Crazy Circuits: ระบบการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์แบบโอเพ่นซอร์ส: 8 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

โดย BrownDogGadgetsBrownDogGadgetsติดตามเพิ่มเติมโดยผู้เขียน:

เกี่ยวกับ: ฉันเคยสอนวิทยาศาสตร์ระดับมัธยมต้น แต่ตอนนี้ฉันเปิดเว็บไซต์วิทยาศาสตร์การศึกษาออนไลน์ของตัวเอง ฉันใช้เวลาทั้งวันไปกับการออกแบบโปรเจ็กต์ใหม่ๆ เพื่อให้นักเรียนและนักประดิษฐ์รวมตัวกัน ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ BrownDogGadgets »

ตลาดการศึกษาและบ้านเกิดน้ำท่วมด้วยระบบ 'การเรียนรู้' อิเล็กทรอนิกส์แบบแยกส่วนที่ออกแบบมาเพื่อสอนแนวคิด STEM และ STEAM ที่สำคัญสำหรับเด็กและผู้ใหญ่ ผลิตภัณฑ์เช่น LittleBits หรือ Snapcircuits ดูเหมือนจะครอบงำทุกคู่มือของขวัญวันหยุดหรือบล็อกหลักสำหรับของเล่นเพื่อการศึกษา อย่างไรก็ตาม ระบบเหล่านี้มักมาพร้อมกับป้ายราคาที่แข็งแรง และหลายคนรู้สึกเหมือนของเล่นมากกว่าเครื่องมือการเรียนรู้

ประมาณสามปีที่แล้ว เราเริ่มออกแบบ Crazy Circuits ให้เป็นระบบต้นทุนต่ำ ใช้ซ้ำได้ แยกส่วนได้ ไม่บัดกรี สนุก ซึ่งสามารถใช้เป็นเครื่องมือการเรียนรู้จริงได้ เราต้องการบางสิ่งที่ผู้ปกครองและครูสามารถรวมเข้ากับชุดอุปกรณ์ที่มีอยู่แล้วหรือซื้อจากส่วนประกอบในชั้นวางได้ในราคาไม่แพง บางสิ่งบางอย่างสำหรับทั้งชุมชน Maker และผู้ใหญ่ทั่วไป

ในที่สุด Crazy Circuits คือทุกสิ่งที่เราหวังและอื่น ๆ ระบบทำงานได้อย่างไม่มีที่ติกับสภาพแวดล้อมของ LEGO ใดๆ สามารถใช้กับด้ายนำไฟฟ้าสำหรับการเย็บได้อย่างง่ายดาย และปรับขนาดได้อย่างง่ายดายจากวงจรง่ายๆ ผ่านการตั้งโปรแกรมพื้นฐาน โอ้ และมันก็สนุกที่ได้ใช้เช่นกันซึ่งทำให้ชีวิตของเราง่ายขึ้น

ในบทความนี้ เราจะแสดงให้คุณเห็นถึงวิธีที่เราออกแบบส่วนประกอบ Crazy Circuits หลักสูตรของเรา วิธีสร้างและออกแบบชิ้นส่วนของคุณเอง และวิธีที่ Crazy Circuits ทำงานร่วมกับระบบอื่นๆ

การเปิดเผยข้อมูลทั้งหมด: เราขายชิ้นส่วนและชุดอุปกรณ์ Crazy Circuits อย่างไรก็ตาม คุณสามารถใช้ไฟล์โอเพ่นซอร์สของเราเพื่อสร้างบอร์ดของคุณเองหรือออกแบบชิ้นส่วนของคุณเองได้ คุณสามารถใช้ระบบนี้สำหรับทุกสิ่งและไม่เคยส่งเงินแม้แต่บาทเดียวมาให้เรา

