néhány potenciométert és NeoPixel komponenst, és elkezdhetjük hozzáadni őket a készleteinkhez. Volt szerencsénk néhány lelkes rajongóval, akik megtervezték saját alkatrészeiket és megosztották velünk, és reméljük, hogy a jövőben még többen fognak.

Elkötelezettség a nyílt forráskód mellett

Úgy tűnhet, mintha egy döglött lovat vernénk, de nagyon szeretjük, ha az összetevőink nyílt forráskódúak. Továbbra is bővítjük a projekt erőforrásait, tantervét és tervezési fájljait. Nagyon reméljük, hogy a zaj és a haladó felhasználók is elkezdhetik saját alkatrészek létrehozását vagy módosítását új projektekhez.

Második díj a PCB versenyen