Crazy Circuits: an Open Source Electronics Learning System: 8 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Από BrownDogGadgetsBrownDogGadgetsΑκολουθήστε περισσότερα από τον συγγραφέα:

Σχετικά: Παλιά δίδασκα επιστήμες στο γυμνάσιο, αλλά τώρα διαχειρίζομαι τον δικό μου διαδικτυακό ιστότοπο εκπαιδευτικών επιστημών. Περνάω τις μέρες μου σχεδιάζοντας νέα έργα για φοιτητές και κατασκευαστές. Περισσότερα για το BrownDogGadgets »

Η αγορά της εκπαίδευσης και του σπιτιού πλημμυρίζει από αρθρωτά συστήματα «μάθησης» ηλεκτρονικών που έχουν σχεδιαστεί για να διδάσκουν σε παιδιά και ενήλικες βασικές έννοιες STEM και STEAM. Προϊόντα όπως τα LittleBits ή τα Snapcircuits φαίνεται να κυριαρχούν σε κάθε οδηγό δώρων διακοπών ή σε ένα γονικό ιστολόγιο για εκπαιδευτικά παιχνίδια. Ωστόσο, αυτά τα συστήματα συνοδεύονται πάντα από μια υψηλή τιμή και πολλά μοιάζουν περισσότερο με παιχνίδια παρά ως εργαλεία εκμάθησης.

Πριν από περίπου τρία χρόνια ξεκινήσαμε να σχεδιάζουμε το Crazy Circuits ως σύστημα χαμηλού κόστους, επαναχρησιμοποιήσιμο, αρθρωτό, μη κολλητικό, διασκεδαστικό, το οποίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ένα πραγματικό εργαλείο εκμάθησης. Θέλαμε κάτι που οι γονείς και οι δάσκαλοι θα μπορούσαν να ενσωματώσουν εύκολα με κιτ που είχαν ήδη ή φθηνά από τα εξαρτήματα του ραφιού. Κάτι για να απολαύσει τόσο η Κοινότητα δημιουργών όσο και ο μέσος ενήλικας.

Στο τέλος τα Crazy Circuits ήταν όλα όσα ελπίζαμε και περισσότερο. Το σύστημα λειτούργησε άψογα με οποιοδήποτε περιβάλλον βασισμένο στο LEGO, θα μπορούσε εύκολα να χρησιμοποιηθεί με αγώγιμο νήμα για ράψιμο και εύκολα να κλιμακωθεί από απλά κυκλώματα μέχρι τον βασικό προγραμματισμό. Ω, και ήταν διασκεδαστικό να το χρησιμοποιούμε και αυτό έκανε τη ζωή μας πιο εύκολη.

Σε αυτό το άρθρο θα σας δείξουμε πώς σχεδιάσαμε τα στοιχεία των Crazy Circuits, το πρόγραμμα σπουδών μας, πώς μπορείτε να φτιάξετε και να σχεδιάσετε τα δικά σας μέρη και τρόπους με τους οποίους το Crazy Circuits λειτουργεί με άλλα συστήματα.

Πλήρης αποκάλυψη: Πουλάμε εξαρτήματα και κιτ Crazy Circuits, ωστόσο μπορείτε εύκολα να χρησιμοποιήσετε τα αρχεία ανοιχτού κώδικα για να φτιάξετε τους δικούς σας πίνακες ή να σχεδιάσετε τα δικά σας ανταλλακτικά. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτό το σύστημα για κάθε είδους πράγματα και να μην μας στείλετε ποτέ ούτε μια δεκάρα.

Give Aways: Δοκιμάζουμε κάτι νέο το 2019. Δίνουμε δωρεάν ανταλλακτικά και κιτ σε άτομα (μόνο οι κάτοικοι των ΗΠΑ) που μας ακολουθούν σε οδηγίες, facebook, instagram και youtube. Πιθανότατα θα δώσουμε μερικά πλήρη κιτ, τελειωμένα εξαρτήματα και κενά PCB. Απλώς ακολουθήστε ή εγγραφείτε και θα αρχίσουμε να χαρίζουμε πράγματα.