Give Aways: เรากำลังทดลองสิ่งใหม่ในปี 2019 เรากำลังแจกชิ้นส่วนและชุดอุปกรณ์ฟรีให้กับผู้คน (ผู้อยู่อาศัยในสหรัฐอเมริกาเท่านั้น) ที่ติดตามเราทางอินสตาแกรม, facebook, instagram และ youtube เป็นไปได้มากว่าเราจะแจกชุดเต็มสองสามชิ้น ชิ้นส่วนสำเร็จรูป และ PCB เปล่า เพียงกดติดตามหรือสมัครรับข่าวสาร เราจะเริ่มแจกของ

ขั้นตอนที่ 1: ปรัชญาเบื้องหลังวงจรบ้าๆ

ตอนที่ฉันเป็นครู ฉันรู้สึกหงุดหงิดมากที่ไม่สามารถซื้อระบบอิเล็กทรอนิกส์แฟนซีสำหรับห้องเรียนได้ แม้ว่าการประชุมการสอนหรือการนิเทศทุกครั้งที่ฉันเข้าร่วมจะคอยแนะนำพวกเขาอยู่เสมอ ฉันไม่มีงบประมาณสำหรับชุดอุปกรณ์ราคา $100 ที่มาพร้อมกับห้าชิ้นส่วน และอย่างดีที่สุดจะทำให้นักเรียนสามคนมีเวลาว่างห้านาที ฉันลงเอยด้วยการทำในสิ่งที่ครูวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ทำและเพิ่งซื้อชิ้นส่วนดิบราคาถูกจาก eBay และ Amazon แต่นั่นทำให้ฉันต้องทำการวางแผนบทเรียนและการออกแบบกิจกรรมใหม่ๆ มากมาย ฉันยังพบว่านักเรียนที่อายุน้อยกว่าของฉันมีช่วงเวลาที่ยากลำบากในการเอาหัวโขกเขียงหั่นขนม

ในที่สุดฉันก็สามารถได้รับเงินทุนเพื่อซื้อชุดอุปกรณ์ LittleBits สำหรับใช้กับชมรมวิทยาศาสตร์หลังเลิกเรียนของฉัน พวกเขาสนุกกับการใช้ (และตามจริงแล้วเป็นระบบที่รวบรวมมาอย่างดี) แต่เมื่อฉันขอให้นักเรียนมัธยมต้นอธิบายว่าพวกเขาทำงานอย่างไร ฉันได้รับคำตอบที่ฉันชอบที่สุดแห่งปี "ฉันไม่รู้ แม่เหล็กใช่หรือไม่" เหล่านี้คือเด็ก ๆ ที่สร้างวงจรที่ซับซ้อนบางสัปดาห์ก่อนหน้านี้ แต่ LittleBits ก็กลายเป็นของเล่นมากกว่าสิ่งอื่นใด

เมื่อเราเริ่มระดมความคิดเกี่ยวกับระบบโมดูลาร์ เราต้องการให้แน่ใจว่านักเรียนทราบว่าส่วนต่างๆ มีการโต้ตอบกันอย่างไร และสามารถวาดแนวที่คล้ายคลึงกันกับชิ้นส่วนทั่วไปได้ เรารู้ด้วยว่าเราต้องการสิ่งที่คล้ายกับเขียงหั่นขนม แต่ง่ายกว่าที่จะพันหัวมากกว่าเขียงหั่นขนมจริง เราต้องทำให้มันสนุกและมีส่วนร่วมด้วย

รับคำท้า!

ขั้นตอนที่ 2: ทำไมต้องเลโก้

"กำลังโหลด="ขี้เกียจ"

สุดท้ายเราต้องหาวิธีเชื่อมต่อทุกอย่างเข้าด้วยกัน เราตัดสินใจทันทีว่าเราเกลียดความคิดเรื่องสายไฟและคลิปจระเข้ มันพรากจากความเรียบง่ายของทุกสิ่ง เราชอบใช้เทปนำไฟฟ้า แต่ไม่สามารถใช้เทปฟอยล์ทองแดงได้ เราสามารถถอดเทปออกได้ แต่มันจะไม่กลับมาขึ้นอีก เรายังลองใช้ด้ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า แต่ก็ไม่สามารถควบคุมได้ หลังจากใช้เวลาหลายชั่วโมงใน Skype กับโรงงานเทปในจีน เราได้ผลิตเทปนำไฟฟ้าไนลอน (Maker Tape) แบบกำหนดเองซึ่งมีความแข็งแรงพอที่จะลอกออกได้อีกครั้ง แต่มีราคาไม่แพงพอที่จะแข่งขันกับเทปฟอยล์ทองแดงทั่วไปได้

