Crazy Circuits: un sistema di apprendimento dell'elettronica open source: 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

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Informazioni: insegnavo scienze alle scuole medie, ma ora gestisco il mio sito web di scienze educative online. Passo le mie giornate a disegnare nuovi progetti da mettere insieme a studenti e Maker. Maggiori informazioni su BrownDogGadgets »

Il mercato dell'istruzione e della casa è invaso da sistemi di "apprendimento" elettronici modulari progettati per insegnare a bambini e adulti i concetti chiave di STEM e STEAM. Prodotti come LittleBits o Snapcircuits sembrano dominare ogni guida ai regali per le feste o blog dei genitori per i giocattoli educativi. Tuttavia, questi sistemi hanno sempre un prezzo elevato e molti sembrano più giocattoli che strumenti di apprendimento.

Circa tre anni fa abbiamo iniziato a progettare Crazy Circuits come un sistema a basso costo, riutilizzabile, modulare, senza saldature, divertente, che potesse essere utilizzato come un vero e proprio strumento di apprendimento. Volevamo qualcosa che genitori e insegnanti potessero integrare facilmente con i kit che già possedevano o con componenti poco costosi disponibili in commercio. Qualcosa sia per la community di Maker che per l'adulto medio.

Alla fine Crazy Circuits è stato tutto ciò che speravamo e anche di più. Il sistema funzionava perfettamente con qualsiasi ambiente basato su LEGO, poteva essere facilmente utilizzato con filo conduttivo per cucire e facilmente ridimensionato da semplici circuiti attraverso la programmazione di base. Oh, ed è stato anche divertente da usare, il che ha reso le nostre vite più facili.

In questo articolo ti mostreremo come abbiamo progettato i componenti di Crazy Circuits, il nostro curriculum, come puoi creare e progettare le tue parti e i modi in cui Crazy Circuits funziona con altri sistemi.

Divulgazione completa: vendiamo parti e kit Crazy Circuits, tuttavia puoi facilmente utilizzare i nostri file Open Source per creare le tue schede o progettare le tue parti. Puoi usare questo sistema per tutti i tipi di cose e non inviarci mai un solo centesimo.

Give Away: stiamo provando qualcosa di nuovo nel 2019. Stiamo regalando parti e kit gratuiti alle persone (solo residenti negli Stati Uniti) che ci seguono su instructables, Facebook, Instagram e YouTube. Molto probabilmente regaleremo un paio di kit completi, parti finite e PCB vuoti. Segui o iscriviti e inizieremo a regalare cose.

Passaggio 1: filosofia dietro circuiti folli

Quando ero un insegnante ero davvero seccato di non potermi permettere sistemi elettronici fantasiosi per la mia classe, anche se ogni conferenza di insegnamento o servizio a cui partecipavo continuava a raccomandarli. Semplicemente non avevo un budget per un kit da $ 100 che veniva fornito con cinque parti e nella migliore delle ipotesi avrebbe tenuto occupati tre studenti per cinque minuti. Ho finito per fare quello che fa la maggior parte degli insegnanti di scienze e ho appena comprato parti grezze a buon mercato su eBay e Amazon, ma ciò mi ha richiesto di fare un sacco di nuove lezioni di pianificazione e lavoro di progettazione delle attività. Ho anche scoperto che i miei studenti più giovani hanno avuto difficoltà ad avvolgere la testa attorno alle breadboard.

Alla fine sono riuscito a ottenere dei fondi per acquistare alcuni kit LittleBits da utilizzare con il mio club di scienze dopo la scuola. Erano divertenti da usare (e ad essere onesti, un sistema ben costruito), ma quando ho chiesto ai miei studenti delle medie di spiegare come funzionavano ho ricevuto la mia risposta preferita dell'anno "Non lo so, magneti?". Erano bambini che settimane prima stavano costruendo circuiti complicati, ma LittleBits si è rivelato più un giocattolo che altro.

Quando abbiamo iniziato a fare brainstorming su un sistema modulare, volevamo assicurarci che gli studenti fossero consapevoli di COME le parti interagiscono e fossero quindi in grado di tracciare parallelismi con le parti comuni. Sapevamo anche che avevamo bisogno di qualcosa di simile a una breadboard, ma più facile da avvolgere la testa rispetto a una breadboard reale. Abbiamo anche dovuto renderlo divertente e coinvolgente.

Sfida accettata!

Passaggio 2: perché LEGO?

"caricamento = "pigro"

Infine abbiamo dovuto capire come collegare tutto insieme. Abbiamo subito deciso che odiavamo l'idea di fili e coccodrilli; toglieva la semplicità di tutto. Ci piaceva usare il nastro conduttivo, ma il nastro in lamina di rame era impossibile da usare. Potremmo abbassare il nastro, ma non tornerà più. Abbiamo anche provato a usare un filo conduttivo, ma si è rivelato impossibile da controllare. Dopo molte ore su Skype con una fabbrica di nastri in Cina, abbiamo prodotto del nastro conduttivo in nylon personalizzato (nastro Maker) che era abbastanza forte da staccarsi di nuovo, ma abbastanza economico da essere competitivo con il comune nastro in lamina di rame.

