Crazy Circuits: ein Open-Source-Elektronik-Lernsystem - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

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Über: Früher habe ich an der Mittelschule Naturwissenschaften unterrichtet, aber jetzt betreibe ich meine eigene Online-Website für Erziehungswissenschaften. Ich verbringe meine Tage damit, neue Projekte zu entwerfen, die Studenten und Macher zusammenstellen können. Mehr über BrownDogGadgets »

Der Bildungs- und Heimmarkt wird mit modularen elektronischen Lernsystemen überschwemmt, die entwickelt wurden, um Kindern und Erwachsenen die wichtigsten MINT- und DAMPF-Konzepte beizubringen. Produkte wie LittleBits oder Snapcircuits scheinen jeden Weihnachtsgeschenkführer oder Elternblog für Lernspielzeug zu dominieren. Diese Systeme sind jedoch immer mit einem hohen Preisschild verbunden und viele fühlen sich eher wie Spielzeug als Lernwerkzeuge an.

Vor ungefähr drei Jahren begannen wir damit, Crazy Circuits als kostengünstiges, wiederverwendbares, modulares, lötfreies, unterhaltsames System zu entwickeln, das als echtes Lernwerkzeug verwendet werden kann. Wir wollten etwas, das Eltern und Lehrer leicht in bereits vorhandene Kits oder kostengünstige Standardkomponenten integrieren können. Etwas, das sowohl die Maker-Community als auch den durchschnittlichen Erwachsenen genießen kann.

Am Ende war Crazy Circuits alles, was wir uns erhofft hatten und mehr. Das System funktionierte einwandfrei mit jeder LEGO-basierten Umgebung, konnte problemlos mit leitfähigem Faden zum Nähen verwendet und von einfachen Schaltungen bis hin zu einfacher Programmierung problemlos skaliert werden. Oh, und es hat auch Spaß gemacht, es zu benutzen, was unser aller Leben einfacher machte.

In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, wie wir Crazy Circuits-Komponenten entworfen haben, unseren Lehrplan, wie Sie Ihre eigenen Teile herstellen und entwerfen können und wie Crazy Circuits mit anderen Systemen zusammenarbeitet.

Vollständige Offenlegung: Wir verkaufen Crazy Circuits-Teile und -Kits, Sie können jedoch ganz einfach unsere Open Source-Dateien verwenden, um Ihre eigenen Boards zusammenzustellen oder Ihre eigenen Teile zu entwerfen. Sie können dieses System für alle möglichen Dinge verwenden und senden uns keinen einzigen Cent.

Give Aways: Wir probieren 2019 etwas Neues aus. Wir verschenken kostenlose Teile und Kits an Leute (nur US-Bürger), die uns auf Instructables, Facebook, Instagram und YouTube folgen. Höchstwahrscheinlich werden wir ein paar komplette Kits, fertige Teile und blanko PCBs verlosen. Einfach folgen oder abonnieren und wir werden anfangen, Sachen zu verschenken.

Schritt 1: Philosophie hinter Crazy Circuits

Als Lehrer ärgerte ich mich wirklich, dass ich mir keine ausgefallenen elektronischen Systeme für mein Klassenzimmer leisten konnte, obwohl jede Lehrkonferenz oder Fortbildung, die ich besuchte, sie immer wieder empfahl. Ich hatte einfach kein Budget für einen 100-Dollar-Bausatz, der mit fünf Teilen geliefert wurde und bestenfalls drei Studenten für fünf Minuten beschäftigen würde. Am Ende tat ich das, was die meisten Naturwissenschaftslehrer tun, und kaufte einfach billige Rohteile bei eBay und Amazon, aber das erforderte von mir eine Menge neuer Unterrichtsplanung und Aktivitätsdesign. Ich fand auch, dass es meinen jüngeren Schülern schwer fiel, ihren Kopf um Steckbretter zu wickeln.

Ich konnte schließlich etwas Geld aufbringen, um einige LittleBits-Kits für meinen Wissenschaftsclub nach der Schule zu kaufen. Es machte Spaß, sie zu benutzen (und um ehrlich zu sein, ein gut zusammengestelltes System), aber als ich meine Mittelschüler fragte, wie sie funktionieren, erhielt ich meine Lieblingsantwort des Jahres "Ich weiß nicht, Magnete?". Das waren Kinder, die Wochen zuvor einige komplizierte Schaltungen gebaut hatten, aber LittleBits wirkte eher wie ein Spielzeug als alles andere.