Βήμα 1: Φιλοσοφία πίσω από τρελά κυκλώματα

Όταν ήμουν δάσκαλος ήμουν πολύ ενοχλημένος που δεν μπορούσα να αντέξω οικονομικά συστήματα ηλεκτρονικών ειδών για την τάξη μου, παρόλο που κάθε συνέδριο διδασκαλίας ή παροχή υπηρεσιών συνέχιζε να τα προτείνει. Απλώς δεν είχα προϋπολογισμό για ένα κιτ 100 $ που συνοδεύτηκε από πέντε μέρη και στην καλύτερη περίπτωση θα απασχολούσε τρεις μαθητές για πέντε λεπτά. Κατέληξα να κάνω αυτό που κάνουν οι περισσότεροι καθηγητές φυσικών επιστημών και αγόρασα φθηνά ακατέργαστα ανταλλακτικά από το eBay και το Amazon, αλλά αυτό μου επέβαλε να κάνω πολλά νέα μαθήματα προγραμματισμού και σχεδιασμού δραστηριοτήτων. Διαπίστωσα επίσης ότι οι μικρότεροι μαθητές μου δυσκολεύονταν να τυλίξουν το κεφάλι τους γύρω από σανίδες.

Τελικά μπόρεσα να βρω κάποια χρηματοδότηση για να αγοράσω μερικά κιτ LittleBits για χρήση με την επιστημονική λέσχη μετά το σχολείο. Wereταν διασκεδαστικά στη χρήση τους (και για να είμαι ειλικρινής, ένα καλά οργανωμένο σύστημα), αλλά όταν ζήτησα από τους μαθητές του γυμνασίου να μου εξηγήσουν πώς δουλεύουν, έλαβα την αγαπημένη μου απάντηση της χρονιάς "Δεν ξέρω, μαγνήτες;". Αυτά ήταν παιδιά που είχαν φτιάξει μερικά περίπλοκα κυκλώματα εβδομάδες νωρίτερα, αλλά το LittleBits βγήκε περισσότερο σαν παιχνίδι από οτιδήποτε άλλο.

Όταν ξεκινήσαμε να κάνουμε καταιγισμό ιδεών για ένα αρθρωτό σύστημα, θέλαμε να βεβαιωθούμε ότι οι μαθητές γνωρίζουν ΠΩΣ τα μέρη αλληλεπιδρούν και ήταν τότε σε θέση να κάνουν παραλληλισμούς με κοινά μέρη. Γνωρίζαμε επίσης ότι χρειαζόμασταν κάτι παρόμοιο με ένα breadboard, αλλά πιο εύκολο να τυλίξουμε το κεφάλι τους από ένα πραγματικό breadboard. Έπρεπε επίσης να το κάνουμε διασκεδαστικό και ελκυστικό.

Η πρόκληση έγινε δεκτή!

Βήμα 2: Γιατί LEGO;

"φόρτωση =" τεμπέλης"

Τέλος, έπρεπε να καταλάβουμε πώς να τα συνδέσουμε όλα μεταξύ τους. Αποφασίσαμε αμέσως ότι μισούσαμε την ιδέα των καλωδίων και των συνδετήρων αλιγάτορα. αφαιρούσε από την απλότητα των πάντων. Μας άρεσε να χρησιμοποιούμε αγώγιμη ταινία, αλλά η ταινία από φύλλο χαλκού ήταν αδύνατη στη χρήση. Θα μπορούσαμε να κατεβάσουμε την κασέτα, αλλά δεν θα επανέλθει ξανά. Προσπαθήσαμε ακόμη και να χρησιμοποιήσουμε αγώγιμο νήμα, αλλά αυτό αποδείχθηκε αδύνατο να ελεγχθεί. Μετά από πολλές ώρες στο Skype με ένα εργοστάσιο παραγωγής ταινιών στην Κίνα, κατασκευάσαμε κάποια προσαρμοσμένη νάιλον αγώγιμη ταινία (Maker Tape), η οποία ήταν αρκετά ισχυρή για να ξεκολλήσει ξανά, αλλά αρκετά φθηνή για να είναι ανταγωνιστική με την κοινή ταινία αλουμινόχαρτου από χαλκό.

