Mạch điên: một hệ thống học tập điện tử mã nguồn mở: 8 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Bởi BrownDogGadgetsBrownDogGadgetsFollow More của tác giả:

Giới thiệu: Tôi từng dạy môn khoa học ở trường trung học cơ sở, nhưng bây giờ tôi điều hành trang web khoa học giáo dục trực tuyến của riêng mình. Tôi dành cả ngày để thiết kế các dự án mới để sinh viên và Nhà sản xuất kết hợp với nhau. Thông tin thêm về BrownDogGadgets »

Thị trường giáo dục và gia đình tràn ngập các hệ thống 'học tập' điện tử mô-đun được thiết kế để dạy trẻ em và người lớn các khái niệm STEM và STEAM chính. Các sản phẩm như LittleBits hoặc Snapcircuits dường như thống trị mọi hướng dẫn quà tặng dịp lễ hoặc blog dành cho phụ huynh về đồ chơi giáo dục. Tuy nhiên, những hệ thống này luôn đi kèm với một bảng giá đắt kèm theo và nhiều người cảm thấy giống như đồ chơi hơn là công cụ học tập.

Khoảng ba năm trước, chúng tôi bắt đầu thiết kế Mạch điên như một hệ thống chi phí thấp, có thể tái sử dụng, mô-đun, không hàn, thú vị, có thể được sử dụng như một công cụ học tập thực tế. Chúng tôi muốn một thứ gì đó mà phụ huynh và giáo viên có thể dễ dàng tích hợp với các bộ dụng cụ mà họ đã có hoặc không tốn kém ngoài các thành phần trên kệ. Điều gì đó để cả Cộng đồng Maker cũng như người lớn bình thường thích thú.

Cuối cùng thì Crazy Circuits là tất cả những gì chúng tôi hy vọng và hơn thế nữa. Hệ thống hoạt động hoàn hảo với bất kỳ môi trường dựa trên LEGO nào, có thể dễ dàng được sử dụng với chỉ dẫn điện để may và dễ dàng mở rộng từ các mạch đơn giản lên thông qua lập trình cơ bản. Ồ, thật thú vị khi sử dụng điều này khiến cuộc sống của chúng ta trở nên dễ dàng hơn.

Trong phần viết này, chúng tôi sẽ chỉ cho bạn cách chúng tôi thiết kế các thành phần của Mạch điên, chương trình giảng dạy của chúng tôi, cách bạn có thể chế tạo và thiết kế các bộ phận của riêng mình cũng như cách mà Mạch điên hoạt động với các hệ thống khác.

Tiết lộ đầy đủ: Chúng tôi có bán các bộ phận và bộ dụng cụ Mạch điên, tuy nhiên bạn có thể dễ dàng sử dụng các tệp Nguồn mở của chúng tôi để tạo bảng mạch của riêng bạn hoặc thiết kế các bộ phận của riêng bạn. Bạn có thể sử dụng hệ thống này cho mọi thứ và không bao giờ gửi cho chúng tôi một xu nào.

Cho đi: Chúng tôi đang thử một cái gì đó mới vào năm 2019. Chúng tôi đang tặng các bộ phận và bộ dụng cụ miễn phí cho những người (chỉ dành cho Công dân Hoa Kỳ) theo dõi chúng tôi trên các trang hướng dẫn, facebook, instagram và youtube. Nhiều khả năng chúng tôi sẽ tặng một vài bộ dụng cụ đầy đủ, các bộ phận đã hoàn thiện và PCB trống. Chỉ cần theo dõi hoặc đăng ký và chúng tôi sẽ bắt đầu cho đi.