เนื่องจากเรามี PCB ทดสอบจำนวนมากที่มีรูขนาดต่างๆ กันอยู่ในเวิร์กช็อปของเรา เราจึงสามารถค้นหาระยะห่างขนาดได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยให้เราปรับแรงดันให้พอดีได้โดยใช้ Nylon Conductive Tape ด้วยวิธีนี้ นักเรียนจะต้องจบเทปที่จุดใดจุดหนึ่ง: พวกเขาต้องใช้เวลาจริง ๆ และออกแบบวงจรของพวกเขา แง่มุมนี้ทำให้เราเปลี่ยน Crazy Circuits เป็นเครื่องมือการเรียนรู้ ไม่ใช่แค่ของเล่น

การใช้เทปขนาด 1/8 นิ้วยังมีประโยชน์ด้านแปลก ๆ ในการอนุญาตให้ใช้วงจรสองชั้น โดยปกติเราจะวางเทปทับด้านบนสุดของหมุด LEGO แต่เทปขนาด 1/8 นิ้วก็ใช้งานได้ดีสำหรับติดกระดุม LEGO ด้วยเช่นกัน ผู้คนสามารถสร้างวงจรที่ซับซ้อนได้ทุกประเภทโดยใช้เทปบนเลโก้ (แม้ว่าจะดูอึดอัดเล็กน้อย หากไม่มีสิ่งใดอนุญาตให้นักเรียน 'กระโดด' บรรทัดที่มีอยู่ได้โดยใช้ความพยายามเพียงเล็กน้อย)

วงจรตัวอย่างพื้นฐานอาจใช้สวิตช์ ที่ใส่แบตเตอรี่ และไฟ LED สำหรับชิ้นส่วนทั้งหมดของเรา เราใช้การคัดกรองไหมสีขาวเพื่อกำหนดขั้ว GND (เชิงลบ) และด้านที่มีสีเพื่อระบุขั้วบวก วิดีโอด้านบนแสดงให้ฉันเห็นการสร้างวงจรอย่างง่าย วางเทปลง ดันชิ้นส่วนให้พอดี เพิ่มกำลัง

ขั้นตอนที่ 5: เกลียวนำไฟฟ้า

ระหว่างการทดสอบ เราพบว่าเกลียวนำไฟฟ้าทำงานได้ดีกับชิ้นส่วนของเรา ปรากฎว่ารูชุบทองแดงขนาดใหญ่ทำให้การเย็บแบบนำไฟฟ้าทำได้ง่ายมาก ผู้ทดสอบของเราบางคนชอบการตัดเย็บด้วยชิ้นส่วนของเรามากกว่าการใช้กับ LEGO

หากคุณไม่เคยใช้ Conductive Thread มาก่อน คุณควรลอง! โดยทั่วไปแล้วจะเป็นด้ายเหล็ก/ไนลอนที่นำไฟฟ้าได้ค่อนข้างดี การเย็บด้วยมือนั้นค่อนข้างง่าย และการเย็บชิ้นส่วนก็ไม่ยากไปกว่าการเย็บกระดุม เราได้ทำเสื้ออินเตอร์แอคทีฟที่ซับซ้อนโดยใช้ Arduino มาจนถึงตอนนี้ ส่วนที่ดีเกี่ยวกับการเย็บแบบนำไฟฟ้าคือถ้าคุณเกลียดโครงการของคุณจริงๆ คุณสามารถถอดชิ้นส่วนออกและนำไปใช้อย่างอื่นได้