Grazie al fatto che abbiamo avuto un sacco di PCB di prova con fori di diverse dimensioni nella nostra officina, siamo stati rapidamente in grado di trovare una spaziatura di dimensioni che ci ha permesso di fare un adattamento a pressione usando il nastro conduttivo in nylon. In questo modo gli studenti DOVREBBERO terminare il loro nastro in un punto specifico: dovevano effettivamente prendere tempo e progettare il loro circuito. Questo aspetto ci ha permesso di trasformare Crazy Circuits in uno strumento di apprendimento, non solo un giocattolo.

L'uso di nastro da 1/8 di pollice ha anche avuto lo strano vantaggio di consentire circuiti a due strati. Normalmente posiamo il nastro sopra la PARTE SUPERIORE dei perni LEGO, ma anche il nastro da 1/8 di pollice ha funzionato perfettamente anche per andare TRA i perni LEGO. Le persone potrebbero realizzare tutti i tipi di circuiti complicati usando il nastro su LEGO. (Anche se un po' imbarazzante. Se non altro ha permesso agli studenti di "saltare" una linea esistente con solo un piccolo sforzo.)

Un circuito di esempio di base potrebbe utilizzare un interruttore, un portabatteria e un LED. Per tutte le nostre parti abbiamo utilizzato la serigrafia bianca per designare i poli GND (Negativo) e il lato colorato per indicare i poli Positivi. Il video sopra mi mostra fare un semplice circuito. Stendi il nastro, fai pressione sulle parti, aggiungi potenza.

Passaggio 5: filo conduttivo

Durante i test abbiamo scoperto che il filo conduttivo funzionava molto bene con le nostre parti. Si scopre che i grandi fori placcati in rame hanno reso la cucitura conduttiva davvero facile. Alcuni dei nostri tester hanno preferito cucire con le nostre parti piuttosto che usarle con LEGO.

Se non hai mai usato il filo conduttivo prima dovresti provare! Di solito è un filo di acciaio/nylon che conduce abbastanza bene. Cucire a mano è abbastanza facile e cucire le parti non è più difficile che cucire un bottone. Siamo persino arrivati al punto di creare complicate magliette interattive usando un Arduino. La parte bella del cucito conduttivo è che se odi davvero il tuo progetto puoi sempre togliere le parti e usarle per qualcos'altro.

La nostra attività "go to" per i bambini consiste nel fargli realizzare un braccialetto con bottone a pressione usando un LED, un portabatteria e un set di bottoni automatici. I bottoni automatici vanno all'estremità del braccialetto e servono per completare il circuito. Abbiamo messo insieme un bel PDF stampabile se qualcuno vuole usarlo per workshop o attività domestiche.

Passaggio 6: inchiostri e impasti conduttivi

All'inizio eravamo decisi a far funzionare le nostre parti con inchiostri conduttivi. Questo ha funzionato solo in parte.

Inchiostro nudo conduttivo

Questo inchiostro conduttivo è abbastanza simile alla vernice gonfia. È facile da dipingere su qualsiasi superficie, è piuttosto economico ed è lavabile con acqua per una facile pulizia. Il rovescio della medaglia è che la grafite non è molto conduttiva e si comporta davvero come un grande resistore più di ogni altra cosa. Non abbiamo avuto problemi a collegarlo a Crazy Circuits Parts poiché avremmo potuto asciugare macchie di inchiostro sui PCB, ma abbiamo avuto problemi a spostare la potenza nel circuito in modo sicuro.

Alla fine l'abbiamo usato per un "punto di contatto" di vernice capacitiva per le nostre schede Teensy LC compatibili con Arduino. Facciamo scorrere il nastro dal PCB alle macchie di vernice e poi le persone toccano la vernice. Ciò consente tutti i tipi di stencil divertenti, pianoforti da parete o progetti artistici interattivi.

Scriba Circuito

Questo inchiostro conduttivo funziona proprio come una penna gel d'argento, solo che lascia tracce estremamente conduttive sulla carta. Il vantaggio di questo inchiostro è che i tracciati sono estremamente conduttivi e si comportano come una vera penna. Gli svantaggi sono che le penne sono costose, tendono ad asciugarsi e devi in qualche modo fissare le tue parti sulla carta per creare una connessione solida.

Originariamente avevamo dei magneti personalizzati che si adattavano ai nostri fori LEGO. Il nostro repository GitHub è pieno di parti legacy etichettate come "compatibili con magneti". Il risultato finale è stato incostante e ci siamo resi conto che in un certo senso avevamo solo fatto versioni scadenti di parti elettroniche già realizzate da Circuit Scribe. L'unico vantaggio era realizzare progetti basati su Arduino più grandi poiché Circuit Scribe non produce alcuna scheda Arduino, ma mettere troppi magneti vicini tra loro ha finito per causare i propri problemi.

Ci siamo anche resi conto che tutto ciò che stavamo facendo con questo inchiostro potevamo farlo molto meglio con il nastro conduttivo.

