Crazy Circuits: system nauki elektroniki typu open source: 8 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Autor: BrownDogGadgetsBrownDogGadgetsObserwuj więcej autora:

O: Kiedyś uczyłem przedmiotów ścisłych w gimnazjum, ale teraz prowadzę własną edukacyjną witrynę internetową o naukach ścisłych. Spędzam dni na opracowywaniu nowych projektów dla studentów i twórców. Więcej informacji o gadżetach BrownDog »

Rynek edukacyjny i domowy jest zalany modułowymi elektronicznymi systemami „uczenia się” przeznaczonymi do nauczania dzieci i dorosłych kluczowych koncepcji STEM i STEAM. Produkty takie jak LittleBits czy Snapcircuits zdają się dominować w każdym poradniku na temat prezentów świątecznych lub blogu dla rodziców z zabawkami edukacyjnymi. Jednak te systemy zawsze mają wysoką cenę, a wiele z nich czuje się bardziej jak zabawki niż narzędzia do nauki.

Około trzy lata temu zaczęliśmy projektować Crazy Circuits jako tani, modułowy, nielutujący, zabawny system wielokrotnego użytku, który można wykorzystać jako rzeczywiste narzędzie do nauki. Chcieliśmy czegoś, co rodzice i nauczyciele mogliby łatwo zintegrować z zestawami, które już mieli, lub niedrogimi komponentami z półki. Coś, co może cieszyć zarówno Społeczność Twórców, jak i przeciętny dorosły.

Ostatecznie Crazy Circuits było wszystkim, na co liczyliśmy, a nawet więcej. System działał bezbłędnie w dowolnym środowisku opartym na LEGO, można go było łatwo używać z przewodzącą nicią do szycia i łatwo skalować od prostych obwodów po podstawowe programowanie. Och, i to było zabawne w użyciu, co ułatwiło nam całe życie.

W tym artykule pokażemy, jak zaprojektowaliśmy komponenty Crazy Circuits, nasz program nauczania, jak można tworzyć i projektować własne części oraz sposoby współpracy Crazy Circuits z innymi systemami.

Pełne ujawnienie: Sprzedajemy części i zestawy Crazy Circuits, jednak możesz z łatwością skorzystać z naszych plików Open Source, aby stworzyć własne płytki lub zaprojektować własne części. Możesz używać tego systemu do różnych rzeczy i nigdy nie wysyłaj nam ani grosza.

Rozdawaj: Próbujemy czegoś nowego w 2019 roku. Rozdajemy darmowe części i zestawy osobom (tylko mieszkańcy USA), którzy śledzą nas na instruktażach, facebooku, instagramie i youtube. Najprawdopodobniej rozdamy kilka pełnych zestawów, gotowych części i pustych płytek drukowanych. Po prostu śledź lub subskrybuj, a zaczniemy rozdawać różne rzeczy.

Krok 1: Filozofia stojąca za zwariowanymi obwodami

Kiedy byłem nauczycielem, bardzo mnie denerwowało, że nie stać mnie na wymyślne systemy elektroniczne do mojej klasy, mimo że na każdej konferencji czy szkoleniu, w którym brałem udział, ciągle je polecałem. Po prostu nie miałem budżetu na zestaw za 100 dolarów, który zawierał pięć części i w najlepszym razie zajęłby trzech uczniów przez pięć minut. Skończyło się na tym, że robiłem to, co robi większość nauczycieli przedmiotów ścisłych i po prostu kupiłem tanie surowe części z eBaya i Amazona, ale to wymagało ode mnie wielu nowych prac związanych z planowaniem lekcji i projektowaniem aktywności. Odkryłem również, że moi młodsi uczniowie mieli trudności z owijaniem głowy wokół tabliczek chlebowych.

W końcu udało mi się zdobyć fundusze na zakup zestawów LittleBits do użytku z moim poszkolnym kołem naukowym. Były zabawne w użyciu (i szczerze mówiąc, dobrze skomponowany system), ale kiedy poprosiłem moich gimnazjalistów o wyjaśnienie, jak działają, otrzymałem moją ulubioną odpowiedź roku „Nie wiem, magnesy?”. Były to dzieciaki, które kilka tygodni wcześniej budowały skomplikowane obwody, ale LittleBits okazały się bardziej zabawką niż cokolwiek innego.