กิจกรรม 'ไปที่' สำหรับเด็กของเราคือการให้พวกเขาทำสร้อยข้อมือแบบกระดุมโดยใช้ไฟ LED ที่ใส่แบตเตอรี่ และชุดกระดุม สแนปไปที่ปลายสร้อยข้อมือและใช้เพื่อต่อวงจรให้สมบูรณ์ เรารวบรวม PDF ที่พิมพ์ได้อย่างดีไว้ด้วยกัน หากใครต้องการใช้สำหรับการประชุมเชิงปฏิบัติการหรือกิจกรรมที่บ้าน

ขั้นตอนที่ 6: หมึกนำไฟฟ้า & แป้ง

ในตอนแรกเราตั้งใจแน่วแน่ที่จะทำให้ชิ้นส่วนของเราทำงานกับหมึกนำไฟฟ้าได้ สิ่งนี้ใช้ได้เพียงบางส่วนเท่านั้น

หมึกนำไฟฟ้าเปล่า

หมึกนำไฟฟ้านี้ค่อนข้างคล้ายกับสีพอง ทาสีบนพื้นผิวใดๆ ได้ง่าย ราคาไม่แพง และล้างน้ำได้เพื่อทำความสะอาดได้ง่าย ข้อเสียคือกราไฟต์ไม่นำไฟฟ้ามากและทำหน้าที่เหมือนตัวต้านทานขนาดใหญ่มากกว่าสิ่งใด เราไม่มีปัญหาใด ๆ ในการเชื่อมต่อกับ Crazy Circuits Parts เนื่องจากเราสามารถทำให้หมึกแห้งบน PCBs แต่เรามีปัญหาในการเคลื่อนย้ายพลังงานในวงจรอย่างปลอดภัย

สิ่งที่เราใช้ก็คือ "จุดสัมผัส" ของสีแบบ capacitive สำหรับบอร์ด Teensy LC ที่เข้ากันได้กับ Arduino เราเรียกใช้เทปจาก PCB ไปที่สี blobs จากนั้นผู้คนก็สัมผัสสี ซึ่งจะทำให้ลายฉลุ เปียโนติดผนัง หรือโปรเจ็กต์ศิลปะแบบโต้ตอบได้ทุกประเภท

อาลักษณ์วงจร

หมึกนำไฟฟ้านี้ทำงานเหมือนกับปากกาเจลสีเงิน แต่จะทิ้งร่องรอยที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าไว้บนกระดาษเท่านั้น ข้อดีของหมึกนี้คือรอยที่นำไฟฟ้าได้มากและทำหน้าที่เหมือนปากกาจริง ข้อเสียคือปากกามีราคาแพง มักจะแห้ง และคุณต้องยึดชิ้นส่วนของคุณเข้ากับกระดาษอย่างใดวิธีหนึ่งเพื่อสร้างการเชื่อมต่อที่แน่นหนา

เดิมทีเรามีแม่เหล็กแบบกำหนดเองที่ประกอบเข้ากับรูเลโก้ของเรา GitHub Repo ของเราเต็มไปด้วยชิ้นส่วนดั้งเดิมที่มีป้ายกำกับว่า "เข้ากันได้กับแม่เหล็ก" ผลลัพธ์ที่ได้คือความผิดพลาดหรือพลาดและเราตระหนักว่าเราเพิ่งสร้างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ดีซึ่ง Circuit Scribe ได้ทำไปแล้ว ประโยชน์เพียงอย่างเดียวคือการสร้างโปรเจ็กต์บน Arduino ที่ใหญ่ขึ้น เนื่องจาก Circuit Scribe ไม่ได้ผลิตบอร์ด Arduino ใดๆ แต่การวางแม่เหล็กไว้ใกล้กันมากเกินไปทำให้เกิดปัญหาขึ้นเอง

นอกจากนี้เรายังตระหนักดีว่าสิ่งที่เราทำกับหมึกนี้เราสามารถทำอะไรกับเทปนำไฟฟ้าได้ดีกว่ามาก