Χάρη στο γεγονός ότι είχαμε πολλές δοκιμαστικές PCB με οπές διαφορετικού μεγέθους στο εργαστήριό μας, μπορέσαμε γρήγορα να βρούμε μια απόσταση μεγέθους που μας επέτρεψε να προσαρμόσουμε την πίεση χρησιμοποιώντας τη νάυλον αγώγιμη ταινία. Με αυτόν τον τρόπο οι μαθητές ΕΠΡΕΠΕ να τελειώσουν την κασέτα τους σε ένα συγκεκριμένο σημείο: έπρεπε πραγματικά να πάρουν χρόνο και να σχεδιάσουν το κύκλωμά τους. Αυτή η πτυχή μας επέτρεψε να μετατρέψουμε τα Crazy Circuits σε ένα εργαλείο μάθησης, όχι μόνο σε ένα παιχνίδι.

Η χρήση ταινίας 1/8 ιντσών είχε επίσης το παράξενο πλεονέκτημα να επιτρέπει κυκλώματα δύο στρωμάτων. Συνήθως βάζαμε την ταινία πάνω από την κορυφή των στηριγμάτων LEGO, αλλά η ταινία 1/8 ιντσών λειτούργησε επίσης τέλεια για να περάσει επίσης ανάμεσα στα στηρίγματα LEGO. Οι άνθρωποι μπορούσαν να κάνουν κάθε είδους περίπλοκα κυκλώματα χρησιμοποιώντας ταινία στο LEGO. (Αν και λίγο άβολο. Αν μη τι άλλο, επέτρεψε στους μαθητές να "πηδήξουν" μια υπάρχουσα γραμμή με λίγη μόνο προσπάθεια.)

Ένα βασικό παράδειγμα κυκλώματος μπορεί να χρησιμοποιεί διακόπτη, βάση μπαταρίας και LED. Για όλα τα μέρη μας χρησιμοποιήσαμε σίτα λευκού μεταξιού για να ορίσουμε τους πόλους GND (Αρνητικό) και την έγχρωμη πλευρά για να υποδείξουμε τους θετικούς πόλους. Το παραπάνω βίντεο με δείχνει να κάνω ένα απλό κύκλωμα. Τοποθετήστε ταινία, εφαρμόστε πίεση σε μέρη, προσθέστε ισχύ.

Βήμα 5: Αγώγιμο νήμα

Κατά τη διάρκεια των δοκιμών ανακαλύψαμε ότι το αγώγιμο νήμα λειτούργησε πολύ καλά με τα μέρη μας. Αποδεικνύεται ότι οι μεγάλες τρύπες από επιχαλκωμένο έκαναν το αγώγιμο ράψιμο πολύ εύκολο. Μερικοί από τους δοκιμαστές μας προτίμησαν το ράψιμο με τα μέρη μας παρά τη χρήση τους με LEGO.

Εάν δεν έχετε χρησιμοποιήσει ποτέ το Conductive Thread, πρέπει να δοκιμάσετε! Είναι συνήθως ένα χαλύβδινο/ νάιλον νήμα που αρέσει αρκετά καλά. Το ράψιμο με το χέρι είναι αρκετά εύκολο και το ράψιμο εξαρτημάτων δεν είναι πιο δύσκολο από το ράψιμο ενός κουμπιού. Έχουμε φτάσει ακόμη και στο να φτιάχνουμε περίπλοκα διαδραστικά πουκάμισα χρησιμοποιώντας ένα Arduino. Το ωραίο κομμάτι για το αγώγιμο ράψιμο είναι ότι αν μισείτε πραγματικά το έργο σας, μπορείτε πάντα να αφαιρέσετε τα εξαρτήματα και να τα χρησιμοποιήσετε για κάτι άλλο.

