مدارهای دیوانه: سیستم یادگیری الکترونیک منبع باز: 8 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

توسط BrownDogGadgetsBrownDogGadgets بیشتر توسط نویسنده دنبال کنید:

درباره: من قبلاً علوم دبیرستان را آموزش می دادم ، اما اکنون وب سایت علوم آموزشی آنلاین خودم را اداره می کنم. من روزهای خود را صرف طراحی پروژه های جدید برای دانش آموزان و سازندگان می کنم. اطلاعات بیشتر در مورد BrownDogGadgets »

بازار آموزش و پرورش مملو از سیستم های یادگیری الکترونیکی مدولار است که برای آموزش مفاهیم کلیدی STEM و STEAM به کودکان و بزرگسالان طراحی شده است. به نظر می رسد محصولاتی مانند LittleBits یا Snapcircuits در هر راهنمای هدیه تعطیلات یا وبلاگ والدین برای اسباب بازی های آموزشی غالب هستند. با این حال ، این سیستم ها همیشه دارای برچسب گران قیمت هستند و بسیاری از آنها بیشتر شبیه اسباب بازی هستند تا ابزارهای یادگیری.

حدود سه سال پیش ما طراحی مدارهای دیوانه را به عنوان سیستمی کم هزینه ، قابل استفاده مجدد ، مدولار ، بدون لحیم کاری ، سرگرم کننده شروع کردیم که می تواند به عنوان یک ابزار یادگیری واقعی مورد استفاده قرار گیرد. ما چیزی را می خواستیم که والدین و معلمان بتوانند به راحتی آنها را با کیت هایی که قبلاً داشتند یا ارزان از اجزای قفسه ترکیب کنند. چیزی که هم برای جامعه سازندگان و هم برای افراد معمولی از آن لذت می برد.

در نهایت مدارهای دیوانه همه چیز بود که ما امیدوار بودیم و بیشتر. این سیستم بی عیب و نقص با هر محیط مبتنی بر LEGO کار می کرد ، به راحتی می توان با نخ رسانا برای دوخت استفاده کرد و به راحتی از مدارهای ساده تا برنامه نویسی پایه کوچک شد. اوه ، و استفاده از آن نیز سرگرم کننده بود که زندگی ما را آسان تر کرد.

در این نوشتار ما به شما نشان می دهیم که چگونه اجزای مدارهای دیوانه را طراحی کرده ایم ، برنامه درسی ما ، چگونه می توانید قطعات خود را بسازید و طراحی کنید و چگونه مدارهای دیوانه با سیستم های دیگر کار می کند.

افشای کامل: ما قطعات و کیت های Crazy Circuits را می فروشیم ، با این حال شما به راحتی می توانید از فایلهای منبع باز ما برای ایجاد تابلوهای خود یا طراحی قطعات خود استفاده کنید. شما می توانید از این سیستم برای همه چیز استفاده کنید و هرگز یک پنی برای ما ارسال نکنید.

Give Aways: ما در سال 2019 تلاش جدیدی می کنیم. ما قطعات و کیت های رایگان را به افرادی (فقط ساکنان ایالات متحده) که ما را در دستورالعمل ها ، فیس بوک ، اینستاگرام و یوتیوب دنبال می کنند هدیه می دهیم. به احتمال زیاد ما چند کیت کامل ، قطعات تمام شده و PCB های خالی را به شما هدیه خواهیم داد. فقط دنبال کنید یا مشترک شوید و ما شروع به دادن چیزها می کنیم.

مرحله 1: فلسفه در پشت مدارهای دیوانه وار

وقتی معلم بودم واقعاً اذیت می شدم که نمی توانم سیستم های الکترونیکی شیک برای کلاس درسم تهیه کنم ، حتی اگر در هر کنفرانس آموزشی یا خدماتی که شرکت می کردم آنها را توصیه می کرد. من فقط بودجه ای برای یک کیت 100 دلاری نداشتم که شامل پنج قسمت بود و در بهترین حالت سه دانش آموز را به مدت پنج دقیقه مشغول می کرد. من کارهایی را که اکثر معلمان علوم انجام می دهند انجام دادم و فقط قطعات خام ارزان را از eBay و آمازون خریدم ، اما این امر باعث شد که من برنامه ریزی درسی جدید و کارهای طراحی فعالیت انجام دهم. من همچنین دریافتم که دانش آموزان جوانم به سختی سر خود را در اطراف تخته نان پیچانده بودند.

من سرانجام توانستم برای خرید برخی از کیت های LittleBits برای استفاده در باشگاه علمی بعد از مدرسه ، کمی بودجه دریافت کنم. استفاده از آنها سرگرم کننده بود (و صادقانه بگویم ، یک سیستم خوب کنار هم) ، اما وقتی از دانش آموزان راهنمایی خواستم تا نحوه کار خود را توضیح دهند ، پاسخ مورد علاقه من در سال "من نمی دانم ، آهن ربا؟" دریافت کردم. اینها بچه هایی بودند که هفته ها قبل مدارهای پیچیده ای را ایجاد کرده بودند ، اما LittleBits بیش از هر چیز یک اسباب بازی بود.

هنگامی که ما شروع به طوفان مغزی یک سیستم مدولار کردیم ، می خواستیم مطمئن شویم که دانش آموزان از چگونگی تعامل بخش ها آگاه هستند و سپس قادرند موازی قسمت های مشترک را ترسیم کنند. ما همچنین می دانستیم که به چیزی شبیه یک تخته نان نیاز داریم ، اما پیچاندن سر آنها راحت تر از یک تخته نان واقعی است. ما همچنین باید آن را سرگرم کننده و جذاب می کردیم.