Bước 1: Triết lý đằng sau mạch điên

Khi tôi là một giáo viên, tôi thực sự khó chịu vì tôi không thể mua các hệ thống điện tử ưa thích cho lớp học của mình, mặc dù mọi hội nghị giảng dạy hoặc thiết bị hỗ trợ tôi tham dự đều giới thiệu chúng. Tôi chỉ không có ngân sách cho một bộ tài liệu trị giá 100 đô la đi kèm với năm phần và tốt nhất sẽ giữ cho ba học sinh ngồi trong vòng năm phút. Cuối cùng tôi đã làm những gì hầu hết các giáo viên khoa học làm và chỉ mua các bộ phận thô giá rẻ trên eBay và Amazon nhưng điều đó đòi hỏi tôi phải làm rất nhiều công việc thiết kế hoạt động và lập kế hoạch bài học mới. Tôi cũng nhận thấy rằng các học sinh nhỏ tuổi của tôi đã gặp khó khăn khi phải quấn đầu vào những tấm bảng bánh mì.

Cuối cùng tôi đã có thể nhận được một số tài trợ để mua một số bộ dụng cụ LittleBits để sử dụng cho câu lạc bộ khoa học sau giờ học của tôi. Chúng rất thú vị khi sử dụng (và thành thật mà nói, một hệ thống được kết hợp chặt chẽ với nhau), nhưng khi tôi yêu cầu các học sinh trung học của tôi giải thích cách chúng hoạt động, tôi đã nhận được câu trả lời yêu thích của tôi trong năm "Tôi không biết, nam châm?". Đây là những đứa trẻ đã xây dựng một số mạch điện phức tạp vài tuần trước đó, nhưng LittleBits lại giống một món đồ chơi hơn bất cứ thứ gì khác.

Khi chúng tôi bắt đầu phân tích một hệ thống mô-đun, chúng tôi muốn đảm bảo rằng học sinh nhận thức được CÁCH các bộ phận đang tương tác và sau đó có thể vẽ các điểm tương đồng với các bộ phận chung. Chúng tôi cũng biết rằng chúng tôi cần một cái gì đó tương tự như breadboard, nhưng dễ quấn quanh đầu họ hơn một breadboard thực tế. Chúng tôi cũng phải làm cho nó vui vẻ và hấp dẫn.

Đã chấp nhận thử thách!

Bước 2: Tại sao phải LEGO?

"loading =" lười biếng"

Cuối cùng, chúng tôi phải tìm ra cách kết nối mọi thứ với nhau. Chúng tôi ngay lập tức quyết định rằng chúng tôi ghét ý tưởng về dây và kẹp cá sấu; nó đã lấy đi sự đơn giản của mọi thứ. Chúng tôi thích sử dụng băng dẫn điện nhưng không thể sử dụng băng lá đồng. Chúng tôi có thể lấy cuộn băng xuống nhưng nó sẽ không quay trở lại. Chúng tôi thậm chí đã thử sử dụng sợi dẫn điện nhưng điều đó được chứng minh là không thể kiểm soát. Sau nhiều giờ làm việc trên Skype với một nhà máy sản xuất băng keo ở Trung Quốc, chúng tôi đã sản xuất một số loại băng keo dẫn điện Nylon tùy chỉnh (Maker Tape) đủ mạnh để bóc lại một lần nữa, nhưng đủ rẻ để cạnh tranh với băng dính lá đồng thông thường.

Nhờ thực tế là chúng tôi đã có rất nhiều PCB thử nghiệm với các lỗ có kích thước khác nhau tại xưởng của chúng tôi, chúng tôi nhanh chóng có thể tìm ra khoảng cách kích thước cho phép chúng tôi tạo ra áp lực vừa vặn bằng cách sử dụng Băng dẫn điện Nylon. Bằng cách này, sinh viên HÃY kết thúc đoạn băng của họ tại một điểm cụ thể: họ phải thực sự dành thời gian và thiết kế mạch của mình. Khía cạnh này cho phép chúng tôi biến Mạch điên thành một công cụ học tập chứ không chỉ là một món đồ chơi.

Sử dụng băng 1/8 inch cũng có một lợi ích khác là cho phép tạo ra hai mạch lớp. Thông thường, chúng tôi sẽ đặt băng trên đầu đinh tán LEGO, nhưng băng 1/8 inch cũng hoạt động hoàn hảo để cũng GIỮA các đinh tán LEGO. Mọi người có thể tạo ra tất cả các loại mạch phức tạp bằng cách sử dụng băng dính trên LEGO. (Mặc dù hơi khó xử. Nếu không có gì khác, nó cho phép học sinh 'nhảy' một dòng hiện có chỉ với một chút nỗ lực.)

