Crazy Circuits: een open source elektronica leersysteem - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Door BrownDogGadgetsBrownDogGadgetsVolg meer van de auteur:

Over: Ik gaf vroeger les in wetenschappen op de middelbare school, maar nu heb ik mijn eigen online website voor onderwijskunde. Ik breng mijn dagen door met het ontwerpen van nieuwe projecten voor studenten en Makers om samen te stellen. Meer over BrownDogGadgets »

De onderwijs- en thuismarkt wordt overspoeld met modulaire elektronische 'leer'-systemen die zijn ontworpen om kinderen en volwassenen de belangrijkste STEM- en STEAM-concepten bij te brengen. Producten zoals LittleBits of Snapcircuits lijken elke kerstcadeaugids of ouderblog voor educatief speelgoed te domineren. Aan deze systemen hangt echter altijd een flink prijskaartje en veel voelen meer als speelgoed dan als leermiddelen.

Ongeveer drie jaar geleden zijn we begonnen met het ontwerpen van Crazy Circuits als een goedkoop, herbruikbaar, modulair, niet-soldeerbaar, leuk systeem dat als een echt leermiddel kan worden gebruikt. We wilden iets dat ouders en leerkrachten gemakkelijk konden integreren met kits die ze al hadden of goedkope standaardcomponenten. Iets voor zowel de Maker Community als de gemiddelde volwassene.

Uiteindelijk was Crazy Circuits alles waar we op hadden gehoopt en meer. Het systeem werkte feilloos met elke op LEGO gebaseerde omgeving, kon gemakkelijk worden gebruikt met geleidende draad om te naaien en kon eenvoudig worden opgeschaald van eenvoudige circuits tot basisprogrammering. Oh, en het was ook leuk om te gebruiken, wat ons hele leven gemakkelijker maakte.

In dit artikel laten we je zien hoe we Crazy Circuits-componenten hebben ontworpen, ons curriculum, hoe je je eigen onderdelen kunt maken en ontwerpen en hoe Crazy Circuits met andere systemen werkt.

Volledige openheid: we verkopen onderdelen en kits van Crazy Circuits, maar je kunt eenvoudig onze Open Source-bestanden gebruiken om je eigen boards te laten maken of je eigen onderdelen te ontwerpen. Je kunt dit systeem voor van alles gebruiken en stuur ons nooit een cent.

Give Aways: we proberen iets nieuws in 2019. We geven gratis onderdelen en kits weg aan mensen (alleen inwoners van de VS) die ons volgen op instructables, facebook, instagram en youtube. Hoogstwaarschijnlijk geven we een paar volledige kits, afgewerkte onderdelen en blanco PCB's weg. Volg of abonneer je gewoon en we gaan dingen weggeven.

Stap 1: Filosofie achter gekke circuits

Toen ik leraar was, ergerde ik me er echt aan dat ik me geen dure elektronische systemen voor mijn klas kon veroorloven, ook al bleef ik ze bij elke onderwijsconferentie of inservice die ik bijwoonde aanbevelen. Ik had gewoon geen budget voor een kit van $ 100 die uit vijf onderdelen bestond en in het beste geval drie studenten vijf minuten bezig zou houden. Uiteindelijk deed ik wat de meeste natuurkundeleraren doen en kocht ik goedkope onbewerkte onderdelen van eBay en Amazon, maar daarvoor moest ik veel nieuwe lessen plannen en activiteiten ontwerpen. Ik ontdekte ook dat mijn jongere studenten het moeilijk hadden om hun hoofd om breadboards te wikkelen.

Uiteindelijk kon ik wat geld krijgen om wat LittleBits-kits te kopen voor gebruik met mijn naschoolse wetenschapsclub. Ze waren leuk om te gebruiken (en om eerlijk te zijn, een goed samengesteld systeem), maar toen ik mijn middelbare scholieren vroeg om uit te leggen hoe ze werkten, kreeg ik mijn favoriete antwoord van het jaar "Ik weet het niet, magneten?". Dit waren kinderen die weken eerder ingewikkelde circuits hadden gebouwd, maar LittleBits kwam over als meer speelgoed dan iets anders.