Η δραστηριότητά μας «πάμε στο» για τα παιδιά είναι να τους ζητήσουμε να φτιάξουν ένα βραχιόλι με κουμπιά χρησιμοποιώντας ένα LED, μια θήκη μπαταρίας και ένα σύνολο κουμπωμάτων. Τα κουμπώματα πηγαίνουν στο τέλος του βραχιολιού και χρησιμοποιούνται για να ολοκληρώσουν το κύκλωμα. Συγκεντρώσαμε ένα ωραίο εκτυπώσιμο PDF εάν κάποιος θέλει να το χρησιμοποιήσει για εργαστήρια ή οικιακές δραστηριότητες.

Βήμα 6: Αγώγιμα μελάνια και ζύμες

Στην αρχή ήμασταν έτοιμοι να κάνουμε τα μέρη μας να λειτουργούν με αγώγιμα μελάνια. Αυτό λειτούργησε μόνο εν μέρει.

Γυμνό αγώγιμο μελάνι

Αυτό το αγώγιμο μελάνι είναι αρκετά παρόμοιο με το φουσκωμένο χρώμα. Είναι εύκολο να βάψετε σε οποιαδήποτε επιφάνεια, είναι αρκετά φθηνό και πλένεται στο νερό για εύκολο καθαρισμό. Το μειονέκτημα είναι ότι ο γραφίτης δεν είναι πολύ αγώγιμος και λειτουργεί πραγματικά σαν μια μεγάλη αντίσταση περισσότερο από οτιδήποτε άλλο. Δεν είχαμε κανένα πρόβλημα να το συνδέσουμε με τα Crazy Circuits Parts, καθώς θα μπορούσαμε να στεγνώσουμε τις σταγόνες μελανιού πάνω από τα PCB, αλλά είχαμε προβλήματα με την ασφαλή μετακίνηση του ρεύματος στο κύκλωμα.

Αυτό που καταφέραμε να το χρησιμοποιήσουμε ήταν ένα χωρητικό "σημείο επαφής" για τις συμβατές με Arduino πλακέτες Teensy LC. Τρέχουμε ταινία από το PCB μέχρι τις σταγόνες χρώματος και στη συνέχεια οι άνθρωποι αγγίζουν το χρώμα. Αυτό επιτρέπει κάθε είδους διασκεδαστικά στένσιλ, πιάνα τοίχου ή διαδραστικά έργα τέχνης.

Circuit Scribe

Αυτό το αγώγιμο μελάνι λειτουργεί ακριβώς όπως ένα ασημένιο στυλό τζελ, μόνο που αφήνει πίσω του εξαιρετικά αγώγιμα ίχνη στο χαρτί. Το αντίθετο σε αυτό το μελάνι είναι ότι τα ίχνη είναι εξαιρετικά αγώγιμα και λειτουργεί σαν πραγματικό στυλό. Τα αρνητικά είναι ότι τα στυλό είναι ακριβά, τείνουν να στεγνώσουν και πρέπει με κάποιο τρόπο να σφίξετε τα μέρη σας στο χαρτί για να κάνετε μια σταθερή σύνδεση.

Αρχικά είχαμε φτιάξει μερικούς προσαρμοσμένους μαγνήτες που ταιριάζουν στις οπές μας LEGO. Το GitHub Repo μας είναι γεμάτο από παλιά κομμάτια που φέρουν την ένδειξη "συμβατό με μαγνήτη". Το τελικό αποτέλεσμα χτύπησε ή χάθηκε και συνειδητοποιήσαμε ότι κάπως κάναμε κακές εκδόσεις ηλεκτρονικών εξαρτημάτων που έχει ήδη κατασκευάσει το Circuit Scribe. Το μόνο όφελος ήταν για την κατασκευή μεγαλύτερων έργων με βάση το Arduino, καθώς το Circuit Scribe δεν παράγει πίνακες Arduino, αλλά η τοποθέτηση πάρα πολλών μαγνητών κοντά κατέληξε να προκαλέσει τα δικά του προβλήματα.

Συνειδητοποιήσαμε επίσης ότι οτιδήποτε κάναμε με αυτό το μελάνι θα μπορούσαμε να το κάνουμε με αγώγιμη ταινία πολύ καλύτερα.