Squishy Circuits Dough - AKA แป้งนำไฟฟ้า

ฉันพบว่าสิ่งนี้เป็นเครื่องมือการเรียนรู้ที่ยอดเยี่ยมสำหรับการสอนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นพื้นฐานกับนักเรียนที่อายุน้อยกว่า ข้อดีของแป้งคือมันให้ความบันเทิงสูงโดยเฉพาะกับคุ้กกี้ ข้อเสียคือมันแห้ง (เหมือนแป้งอื่น ๆ) และยังมีความต้านทานสูง

เรามักจะใช้แป้งในลักษณะเดียวกับที่เราใช้ Bare Conductive Paint เป็นจุดสัมผัสสำหรับโปรเจ็กต์การสัมผัสแบบ capacitative มันเพิ่มองค์ประกอบที่สนุกสนานให้กับการผสมผสาน นอกจากนี้ ถ้าคุณทำแป้งชิ้นใหญ่ๆ แบนๆ ร่างกายของคุณจะทำปฏิกิริยากับวงจรก่อนที่คุณจะสัมผัสมัน บางครั้งก็ห่างออกไปหนึ่งนิ้ว เป็นเรื่องสนุกเสมอที่ได้ดูผู้คนพยายามหาสาเหตุว่าทำไมมันถึงเกิดขึ้น

ขั้นตอนที่ 7: Arduino, Raspberry Pi, Micro:Bit และบอร์ดไร้สาย

ดู GitHub Repo ของเราอย่างรวดเร็วแล้วคุณจะเห็นว่าเรามี PCB ขนาดใหญ่จำนวนมากที่ออกแบบมาเพื่อทำงานร่วมกับไมโครคอนโทรลเลอร์ยอดนิยมจำนวนมาก ข้อร้องเรียนหลักประการหนึ่งของเราเกี่ยวกับระบบอาคารจำนวนมากคือ/ คือการที่ผู้คนใช้ระบบการเขียนโปรแกรมที่เหมาะสม หรืออนุญาตให้คุณใช้เพียงแพลตฟอร์มเดียว ด้วยฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่พัฒนาอยู่ตลอดเวลา จึงดูแปลกที่จะปิดกั้นผู้คนหรือให้พวกเขาทิ้งชิ้นส่วนหลังจากผ่านไปสองสามปี

ทางเลือกที่ชัดเจนที่สุดในการเริ่มต้นด้วย Arduino Nano (ซึ่งต่อมาได้กลายเป็น Robotics Board ของเรา) เนื่องจากขนาดและราคาที่เล็ก เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโครงการตั้งโปรแกรมที่หลากหลาย เช่น เอฟเฟกต์แสงหรือเซอร์โวการหมุน เราตัดสินใจที่จะผลิตเวอร์ชันที่มีคุณลักษณะหลากหลายมากขึ้นซึ่งใช้ Teensy LC เป็นหลักสำหรับความสามารถในการสัมผัสแบบ capacitive Teensy LC (Invention Board) ยังมีคุณสมบัติการจำลองแป้นพิมพ์ที่ดีและเราได้สร้างตัวควบคุมเกมสนุกๆ ขึ้นมาอย่างรวดเร็ว ปีที่แล้วเราได้สร้างคอนโทรลเลอร์ LEGO NES ขนาดยักษ์และโพสต์ไว้ใน Instructables

การเขียนโปรแกรมเป็นเรื่องสนุก แต่ไม่ใช่ทุกคนที่ต้องการผ่านความยุ่งยาก เราได้รวบรวมบอร์ดที่ออกแบบโดยใช้ชิป ATtiny85 ที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าซึ่งทำให้ไฟกะพริบและจางลง เวอร์ชันการผลิตของเราใช้ชิ้นส่วน SMT อย่างไรก็ตาม คุณจะพบเวอร์ชันเจาะทะลุใน Repo ของเรา มีประโยชน์สำหรับโปรเจ็กต์ขนาดเล็ก เช่น เสื้อคริสต์มาสที่น่าเกลียดหรือดวงดาวที่ส่องแสงระยิบระยับ