Als wir mit dem Brainstorming eines modularen Systems begannen, wollten wir sicherstellen, dass die Schüler wissen, WIE Teile interagieren, und dann in der Lage sind, Parallelen zu gemeinsamen Teilen zu ziehen. Wir wussten auch, dass wir so etwas wie ein Steckbrett brauchten, aber einfacher zu wickeln als ein echtes Steckbrett. Wir mussten es auch unterhaltsam und ansprechend gestalten.

Herausforderung angenommen!

Schritt 2: Warum LEGO?

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Zuletzt mussten wir herausfinden, wie wir alles miteinander verbinden. Wir haben sofort entschieden, dass wir die Idee von Drähten und Krokodilklemmen hassten; es nahm von der Einfachheit von allem ab. Wir mochten es, leitfähiges Klebeband zu verwenden, aber das Kupferfolienband war unmöglich zu verwenden. Wir konnten das Band runterholen, aber es kam nicht wieder hoch. Wir haben sogar versucht, leitfähige Fäden zu verwenden, aber das erwies sich als unmöglich zu kontrollieren. Nach vielen Stunden bei Skype mit einer Bandfabrik in China stellten wir ein kundenspezifisches leitfähiges Nylonband (Maker Tape) her, das stark genug war, um sich wieder abzulösen, aber dennoch kostengünstig genug, um mit herkömmlichem Kupferfolienband wettbewerbsfähig zu sein.

Dank der Tatsache, dass wir in unserer Werkstatt viele Testleiterplatten mit unterschiedlich großen Löchern hatten, konnten wir schnell einen Größenabstand finden, der es uns ermöglichte, mit dem Nylon Conductive Tape einen Drucksitz herzustellen. Auf diese Weise MUSSTEN die Studenten ihr Band an einer bestimmten Stelle beenden: Sie mussten sich tatsächlich Zeit nehmen und ihre Schaltung entwerfen. Dieser Aspekt hat es uns ermöglicht, Crazy Circuits zu einem Lernwerkzeug zu machen, nicht nur zu einem Spielzeug.

Die Verwendung von 1/8-Zoll-Band hatte auch den seltsamen Nebenvorteil, zweischichtige Schaltungen zu ermöglichen. Normalerweise würden wir das Klebeband über die Oberseite der LEGO-Stollen legen, aber das 1/8-Zoll-Band funktionierte auch perfekt, um auch ZWISCHEN den LEGO-Stollen zu gehen. Die Leute konnten alle möglichen komplizierten Schaltungen mit Klebeband auf LEGO herstellen. (Allerdings etwas umständlich. Nicht zuletzt ermöglichte es den Schülern, mit nur wenig Aufwand eine bestehende Linie zu "springen".)

Eine einfache Beispielschaltung könnte einen Schalter, einen Batteriehalter und eine LED verwenden. Für alle unsere Teile haben wir weißes Siebdruckverfahren verwendet, um die GND-Pole (Negativ) und die farbige Seite die Pluspole anzuzeigen. Das obige Video zeigt mir, wie ich eine einfache Schaltung mache. Klebeband ablegen, Druck auf Teile aufsetzen, Leistung hinzufügen.

Schritt 5: Leitfähiges Gewinde

Beim Testen haben wir festgestellt, dass leitfähiges Garn mit unseren Teilen sehr gut funktioniert. Es stellte sich heraus, dass große kupferplattierte Löcher das leitfähige Nähen wirklich einfach machten. Einige unserer Tester haben es vorgezogen, mit unseren Teilen zu nähen, anstatt sie mit LEGO zu verwenden.

Wenn Sie noch nie leitfähiges Garn verwendet haben, sollten Sie es versuchen! Es ist normalerweise ein Stahl-/Nylonfaden, der ziemlich gut leitet. Das Nähen von Hand ist damit ganz einfach und das Annähen von Teilen ist nicht schwieriger als das Annähen eines Knopfes. Wir sind sogar so weit gegangen, komplizierte interaktive Shirts mit einem Arduino herzustellen. Das Schöne am leitfähigen Nähen ist, dass Sie, wenn Sie Ihr Projekt wirklich hassen, die Teile jederzeit abnehmen und für etwas anderes verwenden können.