Squishy Circuits Dough - Αγωγική ζύμη AKA

Πάντα θεωρούσα ότι αυτό ήταν ένα εξαιρετικό εργαλείο μάθησης για τη διδασκαλία βασικών ηλεκτρονικών με νεότερους μαθητές. Το αντίθετο στη ζύμη είναι ότι είναι πολύ διασκεδαστικό, ειδικά με κόπτες μπισκότων. Το μειονέκτημα είναι ότι στεγνώνει (όπως κάθε ζύμη) και επίσης είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό.

Έχουμε την τάση να χρησιμοποιούμε τη ζύμη με τον ίδιο τρόπο που χρησιμοποιούμε το Bare Conductive Paint, ως σημείο αφής για χωρητικά έργα αφής. Προσθέτει ένα διασκεδαστικό στοιχείο στο μείγμα. Επιπλέον, αν φτιάξετε ένα πραγματικά μεγάλο κομμάτι ζύμης, το σώμα σας θα αντιδράσει με το κύκλωμα ΠΡΙΝ το αγγίξετε. Μερικές φορές μέχρι και μια ίντσα μακριά. Είναι πάντα διασκεδαστικό να βλέπεις ανθρώπους να προσπαθούν και να καταλάβουν γιατί συμβαίνει.

Βήμα 7: Arduino, Raspberry Pi, Micro: Bit και Wireless Boards

Μια γρήγορη ματιά στο GitHub Repo και θα δείτε ότι έχουμε πολλά μεγάλα PCB που έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν με έναν αριθμό δημοφιλών μικροελεγκτών. Ένα από τα κύρια παράπονά μας σχετικά με πολλά συστήματα οικοδόμησης ήταν/ είναι ότι επιτρέπουν στους ανθρώπους να χρησιμοποιούν ένα σύστημα προγραμματισμού σωστότητας ή σας επιτρέπουν να χρησιμοποιείτε μόνο μία πλατφόρμα. Με το υλικό και το λογισμικό να εξελίσσονται συνεχώς, μου φάνηκε περίεργο να κλειδώνουμε τους ανθρώπους ή να τους αφήνουμε να πετάξουν μέρη μετά από μερικά χρόνια.

Η πιο προφανής επιλογή για να ξεκινήσετε με ένα Arduino Nano (που έγινε το Robotics Board μας) λόγω του μικρού μεγέθους και της τιμής. Αυτό ήταν τέλειο για ένα ευρύ φάσμα έργων προγραμματισμού, όπως εφέ φωτισμού ή σέρβις στροφών. Αποφασίσαμε επίσης να παράγουμε μια πιο πλούσια σε χαρακτηριστικά έκδοση που χρησιμοποιεί Teensy LC, κυρίως για τις χωρητικές δυνατότητες αφής. Το Teensy LC (Invention Board) έχει επίσης μερικές ωραίες δυνατότητες εξομοίωσης πληκτρολογίου και δημιουργήσαμε γρήγορα μερικά διασκεδαστικά χειριστήρια παιχνιδιών χρησιμοποιώντας αυτό. Πέρυσι φτιάξαμε ακόμη και ένα γιγάντιο χειριστήριο LEGO NES και το δημοσιεύσαμε στο Instructables.

Ο προγραμματισμός είναι διασκεδαστικός, αλλά δεν θέλουν όλοι να περάσουν από την ταλαιπωρία. Συγκεντρώσαμε έναν πίνακα σχεδιασμένο γύρω από ένα προ -προγραμματισμένο τσιπ ATtiny85 που απλώς αναβοσβήνει και ξεθωριάζει. Η έκδοση παραγωγής μας χρησιμοποιεί ανταλλακτικά SMT, ωστόσο θα βρείτε μια διαμπερή έκδοση στο Repo μας. Βρίσκονται χρήσιμα για μικρότερα έργα όπως ένα άσχημο χριστουγεννιάτικο πουκάμισο ή κάποια αστραφτερά αστέρια.