Kiedy rozpoczęliśmy burzę mózgów nad systemem modułowym, chcieliśmy upewnić się, że uczniowie są świadomi tego, W JAKI SPOSÓB wchodzą w interakcje, a następnie są w stanie narysować podobieństwa do wspólnych części. Wiedzieliśmy również, że potrzebujemy czegoś podobnego do płytki do krojenia chleba, ale łatwiejszej do owinięcia wokół głowy niż rzeczywistej deski do krojenia chleba. Musieliśmy też sprawić, by było to zabawne i wciągające.

Wyzwanie przyjęte!

Krok 2: Dlaczego LEGO?

"ładowanie="leniwe"

Na koniec musieliśmy wymyślić, jak wszystko połączyć. Natychmiast zdecydowaliśmy, że nienawidzimy pomysłu drutów i zacisków krokodylkowych; odebrał prostotę wszystkiego. Podobało nam się używanie taśmy przewodzącej, ale taśma z folii miedzianej była niemożliwa do użycia. Moglibyśmy zdjąć taśmę, ale nie wróci. Próbowaliśmy nawet użyć nici przewodzącej, ale okazało się to niemożliwe do kontrolowania. Po wielu godzinach spędzonych na Skype z fabryką taśm w Chinach wyprodukowaliśmy niestandardową nylonową taśmę przewodzącą (Maker Tape), która była wystarczająco mocna, aby się odkleić, a jednocześnie wystarczająco tania, aby konkurować ze zwykłą taśmą z folii miedzianej.

Dzięki temu, że w naszym warsztacie mieliśmy całą masę testowych płytek drukowanych z otworami o różnych rozmiarach, szybko byliśmy w stanie znaleźć odstępy między rozmiarami, które pozwoliły nam wykonać pasowanie ciśnieniowe za pomocą nylonowej taśmy przewodzącej. W ten sposób uczniowie MUSIALI zakończyć taśmę w określonym miejscu: musieli poświęcić trochę czasu i zaprojektować swój obwód. Ten aspekt pozwolił nam zamienić Crazy Circuits w narzędzie do nauki, a nie tylko zabawkę.

Użycie taśmy 1/8 cala miało również dziwną korzyść boczną, ponieważ pozwalało na dwuwarstwowe obwody. Normalnie kładlibyśmy taśmę na GÓRĘ kołków LEGO, ale taśma 1/8 cala również działała idealnie również do przejścia POMIĘDZY kołkami LEGO. Ludzie mogli tworzyć wszelkiego rodzaju skomplikowane obwody za pomocą taśmy na LEGO. (Chociaż trochę niezręczne. Jeśli nic innego nie pozwoliło uczniom „przeskoczyć” istniejącej linii przy niewielkim wysiłku.)

Podstawowy przykładowy obwód może wykorzystywać przełącznik, uchwyt baterii i diodę LED. W przypadku wszystkich naszych części użyliśmy białego sitodruku do oznaczenia biegunów GND (ujemnych), a kolorową stronę do oznaczenia biegunów dodatnich. Powyższy film pokazuje, jak robię prosty obwód. Połóż taśmę, dociśnij części, dodaj moc.

Krok 5: Gwint przewodzący

Podczas testów odkryliśmy, że przewodzący gwint działa naprawdę dobrze z naszymi częściami. Okazuje się, że duże miedziane otwory bardzo ułatwiały szycie przewodzące. Niektórzy z naszych testerów woleli szycie naszymi częściami niż używanie ich z LEGO.

Jeśli nigdy wcześniej nie używałeś nici przewodzących, powinieneś spróbować! Jest to zazwyczaj nić stalowo-nylonowa, która dość dobrze przewodzi. Ręczne szycie nim jest dość łatwe, a przyszycie części nie jest trudniejsze niż przyszycie guzika. Posunęliśmy się nawet do tworzenia skomplikowanych, interaktywnych koszulek za pomocą Arduino. Fajną częścią szycia przewodzącego jest to, że jeśli naprawdę nienawidzisz swojego projektu, zawsze możesz zdjąć części i użyć ich do czegoś innego.