Toen we begonnen te brainstormen over een modulair systeem, wilden we ervoor zorgen dat studenten wisten HOE onderdelen met elkaar in wisselwerking stonden en vervolgens parallellen konden trekken met gemeenschappelijke onderdelen. We wisten ook dat we iets nodig hadden dat op een breadboard leek, maar toch gemakkelijker om hun hoofden te wikkelen dan een echt breadboard. We moesten het ook leuk en boeiend maken.

Uitdaging aanvaard!

Stap 2: Waarom LEGO?

"laden = "lui"

Als laatste moesten we uitzoeken hoe we alles met elkaar konden verbinden. We besloten meteen dat we een hekel hadden aan het idee van draden en krokodillenklemmen; het nam afstand van de eenvoud van alles. We vonden het leuk om geleidende tape te gebruiken, maar de koperfolietape was niet te gebruiken. We kunnen de tape weghalen, maar hij komt niet meer terug. We hebben zelfs geprobeerd geleidende draad te gebruiken, maar dat bleek niet te controleren. Na heel wat uren op Skype met een tapefabriek in China hebben we op maat gemaakte nylon geleidende tape (Maker Tape) gemaakt die sterk genoeg was om weer los te laten, maar toch goedkoop genoeg om te concurreren met gewone koperfolietape.

Dankzij het feit dat we een heleboel test-PCB's met gaten van verschillende afmetingen in onze werkplaats hadden, waren we snel in staat om een maatafstand te vinden waarmee we een drukpassing konden maken met behulp van de nylon geleidende tape. Op deze manier MOETEN studenten hun tape op een specifieke plek beëindigen: ze moesten echt de tijd nemen om hun circuit te ontwerpen. Dit aspect stelde ons in staat om van Crazy Circuits een leermiddel te maken, niet alleen speelgoed.

Het gebruik van 1/8-inch tape had ook het vreemde voordeel dat tweelaagse circuits mogelijk waren. Normaal gesproken zouden we de tape over de BOVENKANT van de LEGO-noppen leggen, maar de tape van 1/8 inch werkte ook perfect om TUSSEN de LEGO-noppen te gaan. Met tape op LEGO konden mensen allerlei ingewikkelde circuits maken. (Hoewel een beetje onhandig. Als er niets anders was, konden studenten met slechts een beetje moeite een bestaande regel 'overspringen'.)

Een eenvoudig voorbeeldcircuit kan een schakelaar, batterijhouder en een LED gebruiken. Voor al onze onderdelen hebben we witte zeefdruk gebruikt om de GND (negatieve) polen aan te duiden en de gekleurde kant om de positieve polen aan te duiden. De bovenstaande video laat me zien hoe ik een eenvoudig circuit maak. Leg tape, druk op onderdelen, voeg kracht toe.

Stap 5: Geleidende draad

Tijdens het testen ontdekten we dat geleidende draad heel goed werkte met onze onderdelen. Het blijkt dat grote koperen geplateerde gaten geleidend naaien heel gemakkelijk maakten. Sommige van onze testers gaven er de voorkeur aan om met onze onderdelen te naaien in plaats van ze met LEGO te gebruiken.

Als je nog nooit Conductive Thread hebt gebruikt, moet je het proberen! Het is typisch een staal/nylon draad die vrij goed geleidt. Met de hand naaien is vrij eenvoudig, en onderdelen aannaaien is niet moeilijker dan een knoop aannaaien. We zijn zelfs zo ver gegaan om ingewikkelde interactieve shirts te maken met behulp van een Arduino. Het leuke van geleidend naaien is dat als je echt een hekel hebt aan je project, je de onderdelen altijd kunt verwijderen en ze voor iets anders kunt gebruiken.

