Crazy Circuits: система обучения электронике с открытым исходным кодом: 8 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Автор: BrownDogGadgetsBrownDogGadgetsFollow Еще от автора:

О себе: Раньше я преподавал естественные науки в средней школе, но теперь у меня есть собственный интернет-сайт, посвященный науке об образовании. Я провожу дни, создавая новые проекты для студентов и творцов. Подробнее о BrownDogGadgets »

Образовательный и домашний рынок наводнен модульными системами «обучения» электроники, предназначенными для обучения детей и взрослых ключевым концепциям STEM и STEAM. Такие продукты, как LittleBits или Snapcircuits, по-видимому, доминируют в каждом путеводителе по праздничным подаркам или в родительском блоге, посвященном развивающим игрушкам. Тем не менее, эти системы всегда имеют высокую цену, и многие из них больше похожи на игрушки, чем на инструменты обучения.

Около трех лет назад мы начали разрабатывать Crazy Circuits как недорогую, многоразовую, модульную, забавную систему без пайки, которую можно было бы использовать в качестве реального инструмента обучения. Мы хотели что-то, что родители и учителя могли бы легко интегрировать с наборами, которые у них уже были, или недорогими готовыми компонентами. Что-то, что понравится как сообществу Maker, так и обычному взрослому.

В конце концов, Crazy Circuits были всем, на что мы надеялись, и даже больше. Система безупречно работала с любой средой на основе LEGO, могла легко использоваться с токопроводящей нитью для шитья и легко масштабировалась от простых схем до базового программирования. О, и это было весело использовать, что сделало всю нашу жизнь проще.

В этой статье мы собираемся показать вам, как мы разрабатывали компоненты Crazy Circuits, нашу учебную программу, как вы можете создавать и проектировать свои собственные части и как Crazy Circuits работает с другими системами.

Полное раскрытие информации: мы продаем детали и комплекты Crazy Circuits, однако вы можете легко использовать наши файлы с открытым исходным кодом, чтобы создавать свои собственные платы или создавать свои собственные части. Вы можете использовать эту систему для любых задач и никогда не присылаете нам ни копейки.

Раздача: мы пробуем что-то новое в 2019 году. Мы раздаем бесплатные запчасти и комплекты людям (только для жителей США), которые подписаны на нас в инструкциях, в Facebook, Instagram и YouTube. Скорее всего, мы раздадим пару полных комплектов, готовые детали и пустые печатные платы. Просто подписывайтесь или подписывайтесь, и мы начнем раздавать материал.

Шаг 1: философия безумных схем

Когда я был учителем, меня очень раздражало то, что я не мог позволить себе модные электронные системы для своего класса, хотя на каждой учебной конференции или семинаре, на котором я присутствовал, я рекомендовал их. У меня просто не было бюджета на комплект за 100 долларов, который шел из пяти частей и в лучшем случае мог бы занять трех учеников на пять минут. В итоге я сделал то, что делают большинство учителей естествознания, и просто купил дешевые сырые детали на eBay и Amazon, но для этого мне потребовалось много работы по планированию новых уроков и планированию занятий. Я также обнаружил, что моим младшим ученикам было трудно осознать макетные платы.

В конце концов мне удалось получить финансирование на покупку наборов LittleBits для использования в моем внешкольном научном клубе. Они были забавными в использовании (и, честно говоря, хорошо собранной системой), но когда я попросил своих учеников средней школы объяснить, как они работают, я получил свой любимый ответ года: «Я не знаю, магниты?». Это были дети, которые неделями ранее строили сложные схемы, но LittleBits казались больше игрушкой, чем чем-либо еще.

Когда мы начали мозговой штурм модульной системы, мы хотели убедиться, что учащиеся знали, КАК взаимодействуют части, и затем могли проводить параллели с общими частями. Мы также знали, что нам нужно что-то вроде макетной платы, но при этом легче понять их, чем настоящая макетная плата. Мы также должны были сделать это увлекательным и увлекательным.

Вызов принят!

Шаг 2: Почему LEGO?

"loading =" ленивый"

Наконец, нам нужно было придумать, как все соединить воедино. Мы сразу решили, что нам не нравится идея с проводами и зажимами из крокодиловой кожи; это отняло у всего простоту. Нам нравилось использовать токопроводящую ленту, но использовать ленту из медной фольги было невозможно. Мы могли бы снять ленту, но она больше не вернется. Мы даже пробовали использовать токопроводящую нить, но это оказалось невозможно контролировать. После многих часов общения в Skype с заводом по производству лент в Китае мы изготовили специальную нейлоновую проводящую ленту (Maker Tape), которая была достаточно прочной, чтобы снова отслаиваться, но при этом достаточно недорогой, чтобы конкурировать с обычной лентой из медной фольги.