Nasze zajęcie dla dzieci polega na tym, aby zrobiły bransoletkę zatrzaskową za pomocą diody LED, uchwytu na baterię i zestawu zatrzasków. Zatrzaski znajdują się na końcu bransoletki i służą do uzupełniania obwodu. Przygotowaliśmy ładny plik PDF do wydrukowania, jeśli ktoś chce go użyć do warsztatów lub zajęć domowych.

Krok 6: Farby i ciasta przewodzące

Na początku zależało nam na tym, aby nasze części działały przy użyciu atramentów przewodzących. To tylko częściowo zadziałało.

Nieosłonięty atrament przewodzący

Ten przewodzący atrament jest bardzo podobny do puszystej farby. Można go łatwo malować na dowolnej powierzchni, jest niedrogi i można go zmywać wodą, co ułatwia czyszczenie. Minusem jest to, że grafit nie jest zbyt przewodzący i naprawdę działa jak duży rezystor bardziej niż cokolwiek innego. Nie mieliśmy żadnych problemów z podłączeniem go do części Crazy Circuits, ponieważ plamy atramentu wysychały na płytkach drukowanych, ale mieliśmy problemy z bezpiecznym przepływem zasilania w obwodzie.

Ostatecznie użyliśmy go do pojemnościowego "punktu dotykowego" dla naszych kompatybilnych z Arduino płyt Teensy LC. Przeciągamy taśmę z płytki drukowanej do kropelek farby, a następnie ludzie dotykają farby. Pozwala to na wszelkiego rodzaju zabawne szablony, pianina ścienne lub interaktywne projekty artystyczne.

Pisarz obwodu

Ten przewodzący atrament działa jak srebrny długopis żelowy, tylko pozostawia na papierze niezwykle przewodzące ślady. Zaletą tego atramentu jest to, że kalki są niezwykle przewodzące i działają jak prawdziwe pióro. Wadą jest to, że długopisy są drogie, mają tendencję do wysychania i trzeba jakoś docisnąć części do papieru, aby uzyskać solidne połączenie.

Pierwotnie mieliśmy kilka niestandardowych magnesów, które pasowały do naszych otworów LEGO. Nasze repozytorium GitHub jest pełne starszych części, które są oznaczone jako „kompatybilne z magnesami”. Wynik końcowy był chybiony i zdaliśmy sobie sprawę, że właśnie zrobiliśmy złe wersje części elektronicznych, które Circuit Scribe już wykonał. Jedyną korzyścią było tworzenie większych projektów opartych na Arduino, ponieważ Circuit Scribe nie produkuje żadnych płytek Arduino, ale umieszczenie zbyt wielu magnesów blisko siebie spowodowało własne problemy.

Zdaliśmy sobie również sprawę, że wszystko, co robimy z tym atramentem, możemy zrobić znacznie lepiej z taśmą przewodzącą.

Squishy Circuits Ciasto - AKA Ciasto Przewodzące

Zawsze uważałem to za doskonałe narzędzie do nauki podstaw elektroniki z młodszymi uczniami. Plusem ciasta jest to, że jest bardzo zabawne, zwłaszcza z foremkami do ciastek. Minusem jest to, że wysycha (jak każde ciasto), a także jest bardzo oporny.

Zwykle używamy ciasta w taki sam sposób, jak używamy Bare Conductive Paint, jako punktu dotykowego w projektach pojemnościowych. Dodaje do mieszanki zabawny element. Dodatkowo, jeśli zrobisz naprawdę duży płaski kawałek ciasta, twoje ciało zareaguje z obwodem, ZANIM go dotkniesz. Czasami nawet o cal. Zawsze fajnie jest patrzeć, jak ludzie próbują dowiedzieć się, dlaczego tak się dzieje.

Krok 7: Arduino, Raspberry Pi, Micro:Bit i karty bezprzewodowe

Rzuć okiem na nasze repozytorium GitHub, a zobaczysz, że mamy wiele dużych płytek drukowanych zaprojektowanych do pracy z wieloma popularnymi mikrokontrolerami. Jedną z naszych głównych skarg na wiele systemów budowania było/jest to, że nakłaniają ludzi do korzystania z odpowiedniego systemu programowania lub pozwalają korzystać tylko z jednej platformy. W związku z ciągłym rozwojem sprzętu i oprogramowania dziwne wydawało się zamykanie ludzi na klucz lub wyrzucanie części po kilku latach.