Một mạch ví dụ cơ bản có thể sử dụng công tắc, giá đỡ pin và đèn LED. Đối với tất cả các bộ phận của chúng tôi, chúng tôi đã sử dụng sàng lọc lụa trắng để chỉ định các cực GND (Âm) và mặt màu để chỉ các cực Dương. Video trên hướng dẫn tôi làm một mạch đơn giản. Đặt băng xuống, áp lực phù hợp với các bộ phận, thêm sức mạnh.

Bước 5: Chủ đề dẫn điện

Trong quá trình thử nghiệm, chúng tôi phát hiện ra rằng sợi dẫn điện hoạt động thực sự tốt với các bộ phận của chúng tôi. Nó chỉ ra rằng các lỗ lớn bằng đồng đúc đã làm cho việc may dẫn điện thực sự dễ dàng. Một số người thử nghiệm của chúng tôi thích may bằng các bộ phận của chúng tôi hơn là sử dụng chúng bằng LEGO.

Nếu bạn chưa bao giờ sử dụng Chủ đề dẫn điện trước khi bạn nên thử! Nó thường là một sợi thép / nylon dẫn điện khá tốt. Việc khâu bằng tay với nó khá dễ dàng và khâu các bộ phận trên không khó hơn khâu cúc áo. Chúng tôi thậm chí đã tiến xa đến mức tạo ra những chiếc áo tương tác phức tạp bằng cách sử dụng Arduino. Phần hay về may dẫn điện là nếu bạn thực sự ghét dự án của mình, bạn luôn có thể tháo các bộ phận đó ra và sử dụng chúng cho việc khác.

Hoạt động 'đi chơi' của chúng tôi dành cho trẻ em là yêu cầu chúng làm một chiếc vòng đeo tay bằng nút bấm bằng đèn LED, hộp đựng pin và một bộ nút bấm. Các snaps đi vào phần cuối của vòng đeo tay và được sử dụng để hoàn thành mạch. Chúng tôi tập hợp một tệp PDF đẹp có thể in được nếu bất kỳ ai muốn sử dụng nó cho các hội thảo hoặc các hoạt động gia đình.

Bước 6: Mực & bột dẫn điện

Ban đầu, chúng tôi đã cố gắng làm cho các bộ phận của chúng tôi hoạt động bằng mực dẫn điện. Điều này chỉ hoạt động một phần.

Mực dẫn điện trần

Loại mực dẫn điện này khá giống với sơn phồng. Dễ dàng sơn lên mọi bề mặt, khá rẻ và có thể rửa được bằng nước để dễ dàng lau chùi. Nhược điểm là than chì không dẫn điện và thực sự hoạt động giống như một điện trở lớn hơn bất cứ thứ gì. Chúng tôi không gặp bất kỳ sự cố nào khi kết nối nó với Bộ phận mạch điên vì chúng tôi có thể có các đốm mực khô trên PCB nhưng chúng tôi đã gặp sự cố khi di chuyển nguồn điện xung quanh mạch một cách an toàn.

Cuối cùng chúng tôi đã sử dụng nó để làm "điểm tiếp xúc" sơn điện dung cho các bo mạch Teensy LC tương thích với Arduino của chúng tôi. Chúng tôi chạy băng từ PCB đến các đốm màu sơn và sau đó mọi người chạm vào sơn. Điều này cho phép tất cả các loại giấy nến vui nhộn, đàn piano treo tường hoặc các dự án nghệ thuật tương tác.

Ghi chú mạch

Loại mực dẫn điện này hoạt động giống như một chiếc bút gel bạc, chỉ có điều nó để lại dấu vết cực kỳ dẫn điện trên giấy. Ưu điểm của loại mực này là các rãnh cực kỳ dẫn điện và nó hoạt động giống như một cây bút thật. Nhược điểm là bút đắt tiền, có xu hướng bị khô và bằng cách nào đó bạn phải kẹp các bộ phận của mình xuống giấy để tạo kết nối chắc chắn.