Unsere „Go-to“-Aktivität für Kinder besteht darin, sie ein Knopfdruckarmband mit einer LED, einem Batteriehalter und einem Satz Druckknöpfe herstellen zu lassen. Die Druckknöpfe befinden sich am Ende des Armbands und werden verwendet, um den Kreislauf zu vervollständigen. Wir haben ein schönes druckbares PDF zusammengestellt, wenn jemand es für Workshops oder Heimaktivitäten verwenden möchte.

Schritt 6: Leitfähige Tinten & Teige

Am Anfang waren wir fest entschlossen, unsere Teile mit leitfähigen Tinten arbeiten zu lassen. Dies hat nur teilweise funktioniert.

Blanke leitfähige Tinte

Diese leitfähige Tinte ist geschwollener Farbe ziemlich ähnlich. Es ist einfach auf jede Oberfläche zu malen, ist ziemlich kostengünstig und kann für eine einfache Reinigung mit Wasser gewaschen werden. Der Nachteil ist, dass der Graphit nicht sehr leitfähig ist und vor allem wie ein großer Widerstand wirkt. Wir hatten keine Probleme, es mit Crazy Circuits Parts zu verbinden, da wir Tintenkleckse über den PCBs trocknen lassen konnten, aber wir hatten Probleme, die Energie sicher in der Schaltung zu bewegen.

Am Ende haben wir es für einen kapazitiven Lack-"Touchpoint" für unsere Arduino-kompatiblen Teensy LC-Boards verwendet. Wir führen Klebeband von der Leiterplatte zu den Farbklecksen und dann berühren die Leute die Farbe. Dies ermöglicht alle Arten von lustigen Schablonen, Wandklavieren oder interaktiven Kunstprojekten.

Schaltungsschreiber

Diese leitfähige Tinte funktioniert wie ein silberner Gelstift, nur hinterlässt sie extrem leitfähige Spuren auf dem Papier. Der Vorteil dieser Tinte ist, dass die Traces extrem leitfähig sind und wie ein echter Stift wirken. Die Nachteile sind, dass die Stifte teuer sind, zum Austrocknen neigen und Sie Ihre Teile irgendwie auf das Papier klemmen müssen, um eine feste Verbindung herzustellen.

Wir hatten ursprünglich einige benutzerdefinierte Magnete anfertigen lassen, die durch unsere LEGO-Löcher passen. Unser GitHub Repo ist voll von Legacy-Teilen, die als "magnetkompatibel" gekennzeichnet sind. Das Endergebnis war ein Hit oder Miss und wir stellten fest, dass wir nur schlechte Versionen von Elektronikteilen gemacht haben, die Circuit Scribe bereits hergestellt hat. Der einzige Vorteil bestand darin, größere Arduino-basierte Projekte zu erstellen, da Circuit Scribe keine Arduino-Boards herstellt, aber das Aneinanderreihen von zu vielen Magneten führte zu eigenen Problemen.

Wir erkannten auch, dass wir alles, was wir mit dieser Tinte machten, mit leitfähigem Klebeband viel besser machen konnten.

Squishy Circuits Teig - AKA leitfähiger Teig

Ich fand dies immer ein hervorragendes Lernwerkzeug, um jüngeren Schülern grundlegende Elektronik zu unterrichten. Der Vorteil des Teigs ist, dass er sehr unterhaltsam ist, insbesondere mit Ausstechformen. Der Nachteil ist, dass es austrocknet (wie jeder Teig) und auch sehr widerstandsfähig ist.

Wir neigen dazu, den Teig auf die gleiche Weise wie die Bare Conductive Paint als Touch Point für kapazitive Touch-Projekte zu verwenden. Es fügt dem Mix ein lustiges Element hinzu. Und wenn Sie ein wirklich großes, flaches Teigstück machen, reagiert Ihr Körper mit der Schaltung, BEVOR Sie es berühren. Manchmal bis zu einem Zentimeter entfernt. Es macht immer Spaß zu sehen, wie die Leute versuchen, herauszufinden, warum es passiert.

Schritt 7: Arduino, Raspberry Pi, Micro:Bit und Wireless Boards

Ein kurzer Blick auf unser GitHub Repo und Sie werden sehen, dass wir viele große PCBs haben, die für eine Reihe beliebter Mikrocontroller entwickelt wurden. Eine unserer Hauptbeschwerden über viele Bausysteme war, dass sie die Leute dazu bringen, ein proprietäres Programmiersystem zu verwenden oder Ihnen nur die Verwendung einer Plattform ermöglichen. Da sich Hard- und Software ständig weiterentwickeln, schien es seltsam, Leute einzusperren oder sie nach ein paar Jahren Teile wegwerfen zu lassen.