Ένα πράγμα που έχουμε αμελήσει να κάνουμε είναι να γυαλίσουμε τις σανίδες Raspberry Pi Zero και Micro: Bit. Σε γενικές γραμμές μας αρέσει το Micro: Bit και η κοινότητα που έχει εμφανιστεί γύρω του. Όσο για τον πίνακα Raspberry Pi Zero… δεν έχουμε κυριολεκτικά ιδέα για το τι να κάνουμε με αυτό. Σοβαρά, κάποιος κάνει κάτι ενδιαφέρον με αυτό και θα σας στείλουμε μερικά μέρη.

Είχαμε επίσης την περίεργη ιδέα να προσπαθήσουμε να συνθέσουμε μερικά ασύρματα έργα. Εμείς, αλλά μαζί, πίνακες για το Particle Photon Board, ένα ζευγάρι Adafruit Feather Boards και τον κοινό πίνακα NodeMCU. Τα βασίσαμε στο ίδιο βασικό σχέδιο με το Nano PCB μας με μια σειρά κεφαλίδων καρφιτσών στο πίσω μέρος.

Βήμα 8: Μελλοντικά σχέδια;

Αυτή τη στιγμή βρισκόμαστε στη μέση μιας τρίτης παραγωγής κατασκευαστικών τμημάτων με τις περισσότερες πωλήσεις μας να πηγαίνουν σε σχολεία, βιβλιοθήκες και Maker Spaces. Λάβαμε πολλά σταθερά σχόλια από χρήστες όλων των ηλικιών που μας βοήθησαν να σχεδιάσουμε καλύτερα μέρη.

Διδακτέα ύλη

Ένα από τα πιο συνηθισμένα αιτήματα ήταν το πρόγραμμα σπουδών έτοιμο για την τάξη. Η δημιουργία έργων είναι απλή. η δημιουργία έξι εβδομάδων πόρων για μαθητές και εκπαιδευτικούς είναι πιο δύσκολη. Μέχρι τα τέλη Μαρτίου θα δημοσιεύσουμε τα πρώτα προσχέδια του προγράμματος σπουδών μας στον ιστότοπό μας, δωρεάν για οποιονδήποτε. Θα έχουμε δύο κομμάτια, ένα για βασικά κυκλώματα και ένα για βασικό προγραμματισμό. Και τα δύο θα επικεντρωθούν στα μέρη των Crazy Circuits, ωστόσο θα μπορούσαν εύκολα να τροποποιηθούν ώστε να χρησιμοποιηθούν από τα ράφια.

Περισσότερα ανταλλακτικά γραμμών παραγωγής

Αυτή τη στιγμή λαμβάνουμε αιτήματα για νέα ανταλλακτικά. Η διαδικασία είναι αργή, αλλά θέλουμε να προσθέσουμε μερικά νέα κομμάτια στη σύνθεσή μας για αργότερα φέτος. Ας ελπίσουμε ότι θα είμαστε σε θέση να κατασκευάσουμε μερικά Ποτενσιόμετρα και NeoPixel Components και να αρχίσουμε να τα προσθέτουμε στα κιτ μας. Είχαμε την τύχη να έχουμε μερικούς ενθουσιώδεις θαυμαστές που έχουν σχεδιάσει τα δικά τους εξαρτήματα και τα μοιράζονται μαζί μας, και ελπίζουμε ότι περισσότεροι άνθρωποι θα το κάνουν στο μέλλον.

Δέσμευση για Ανοικτού Κώδικα

Μπορεί να ακούγεται σαν να χτυπάμε ένα νεκρό άλογο, αλλά μας αρέσει πολύ τα συστατικά μας να είναι Open Source. Θα συνεχίσουμε να προσθέτουμε στους πόρους του έργου μας, το πρόγραμμα σπουδών και τα αρχεία σχεδιασμού. Ελπίζουμε πραγματικά ότι τόσο οι θορυβώδεις όσο και οι προχωρημένοι χρήστες μπορούν να αρχίσουν να δημιουργούν τα δικά τους μέρη ή να τα τροποποιούν για νέα έργα.

Δεύτερο Βραβείο στον Διαγωνισμό PCB