Благодаря тому, что у нас в мастерской было много тестовых печатных плат с отверстиями разного размера, мы быстро смогли найти размер, который позволил нам выполнить посадку под давлением с помощью нейлоновой проводящей ленты. Таким образом, ученики ДОЛЖНЫ заканчивать свою ленту в определенном месте: им действительно нужно было потратить время и спроектировать свою схему. Этот аспект позволил нам превратить Crazy Circuits в инструмент обучения, а не просто в игрушку.

Использование ленты 1/8 дюйма также имело странное побочное преимущество, позволяющее создавать двухслойные схемы. Обычно мы кладем ленту поверх шпильки LEGO, но лента 1/8 дюйма также отлично работает и МЕЖДУ шпильками LEGO. Люди могли создавать всевозможные сложные схемы, используя ленту на LEGO. (Хотя это немного неудобно. По крайней мере, это позволяло студентам «перепрыгивать» существующую строку с небольшим усилием.)

В базовом примере схемы может использоваться переключатель, держатель батареи и светодиод. Для всех наших частей мы использовали белый шелкографию, чтобы обозначить GND (отрицательные) полюса, и цветную сторону, чтобы указать положительные полюса. На видео выше показано, как я делаю простую схему. Положите ленту, прижмите к деталям, прибавьте мощность.

Шаг 5: проводящая нить

Во время тестирования мы обнаружили, что токопроводящая нить очень хорошо работает с нашими деталями. Оказывается, большие отверстия, покрытые медью, значительно упрощают процесс шитья проводом. Некоторые из наших тестеров предпочитали шить нашими деталями, а не использовать их с LEGO.

Если вы никогда раньше не использовали Conductive Thread, вам стоит попробовать! Обычно это стальная / нейлоновая нить, которая неплохо проводит. Сшить им вручную довольно просто, а пришить детали не сложнее, чем пришить пуговицу. Мы даже зашли так далеко, что создали сложные интерактивные футболки с помощью Arduino. Хорошая особенность кондуктивного шитья заключается в том, что если вы действительно ненавидите свой проект, вы всегда можете снять детали и использовать их для чего-то другого.

Наша основная задача для детей - попросить их сделать браслет с кнопками, используя светодиод, держатель батареи и набор кнопок. Кнопки идут на конец браслета и используются для замыкания цепи. Мы подготовили хороший PDF-файл для печати, если кто-то захочет использовать его на семинарах или домашних мероприятиях.

Шаг 6: проводящие чернила и тесто

Вначале мы были твердо настроены заставить наши детали работать с токопроводящими чернилами. Это работало только частично.

Чистые проводящие чернила

Эти токопроводящие чернила очень похожи на воздушную краску. Его легко наносить на любую поверхность, он довольно недорогой и его можно смыть водой, что упрощает очистку. Обратной стороной является то, что графит не очень проводящий и действительно действует как большой резистор больше, чем что-либо еще. У нас не было никаких проблем с подключением его к Crazy Circuits Parts, так как у нас могли высохнуть чернильные капли на печатных платах, но у нас были проблемы с безопасным перемещением питания в цепи.

В конечном итоге мы использовали его как «точку касания» емкостной краски для наших Arduino-совместимых плат Teensy LC. Мы протягиваем ленту от печатной платы к пятнам краски, а затем люди прикасаются к краске. Это позволяет создавать всевозможные забавные трафареты, настенные пианино или интерактивные художественные проекты.

Цепной писец

Эти токопроводящие чернила работают так же, как серебряная гелевая ручка, только они оставляют на бумаге чрезвычайно токопроводящие следы. Достоинством этих чернил является то, что начертания обладают очень высокой проводимостью и действуют как настоящая ручка. Недостатком является то, что ручки дороги, имеют тенденцию высыхать, и вам нужно каким-то образом прижимать детали к бумаге, чтобы обеспечить надежное соединение.

Изначально у нас было несколько нестандартных магнитов, которые проходили через отверстия LEGO. Наш репозиторий GitHub полон устаревших частей, которые помечены как «совместимые с магнитами». Конечный результат был неудачным, и мы поняли, что просто сделали плохие версии электронных компонентов, которые уже сделали Circuit Scribe. Единственное преимущество заключалось в создании более крупных проектов на основе Arduino, поскольку Circuit Scribe не производит никаких плат Arduino, но размещение слишком большого количества магнитов рядом друг с другом привело к возникновению собственных проблем.

Мы также поняли, что все, что мы делали с этими чернилами, мы могли бы сделать с проводящей лентой намного лучше.