Onze 'ga naar'-activiteit voor kinderen is om ze een armband met drukknopen te laten maken met behulp van een LED, een batterijhouder en een set drukknopen. De drukknopen gaan aan het uiteinde van de armband en worden gebruikt om het circuit te voltooien. We hebben een mooie printbare PDF samengesteld als iemand het wil gebruiken voor workshops of thuisactiviteiten.

Stap 6: Geleidende inkten en deeg

In het begin waren we vastbesloten om onze onderdelen te laten werken met geleidende inkten. Dit lukte maar gedeeltelijk.

Kale geleidende inkt

Deze geleidende inkt lijkt veel op gezwollen verf. Het is gemakkelijk op elk oppervlak te schilderen, is vrij goedkoop en is afwasbaar met water voor een gemakkelijke reiniging. Het nadeel is dat het grafiet niet erg geleidend is en meer dan wat dan ook als een grote weerstand fungeert. We hadden geen problemen om het te verbinden met Crazy Circuits Parts, omdat we inktvlekken op de PCB's konden laten drogen, maar we hadden problemen om de stroom veilig in het circuit te verplaatsen.

Waar we het uiteindelijk voor hebben gebruikt, was een capacitief verf "aanraakpunt" voor onze Arduino-compatibele Teensy LC-kaarten. We laten tape van de printplaat naar de verfvlekken lopen en dan raken mensen de verf aan. Hierdoor zijn allerlei leuke stencils, muurpiano's of interactieve kunstprojecten mogelijk.

Circuitschrijver

Deze geleidende inkt werkt net als een zilveren gelpen, alleen laat hij extreem geleidende sporen achter op papier. Het voordeel van deze inkt is dat de traceringen extreem geleidend zijn en dat het werkt als een echte pen. De nadelen zijn dat de pennen duur zijn, de neiging hebben om uit te drogen en dat je je onderdelen op de een of andere manier op het papier moet klemmen om een solide verbinding te maken.

We hadden oorspronkelijk een aantal aangepaste magneten gemaakt die door onze LEGO-gaten pasten. Onze GitHub Repo staat vol met legacy-onderdelen met het label 'magnet-compatibel'. Het eindresultaat was wisselvallig en we realiseerden ons dat we eigenlijk gewoon slechte versies maakten van elektronische onderdelen die Circuit Scribe al maakte. Het enige voordeel was het maken van grotere op Arduino gebaseerde projecten, aangezien Circuit Scribe geen Arduino-boards produceert, maar door te veel magneten dicht bij elkaar te plaatsen, veroorzaakte dit zijn eigen problemen.

We realiseerden ons ook dat alles wat we met deze inkt deden, we veel beter met geleidende tape konden doen.

Squishy Circuits Deeg - AKA geleidend deeg

Ik vond dit altijd een uitstekend leermiddel voor het onderwijzen van elementaire elektronica aan jongere studenten. Het voordeel van het deeg is dat het erg vermakelijk is, vooral met uitsteekvormpjes. Het nadeel is dat het uitdroogt (zoals elk deeg) en ook zeer resistent is.

We hebben de neiging om het deeg op dezelfde manier te gebruiken als de Bare Conductive Paint, als een aanraakpunt voor capacitieve aanraakprojecten. Het voegt een leuk element toe aan de mix. En als je een heel groot plat stuk deeg maakt, reageert je lichaam met het circuit VOORDAT je het aanraakt. Soms tot op een centimeter afstand. Het is altijd leuk om te zien hoe mensen proberen te achterhalen waarom het gebeurt.

Stap 7: Arduino, Raspberry Pi, Micro:Bit en Wireless Boards

Een snelle blik op onze GitHub Repo en je zult zien dat we veel grote PCB's hebben die zijn ontworpen om te werken met een aantal populaire microcontrollers. Een van onze belangrijkste klachten over veel bouwsystemen was/is dat ze mensen ertoe aanzetten een degelijk programmeersysteem te gebruiken of je alleen toestaan om één platform te gebruiken. Met hardware en software voortdurend in ontwikkeling leek het raar om mensen op te sluiten of ze na een paar jaar onderdelen te laten weggooien.