Najbardziej oczywisty wybór na początek z Arduino Nano (który stał się naszą płytką do robotyki) ze względu na mały rozmiar i cenę. To było idealne dla szerokiej gamy projektów programistycznych, takich jak efekty świetlne czy obracanie serw. Zdecydowaliśmy się również wyprodukować wersję bardziej bogatą w funkcje niż przy użyciu Teensy LC, głównie ze względu na pojemnościowy dotyk. Teensy LC (Invention Board) ma również kilka fajnych funkcji emulacji klawiatury i szybko wymyśliliśmy kilka zabawnych kontrolerów do gier. W zeszłym roku stworzyliśmy nawet gigantyczny kontroler LEGO NES i opublikowaliśmy go w Instructables.

Programowanie jest fajne, ale nie każdy chce przechodzić przez ten problem. Złożyliśmy płytkę zaprojektowaną wokół wstępnie zaprogramowanego układu ATtiny85, który po prostu emituje mrugnięcia i zanikanie. Nasza wersja produkcyjna wykorzystuje części SMT, jednak w naszym repozytorium znajdziesz wersję przewlekaną. Przydadzą się przy mniejszych projektach, takich jak brzydka świąteczna koszulka czy jakieś migoczące gwiazdki.

Jedną rzeczą, której zaniedbaliśmy, jest dopracowanie naszych płyt Raspberry Pi Zero i Micro:Bit. Ogólnie lubimy Micro:Bit i społeczność, która się wokół niego wyrosła. Jeśli chodzi o naszą płytkę Raspberry Pi Zero… dosłownie nie mamy pojęcia, co z nią zrobić. Poważnie, ktoś zrobi z tego coś ciekawego, a my wyślemy ci kilka części.

Wpadliśmy też na zwariowany pomysł, żeby spróbować połączyć kilka projektów bezprzewodowych. Mamy razem tablice dla Particle Photon Board, kilka tablic Adafruit Feather Board i wspólną płytę NodeMCU. Oparliśmy je na tym samym podstawowym projekcie, co nasza płytka Nano z rzędem gniazd pinowych z tyłu.

Krok 8: Plany na przyszłość?

Obecnie jesteśmy w trakcie trzeciej serii produkcyjnej części, a większość naszej sprzedaży trafia do szkół, bibliotek i Maker Spaces. Otrzymaliśmy wiele solidnych opinii od użytkowników w każdym wieku, co pomogło nam zaprojektować lepsze części.

Program

Jednym z najczęstszych próśb dotyczył programu nauczania gotowego do użycia w klasie. Tworzenie projektów jest proste; tworzenie sześciotygodniowych zasobów dla uczniów i nauczycieli jest trudniejsze. Pod koniec marca opublikujemy nasze pierwsze wersje robocze programów nauczania na naszej stronie internetowej, z których każdy może korzystać bezpłatnie. Będziemy mieli dwie ścieżki, jedną do podstawowych obwodów i jedną do podstawowego programowania. Oba będą skupione wokół naszych części Crazy Circuits, jednak można je łatwo zmodyfikować, aby używać części z półki.

Więcej części linii produkcyjnej

Obecnie przyjmujemy prośby o nowe części. Proces jest powolny, ale chcemy dodać kilka nowych elementów do naszego składu jeszcze w tym roku. Mamy nadzieję, że będziemy w stanie wyprodukować niektóre potencjometry i komponenty NeoPixel i zacząć dodawać je do naszych zestawów. Mieliśmy szczęście mieć kilku entuzjastycznych fanów, którzy zaprojektowali własne komponenty i podzielili się nimi z nami, i mamy nadzieję, że w przyszłości więcej osób to zrobi.

Zaangażowanie w Open Source

Może to brzmieć, jakbyśmy bili martwego konia, ale naprawdę lubimy, gdy nasze komponenty są Open Source. Będziemy nadal dodawać do naszych zasobów projektowych, programów nauczania i plików projektowych. Mamy nadzieję, że zarówno początkujący, jak i zaawansowani użytkownicy będą mogli zacząć tworzyć własne części lub modyfikować je do nowych projektów.

II Nagroda w Konkursie PCB