Ban đầu, chúng tôi có một số nam châm tùy chỉnh được tạo thành phù hợp với các lỗ LEGO của chúng tôi. GitHub Repo của chúng tôi có đầy đủ các bộ phận kế thừa được gắn nhãn "tương thích với nam châm". Kết quả cuối cùng là trúng hoặc trượt và chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi chỉ tạo ra những phiên bản tồi của các bộ phận điện tử mà Circuit Scribe đã làm. Lợi ích duy nhất là tạo ra các dự án dựa trên Arduino lớn hơn vì Circuit Scribe không sản xuất bất kỳ bảng Arduino nào, nhưng việc đặt quá nhiều nam châm gần nhau sẽ gây ra các vấn đề riêng.

Chúng tôi cũng nhận ra rằng bất cứ điều gì chúng tôi đang làm với loại mực này, chúng tôi có thể làm với băng dẫn điện tốt hơn nhiều.

Bột mạch Squishy - Bột dẫn điện AKA

Tôi luôn thấy đây là một công cụ học tập tuyệt vời để dạy điện tử cơ bản cho các học sinh nhỏ tuổi. Mặt trái của bột là nó rất thú vị, đặc biệt là với máy cắt bánh quy. Nhược điểm là nó bị khô (giống như bất kỳ loại bột nào) và cũng có điện trở cao.

Chúng tôi có xu hướng sử dụng bột giống như cách chúng tôi sử dụng Sơn dẫn điện trần, như một Điểm tiếp xúc cho các dự án cảm ứng điện dung. Nó thêm một yếu tố thú vị vào hỗn hợp. Thêm vào đó, nếu bạn tạo ra một miếng bột phẳng thực sự lớn, cơ thể của bạn sẽ phản ứng với mạch điện TRƯỚC KHI bạn chạm vào nó. Đôi khi xa đến một inch. Luôn luôn vui khi xem mọi người thử và tìm ra lý do tại sao điều đó xảy ra.

Bước 7: Bo mạch Arduino, Raspberry Pi, Micro: Bit và không dây

Nhìn nhanh vào GitHub Repo của chúng tôi và bạn sẽ thấy rằng chúng tôi có rất nhiều PCB lớn được thiết kế để hoạt động với một số bộ điều khiển vi mô phổ biến. Một trong những lời phàn nàn chính của chúng tôi về rất nhiều hệ thống xây dựng là / là họ khuyến khích mọi người sử dụng một hệ thống lập trình độc quyền hoặc chỉ cho phép bạn sử dụng một nền tảng. Với phần cứng và phần mềm liên tục phát triển, việc khóa mọi người lại hoặc khiến họ phải vứt bỏ các bộ phận sau một vài năm dường như là điều kỳ lạ.

Lựa chọn rõ ràng nhất để bắt đầu với Arduino Nano (đã trở thành Bảng điều khiển người máy của chúng tôi) do kích thước nhỏ và giá cả. Điều này là hoàn hảo cho một loạt các dự án lập trình, chẳng hạn như hiệu ứng ánh sáng hoặc chuyển servo. Chúng tôi cũng quyết định sản xuất một phiên bản giàu tính năng hơn sử dụng Teensy LC, chủ yếu cho khả năng cảm ứng điện dung. Teensy LC (Invention Board) cũng có một số tính năng giả lập bàn phím đẹp mắt và chúng tôi đã nhanh chóng tạo ra một số bộ điều khiển trò chơi thú vị bằng cách sử dụng nó. Năm ngoái, chúng tôi thậm chí còn làm một bộ điều khiển LEGO NES khổng lồ và đăng nó trên Guiductables.