De meest voor de hand liggende keuze om te beginnen met een Arduino Nano (die ons Robotics Board werd) vanwege het kleine formaat en de prijs. Dit was perfect voor een breed scala aan programmeerprojecten, zoals lichteffecten of het draaien van servo's. We hebben besloten om ook een versie met meer functies te produceren dan een Teensy LC, voornamelijk voor de capacitieve aanraakmogelijkheden. De Teensy LC (Invention Board) heeft ook een aantal leuke toetsenbordemulatiefuncties en we hebben er snel een aantal leuke gamecontrollers mee verzonnen. Vorig jaar hebben we zelfs een gigantische LEGO NES-controller gemaakt en deze op Instructables geplaatst.

Programmeren is leuk, maar niet iedereen wil die rompslomp doorstaan. We hebben een bord samengesteld dat is ontworpen rond een voorgeprogrammeerde ATtiny85-chip die alleen knippert en vervaagt. Onze productieversie maakt gebruik van SMT-onderdelen, maar u vindt een doorlopende versie in onze Repo. Ze zijn handig voor kleinere projecten zoals een lelijk kerstshirt of wat fonkelende sterren.

Eén ding dat we hebben verwaarloosd, is het oppoetsen van onze Raspberry Pi Zero- en Micro:Bit-borden. Over het algemeen houden we van de Micro:Bit en de community die eromheen is ontstaan. Wat betreft ons Raspberry Pi Zero-bord … we hebben letterlijk geen idee wat we ermee moeten doen. Serieus, iemand maakt er iets interessants mee en we sturen je wat onderdelen.

We hadden ook het gekke idee om te proberen een aantal draadloze projecten samen te stellen. We boarden alleen samen voor het Particle Photon Board, een paar Adafruit Feather Boards en het gemeenschappelijke NodeMCU-bord. We hebben ze gebaseerd op hetzelfde basisontwerp als onze Nano-printplaat met een rij pin-headers aan de achterkant.

Stap 8: Toekomstplannen?

Momenteel zitten we midden in een derde productierun van onderdelen, waarbij de meeste van onze verkopen naar scholen, bibliotheken en Maker Spaces gaan. We hebben veel solide feedback ontvangen van gebruikers van alle leeftijden, wat ons heeft geholpen betere onderdelen te ontwerpen.

leerplan

Een van de meest voorkomende verzoeken is een lesprogramma dat klaar is voor de klas. Het bedenken van projecten is eenvoudig; het is moeilijker om zes weken aan bronnen voor studenten en docenten in te voeren. Tegen het einde van maart zullen we onze eerste concepten van het curriculum op onze website plaatsen, gratis voor iedereen om te gebruiken. We hebben twee sporen, één voor basiscircuits en één voor basisprogrammering. Beide zullen gecentreerd zijn rond onze Crazy Circuits-onderdelen, maar ze kunnen gemakkelijk worden aangepast om standaardonderdelen te gebruiken.

Meer productielijnonderdelen

We nemen momenteel aanvragen voor nieuwe onderdelen aan. Het proces is traag, maar we willen later dit jaar een paar nieuwe stukken aan onze line-up toevoegen. Hopelijk kunnen we een aantal potentiometers en NeoPixel-componenten maken en deze aan onze kits toevoegen. We hebben het geluk gehad enkele enthousiaste fans te hebben die hun eigen componenten hebben ontworpen en met ons hebben gedeeld, en we hopen dat in de toekomst meer mensen dat zullen doen.

Toewijding aan open source

Het klinkt misschien alsof we aan een dood paard trekken, maar we houden er echt van dat onze componenten open source zijn. We gaan door met het uitbreiden van onze projectbronnen, curriculum en ontwerpbestanden. We hopen echt dat zowel luidruchtige als gevorderde gebruikers kunnen beginnen met het maken van hun eigen onderdelen of deze kunnen aanpassen voor nieuwe projecten.

Tweede prijs in de PCB-wedstrijd