Мягкое тесто для контуров - также известное как проводящее тесто

Я всегда считал, что это отличный инструмент для обучения основ электроники с младшими школьниками. Плюс теста в том, что оно очень интересное, особенно с формочками для печенья. Обратной стороной является то, что оно высыхает (как и любое тесто), а также обладает высоким сопротивлением.

Мы склонны использовать тесто так же, как и чистую проводящую краску, в качестве точки соприкосновения для емкостных сенсорных проектов. Это добавляет забавный элемент в микс. Кроме того, если вы сделаете действительно большой плоский кусок теста, ваше тело будет реагировать с контуром ДО того, как вы прикоснетесь к нему. Иногда до дюйма. Всегда интересно наблюдать, как люди пытаются понять, почему это происходит.

Шаг 7: Arduino, Raspberry Pi, Micro: Bit и беспроводные платы

Беглый взгляд на наш репозиторий GitHub, и вы увидите, что у нас есть много больших печатных плат, предназначенных для работы с рядом популярных микроконтроллеров. Одна из наших главных претензий к большому количеству систем сборки заключалась в том, что они заставляют людей использовать подходящую систему программирования или позволяют использовать только одну платформу. Поскольку аппаратное и программное обеспечение постоянно развивается, казалось странным запирать людей или заставлять их выбрасывать части через пару лет.

Самый очевидный выбор начать с Arduino Nano (который стал нашим Советом по робототехнике) из-за небольшого размера и цены. Это идеально подходило для широкого спектра программных проектов, таких как световые эффекты или поворот сервоприводов. Мы также решили выпустить более функциональную версию с использованием Teensy LC, в основном для емкостных сенсорных возможностей. Teensy LC (Invention Board) также имеет несколько хороших функций эмуляции клавиатуры, и мы быстро создали несколько забавных игровых контроллеров, используя ее. В прошлом году мы даже сделали гигантский контроллер LEGO NES и разместили его на Instructables.

Программирование - это весело, но не все хотят терпеть трудности. Мы собрали плату, созданную на основе предварительно запрограммированного чипа ATtiny85, который просто мигает и затухает. В нашей производственной версии используются детали SMT, однако вы найдете версию со сквозным отверстием в нашем репозитории. Они пригодятся для небольших проектов, таких как уродливая рождественская рубашка или мерцающие звезды.

Одна вещь, которую мы не сделали, - это отполировать наши платы Raspberry Pi Zero и Micro: Bit. В целом нам нравится Micro: Bit и сообщество, которое возникло вокруг него. Что касается нашей платы Raspberry Pi Zero… мы буквально понятия не имеем, что с ней делать. Серьезно, кто-то сделает из него что-нибудь интересное, и мы пришлем вам некоторые детали.

У нас также была дурацкая идея попробовать собрать воедино несколько беспроводных проектов. Мы собрали вместе платы для Particle Photon Board, пары Adafruit Feather Boards и общей платы NodeMCU. Мы основали их на той же базовой конструкции, что и наша печатная плата Nano, с рядом контактов на задней стороне.

Шаг 8: Планы на будущее?

В настоящее время мы находимся в середине третьего цикла производства деталей, при этом большая часть наших продаж идет в школы, библиотеки и Maker Spaces. Мы получили много убедительных отзывов от пользователей всех возрастов, которые помогли нам разработать лучшие детали.

Учебный план

Одним из наиболее частых запросов было создание учебной программы, готовой к работе в классе. Составлять проекты просто; Подготовить шестинедельные ресурсы для учащихся и учителей сложнее. К концу марта мы опубликуем наши первые проекты учебных программ на нашем веб-сайте, которые будут бесплатны для всех. У нас будет две дорожки, одна для базовой схемы и одна для базового программирования. Оба будут сосредоточены на наших частях Crazy Circuits, однако их можно легко изменить для использования готовых частей.

Больше деталей производственной линии

В настоящее время мы принимаем запросы на новые запчасти. Процесс идет медленно, но мы хотим добавить пару новых вещей в наш модельный ряд на конец этого года. Надеюсь, мы сможем изготовить некоторые потенциометры и компоненты NeoPixel и начать добавлять их в наши комплекты. Нам повезло, что у нас есть несколько энтузиастов, которые разработали свои собственные компоненты и поделились ими с нами, и мы надеемся, что в будущем их станет еще больше.

Приверженность открытому исходному коду

Может показаться, что мы забиваем дохлую лошадь, но нам очень нравится, когда наши компоненты имеют открытый исходный код. Мы продолжим добавлять в наш проект ресурсы, учебную программу и файлы дизайна. Мы очень надеемся, что как опытные, так и опытные пользователи смогут начать создавать свои собственные части или изменять их для новых проектов.

Второй приз в конкурсе печатных плат