สิ่งหนึ่งที่เราละเลยที่จะทำคือขัดเกลาบอร์ด Raspberry Pi Zero และ Micro:Bit ของเรา โดยทั่วไป เราชอบ Micro:Bit และชุมชนที่ผุดขึ้นมารอบๆ สำหรับบอร์ด Raspberry Pi Zero ของเรา… เราไม่รู้ว่าจะทำอย่างไรกับมัน อย่างจริงจัง มีคนสร้างสิ่งที่น่าสนใจกับมัน และเราจะส่งบางส่วนให้คุณ

นอกจากนี้เรายังมีความคิดที่แปลกประหลาดในการพยายามรวบรวมโครงการไร้สาย เราใช้บอร์ดร่วมกันสำหรับ Particle Photon Board, Adafruit Feather Boards สองสามอัน และบอร์ด NodeMCU ทั่วไป เราใช้การออกแบบพื้นฐานเดียวกันกับ Nano PCB ของเราโดยมีส่วนหัวของพินอยู่ด้านหลัง

ขั้นตอนที่ 8: แผนในอนาคต?

ขณะนี้ เรากำลังดำเนินการผลิตชิ้นส่วนเป็นครั้งที่สาม โดยการขายส่วนใหญ่ไปที่โรงเรียน ห้องสมุด และ Maker Spaces เราได้รับการตอบรับเป็นอย่างดีจากผู้ใช้ทุกวัย ซึ่งช่วยให้เราออกแบบชิ้นส่วนได้ดีขึ้น

หลักสูตร

หนึ่งในคำขอที่พบบ่อยที่สุดคือหลักสูตรที่พร้อมสำหรับห้องเรียน การทำโปรเจ็กต์เป็นเรื่องง่าย การสร้างทรัพยากรหกสัปดาห์สำหรับนักเรียนและครูนั้นยากกว่า ภายในสิ้นเดือนมีนาคม เราจะโพสต์ร่างหลักสูตรฉบับแรกบนเว็บไซต์ของเรา ให้ทุกคนใช้งานได้ฟรี เราจะมีสองแทร็ก แทร็กหนึ่งสำหรับวงจรพื้นฐานและอีกแทร็กสำหรับการเขียนโปรแกรมพื้นฐาน ทั้งสองจะเน้นที่ส่วน Crazy Circuits ของเรา แต่สามารถดัดแปลงเพื่อใช้นอกส่วนชั้นวางได้อย่างง่ายดาย

ชิ้นส่วนสายการผลิตเพิ่มเติม

ขณะนี้เรากำลังดำเนินการขอชิ้นส่วนใหม่ กระบวนการนี้ช้า แต่เราต้องการเพิ่มชิ้นส่วนใหม่สองสามรายการในรายการของเราในปลายปีนี้ หวังว่าเราจะสามารถผลิตโพเทนชิโอมิเตอร์และส่วนประกอบ NeoPixel และเริ่มเพิ่มลงในชุดอุปกรณ์ของเราได้ เราโชคดีที่มีแฟน ๆ ที่กระตือรือร้นซึ่งได้ออกแบบส่วนประกอบของตนเองและแบ่งปันให้กับเรา และเราหวังว่าผู้คนจำนวนมากขึ้นจะมีขึ้นในอนาคต

มุ่งมั่นสู่โอเพ่นซอร์ส

อาจดูเหมือนเรากำลังเอาชนะม้าที่ตายแล้ว แต่เราชอบที่จะให้ส่วนประกอบของเราเป็นโอเพ่นซอร์ส เรากำลังจะเพิ่มทรัพยากรโครงการ หลักสูตร และไฟล์การออกแบบต่อไป เราหวังเป็นอย่างยิ่งว่าทั้งผู้ใช้ noice และผู้ใช้ขั้นสูงสามารถเริ่มต้นสร้างชิ้นส่วนของตนเองหรือปรับเปลี่ยนสำหรับโครงการใหม่ได้

รางวัลที่สองในการประกวด PCB