Pasta Squishy Circuits - AKA Pasta Conduttiva

L'ho sempre trovato un eccellente strumento di apprendimento per insegnare l'elettronica di base con gli studenti più giovani. Il vantaggio dell'impasto è che è molto divertente, specialmente con i tagliabiscotti. Il rovescio della medaglia è che si asciuga (come qualsiasi impasto) ed è anche molto resistente.

Tendiamo a utilizzare l'impasto allo stesso modo in cui utilizziamo la vernice conduttiva nuda, come punto di contatto per progetti tattili capacitivi. Aggiunge un elemento divertente al mix. Inoltre, se fai un pezzo di pasta piatto davvero grande, il tuo corpo reagirà con il circuito PRIMA di toccarlo. A volte fino a un pollice di distanza. È sempre divertente guardare le persone che cercano di capire perché sta succedendo.

Passaggio 7: schede Arduino, Raspberry Pi, Micro: Bit e Wireless

Una rapida occhiata al nostro GitHub Repo e vedrai che abbiamo molti PCB di grandi dimensioni progettati per funzionare con un numero di microcontrollori popolari. Una delle nostre principali lamentele riguardo a molti sistemi di costruzione era/è che insinuano le persone nell'uso di un sistema di programmazione proprietario o consentono di utilizzare solo una piattaforma. Con hardware e software in continua evoluzione, sembrava strano rinchiudere le persone o farle buttare via delle parti dopo un paio d'anni.

La scelta più ovvia per iniziare con un Arduino Nano (che è diventato la nostra Robotics Board) a causa delle dimensioni ridotte e del prezzo. Questo era perfetto per una vasta gamma di progetti di programmazione, come effetti di luce o servomotori. Abbiamo deciso di produrre anche una versione più ricca di funzionalità che utilizza un Teensy LC, principalmente per le capacità touch capacitive. La Teensy LC (Invention Board) ha anche alcune belle funzionalità di emulazione della tastiera e abbiamo rapidamente creato alcuni controller di gioco divertenti che la utilizzano. L'anno scorso abbiamo persino realizzato un gigantesco controller LEGO NES e l'abbiamo pubblicato su Instructables.

La programmazione è divertente, ma non tutti vogliono affrontare la seccatura. Abbiamo messo insieme una scheda progettata attorno a un chip ATtiny85 preprogrammato che emette solo lampeggi e dissolvenze. La nostra versione di produzione utilizza parti SMT, tuttavia troverai una versione con foro passante nel nostro Repo. Sono utili per progetti più piccoli come una brutta maglietta di Natale o alcune stelle scintillanti.

Una cosa che abbiamo trascurato di fare è perfezionare le nostre schede Raspberry Pi Zero e Micro:Bit. In generale ci piace il Micro:Bit e la community che è nata intorno ad esso. Per quanto riguarda la nostra scheda Raspberry Pi Zero… non abbiamo letteralmente idea di cosa farne. Seriamente, qualcuno ne realizzerà qualcosa di interessante e ti invieremo alcune parti.

Abbiamo anche avuto la bizzarra idea di provare a mettere insieme alcuni progetti wireless. Ma insieme abbiamo le schede per la Particle Photon Board, un paio di Adafruit Feather Board e la comune scheda NodeMCU. Li abbiamo basati sullo stesso design di base del nostro Nano PCB con una fila di connettori sul retro.

Passaggio 8: piani futuri?

Attualmente siamo nel mezzo di una terza serie di produzione di parti con la maggior parte delle nostre vendite destinate a scuole, biblioteche e Maker Spaces. Abbiamo ricevuto molti feedback solidi da utenti di tutte le età che ci hanno aiutato a progettare parti migliori.

curriculum

Una delle richieste più comuni è stata quella di un curriculum pronto per l'aula. Realizzare progetti è semplice; accumulare sei settimane di risorse per studenti e insegnanti è più difficile. Entro la fine di marzo pubblicheremo le nostre prime bozze di curriculum sul nostro sito Web, gratuite per l'uso da parte di chiunque. Avremo due tracce, una per i circuiti di base e una per la programmazione di base. Entrambi saranno incentrati sulle nostre parti Crazy Circuits, tuttavia potrebbero essere facilmente modificati per utilizzare parti standard.

Altre parti della linea di produzione

Attualmente stiamo accettando richieste per nuove parti. Il processo è lento, ma vogliamo aggiungere un paio di nuovi pezzi alla nostra formazione per la fine dell'anno. Speriamo di essere in grado di produrre alcuni potenziometri e componenti NeoPixel e iniziare ad aggiungerli ai nostri kit. Siamo stati abbastanza fortunati da avere alcuni fan entusiasti che hanno progettato i propri componenti e li hanno condivisi con noi, e speriamo che più persone lo facciano in futuro.

Impegno per l'Open Source

Può sembrare che stiamo battendo un cavallo morto, ma ci piace davvero che i nostri componenti siano Open Source. Continueremo ad aggiungere risorse al nostro progetto, curriculum e file di progettazione. Speriamo davvero che sia noice che gli utenti avanzati possano iniziare a creare le proprie parti o modificarle per nuovi progetti.

Secondo Premio al Concorso PCB