Die naheliegendste Wahl, um mit einem Arduino Nano (das zu unserem Robotics Board wurde) aufgrund der geringen Größe und des geringen Preises zu beginnen. Dies war perfekt für eine Vielzahl von Programmierprojekten, wie zum Beispiel Lichteffekte oder drehende Servos. Wir haben uns entschieden, auch eine funktionsreichere Version zu produzieren, die einen Teensy LC verwendet, hauptsächlich für die kapazitiven Touch-Funktionen. Das Teensy LC (Invention Board) hat auch einige nette Tastaturemulationsfunktionen und wir haben schnell einige lustige Gamecontroller entwickelt, die es verwenden. Letztes Jahr haben wir sogar einen riesigen LEGO NES-Controller hergestellt und auf Instructables veröffentlicht.

Programmieren macht Spaß, aber nicht jeder möchte sich die Mühe machen. Wir haben ein Board zusammengestellt, das um einen vorprogrammierten ATtiny85-Chip herum entwickelt wurde, der nur Blinks und Fades ausgibt. Unsere Produktionsversion verwendet SMT-Teile, Sie finden jedoch eine Durchgangslochversion in unserem Repo. Sie sind praktisch für kleinere Projekte wie ein hässliches Weihnachtshemd oder ein paar funkelnde Sterne.

Eine Sache, die wir versäumt haben, ist, unsere Raspberry Pi Zero- und Micro:Bit-Boards aufzupolieren. Im Allgemeinen mögen wir das Micro:Bit und die Community, die darum herum entstanden ist. Was unser Raspberry Pi Zero Board betrifft… wir haben buchstäblich keine Ahnung, was wir damit anfangen sollen. Im Ernst, jemand macht etwas Interessantes damit und wir schicken dir ein paar Teile.

Wir hatten auch die verrückte Idee, einige drahtlose Projekte zusammenzustellen. Wir haben Boards für das Particle Photon Board, ein paar Adafruit Feather Boards und das gemeinsame NodeMCU Board zusammengestellt. Wir basieren sie auf dem gleichen Grunddesign wie unsere Nano-Platine mit einer Reihe von Stiftleisten auf der Rückseite.

Schritt 8: Zukunftspläne?

Derzeit befinden wir uns mitten in einem dritten Produktionslauf von Teilen, wobei der Großteil unserer Verkäufe an Schulen, Bibliotheken und Maker Spaces geht. Wir haben viele solide Rückmeldungen von Benutzern jeden Alters erhalten, die uns geholfen haben, bessere Teile zu entwickeln.

Lehrplan

Eine der häufigsten Anfragen war ein klassenzimmertauglicher Lehrplan. Das Erstellen von Projekten ist einfach; Es ist schwieriger, sechs Wochen Ressourcen für Schüler und Lehrer zusammenzustellen. Bis Ende März werden wir unsere ersten Curriculum-Entwürfe auf unserer Website veröffentlichen, die jeder kostenlos nutzen kann. Wir haben zwei Spuren, eine für die grundlegende Schaltung und eine für die grundlegende Programmierung. Beide werden um unsere Crazy Circuits-Teile zentriert, können jedoch leicht modifiziert werden, um Standardteile zu verwenden.

Mehr Produktionslinienteile

Wir nehmen derzeit Anfragen für neue Teile entgegen. Der Prozess ist langsam, aber wir wollen noch in diesem Jahr ein paar neue Stücke zu unserem Lineup hinzufügen. Hoffentlich können wir einige Potentiometer und NeoPixel-Komponenten herstellen und beginnen, sie zu unseren Kits hinzuzufügen. Wir hatten das Glück, einige begeisterte Fans zu haben, die ihre eigenen Komponenten entwickelt und mit uns geteilt haben, und wir hoffen, dass es in Zukunft noch mehr Leute tun werden.

Engagement für Open Source

Es mag klingen, als würden wir ein totes Pferd schlagen, aber wir mögen es wirklich, wenn unsere Komponenten Open Source sind. Wir werden unsere Projektressourcen, Lehrpläne und Designdateien weiterhin erweitern. Wir hoffen sehr, dass sowohl Anfänger als auch fortgeschrittene Benutzer damit beginnen können, ihre eigenen Teile zu erstellen oder sie für neue Projekte zu modifizieren.

Zweiter Preis beim PCB-Wettbewerb