Lập trình rất vui nhưng không phải ai cũng muốn trải qua những rắc rối. Chúng tôi kết hợp một bảng được thiết kế xung quanh một chip ATtiny85 được lập trình trước, chỉ tạo ra các nhấp nháy và mờ dần. Phiên bản sản xuất của chúng tôi sử dụng các bộ phận SMT, tuy nhiên bạn sẽ tìm thấy phiên bản lỗ hổng trong Repo của chúng tôi. Chúng có ích cho các dự án nhỏ hơn như một chiếc áo Giáng sinh xấu xí hoặc một số ngôi sao lấp lánh.

Một điều chúng tôi đã bỏ qua là đánh bóng các bo mạch Raspberry Pi Zero và Micro: Bit. Nói chung, chúng tôi thích Micro: Bit và cộng đồng đã phát triển xung quanh nó. Đối với bảng Raspberry Pi Zero của chúng tôi… chúng tôi thực sự không biết phải làm gì với nó. Nghiêm túc mà nói, ai đó tạo ra điều gì đó thú vị với nó và chúng tôi sẽ gửi cho bạn một số phần.

Chúng tôi cũng có một ý tưởng kỳ quặc là cố gắng kết hợp một số dự án không dây lại với nhau. Chúng tôi cùng nhau tạo ra các bảng cho Bảng Photon Hạt, một vài Bảng Adafruit Feather, và bảng NodeMCU chung. Chúng tôi dựa trên thiết kế cơ bản giống như Nano PCB của chúng tôi với một hàng đầu ghim ở mặt sau.

Bước 8: Kế hoạch tương lai?

Hiện tại, chúng tôi đang trong giai đoạn sản xuất phụ tùng thứ ba với hầu hết doanh số bán hàng của chúng tôi sẽ được chuyển đến trường học, thư viện và Maker Spaces. Chúng tôi đã nhận được rất nhiều phản hồi chắc chắn từ người dùng ở mọi lứa tuổi, điều này đã giúp chúng tôi thiết kế các bộ phận tốt hơn.

Chương trình giảng dạy

Một trong những yêu cầu phổ biến nhất là chương trình giảng dạy sẵn sàng cho lớp học. Lập dự án rất đơn giản; việc tạo nguồn tài liệu cho học sinh và giáo viên trong sáu tuần là khó hơn. Vào cuối tháng 3, chúng tôi sẽ đăng các bản thảo chương trình giảng dạy đầu tiên trên trang web của mình, miễn phí cho mọi người sử dụng. Chúng tôi sẽ có hai bản nhạc, một dành cho mạch cơ bản và một dành cho lập trình cơ bản. Cả hai đều sẽ tập trung vào các bộ phận Mạch điên của chúng tôi, tuy nhiên chúng có thể dễ dàng được sửa đổi để sử dụng các bộ phận trên kệ.

Các bộ phận dây chuyền sản xuất khác

Chúng tôi hiện đang nhận các yêu cầu cho các bộ phận mới. Quá trình này diễn ra chậm nhưng chúng tôi muốn thêm một vài mảnh ghép mới vào đội hình của mình vào cuối năm nay. Hy vọng rằng chúng tôi sẽ có thể sản xuất một số Chiết áp và Linh kiện NeoPixel và bắt đầu thêm chúng vào bộ dụng cụ của chúng tôi. Chúng tôi đã đủ may mắn khi có một số người hâm mộ nhiệt tình đã thiết kế các thành phần của riêng họ và chia sẻ chúng với chúng tôi, và chúng tôi hy vọng sẽ có nhiều người hơn trong tương lai.

Cam kết nguồn mở

Nghe có vẻ như chúng ta đang đánh một con ngựa chết, nhưng chúng tôi thực sự thích các thành phần của chúng tôi là Mã nguồn mở. Chúng tôi sẽ tiếp tục thêm vào các tài nguyên dự án, chương trình giảng dạy và các tệp thiết kế của chúng tôi. Chúng tôi thực sự hy vọng rằng cả người dùng noice và người dùng nâng cao đều có thể bắt đầu tạo các phần của riêng họ hoặc sửa đổi chúng cho các dự án mới.

Giải nhì cuộc thi PCB