چالش پذیرفته شد!

مرحله 2: چرا LEGO؟

"loading =" تنبل"

در نهایت ما باید چگونگی اتصال همه چیز را به یکدیگر بیابیم. ما بلافاصله تصمیم گرفتیم که از ایده سیم و گیره تمساح متنفر هستیم. از سادگی همه چیز دور شد ما دوست داشتیم از نوار رسانا استفاده کنیم اما استفاده از نوار فویل مسی غیرممکن بود. ما می توانستیم نوار را پایین بیاوریم اما دوباره بر نمی گردد. ما حتی سعی کردیم از نخ هادی استفاده کنیم اما کنترل آن غیرممکن بود. پس از ساعت ها کار در اسکایپ با کارخانه نوار چینی ، ما برخی از نوارهای رسانای نایلونی سفارشی (نوار ساز) را تولید کردیم که به اندازه کافی قوی بودند تا دوباره از بین بروند ، اما به اندازه کافی ارزان قیمت بودند تا بتوانند با نوار فویل مسی معمولی رقابت کنند.

با تشکر از این واقعیت که ما تعداد زیادی PCB های آزمایشی با حفره های مختلف در کارگاه خود داشتیم ، ما به سرعت توانستیم فاصله اندازه ای را پیدا کنیم که به ما اجازه می دهد با استفاده از نوار رسانای نایلونی یک فشار مناسب را ایجاد کنیم. به این ترتیب دانش آموزان مجبور بودند نوار خود را در یک نقطه خاص به پایان برسانند: آنها در واقع باید زمان می بردند و مدار خود را طراحی می کردند. این جنبه به ما اجازه داد مدارهای دیوانه را به یک ابزار یادگیری تبدیل کنیم ، نه فقط یک اسباب بازی.

استفاده از نوار 1/8 اینچی همچنین دارای مزایای عجیب و غریبی است که اجازه می دهد تا مدارهای دو لایه ایجاد شود. به طور معمول ما نوار را روی بالای ستون های LEGO قرار می دهیم ، اما نوار 1/8 اینچی نیز برای حرکت بین ستون های LEGO کاملاً کار می کرد. مردم می توانند انواع مدارهای پیچیده را با استفاده از نوار چسب در LEGO بسازند. (هرچند کمی ناخوشایند است. اگر غیر از این نبود ، به دانش آموزان اجازه می داد تنها با اندکی تلاش ، از خط موجود "پرش کنند".)

یک نمونه اصلی مدار ممکن است از کلید ، نگهدارنده باتری و LED استفاده کند. برای همه قسمتهای ما از غربال ابریشم سفید برای تعیین قطبهای GND (منفی) و سمت رنگی برای نشان دادن قطبهای مثبت استفاده کردیم. ویدئوی بالا نشان می دهد که من یک مدار ساده ایجاد می کنم. نوار را بچسبانید ، فشار روی قطعات را فشار دهید ، قدرت را اضافه کنید.

مرحله 5: موضوع هدایت کننده

در حین آزمایش متوجه شدیم که نخ رسانا با قطعات ما بسیار خوب کار می کند. به نظر می رسد که سوراخ های بزرگ مس انداخته شده ، دوخت رسانا را بسیار آسان کرده است. برخی از آزمایش کنندگان ما دوخت با قطعات ما را بر استفاده از آنها با LEGO ترجیح دادند.

اگر قبلاً از موضوع هدایت کننده استفاده نکرده اید ، باید امتحان کنید! این معمولاً یک نخ فولادی/ نایلونی است که به خوبی هدایت می شود. دوختن دستی با آن بسیار آسان است و دوختن قطعات روی آن دشوارتر از دوختن دکمه نیست. ما حتی تا آنجا پیش رفته ایم که پیراهن های تعاملی پیچیده ای را با استفاده از آردوینو ساخته ایم. بخش خوب در مورد خیاطی رسانا این است که اگر واقعاً از پروژه خود متنفر هستید ، همیشه می توانید قطعات را بردارید و از آنها برای چیز دیگری استفاده کنید.

فعالیت ما برای بچه ها این است که از آنها بخواهیم با استفاده از LED ، یک نگهدارنده باتری و مجموعه ای از عکس ها دستبند فشاری را ایجاد کنند. ضربه محکم و ناگهانی به انتهای دستبند می رسد و برای تکمیل مدار استفاده می شود. اگر کسی بخواهد از PDF قابل چاپ برای چاپ در کارگاه ها یا فعالیت های خانگی استفاده کند ، ما آن را جمع آوری می کنیم.

مرحله 6: جوهرها و خمیرهای رسانا

در ابتدا ما در کارکرد قطعاتمان با جوهرهای رسانا کاملاً مرده بودیم. این فقط تا حدی کار کرد.

جوهر رسانای برهنه

این جوهر رسانا بسیار شبیه به رنگ پف دار است. نقاشی روی هر سطحی آسان است ، بسیار ارزان است و برای تمیز کردن آسان قابل شستشو با آب است. نکته منفی این است که گرافیت بسیار رسانا نیست و واقعاً بیش از هر چیز مانند یک مقاومت بزرگ عمل می کند. ما هیچ مشکلی در اتصال آن به قطعات مدارهای دیوانه نداریم ، زیرا ممکن است لکه های جوهر روی PCB ها خشک شوند ، اما در حرکت ایمن برق در مدار با مشکل مواجه شدیم.

آنچه ما در نهایت از آن استفاده کردیم یک "نقطه تماس" خازنی برای تخته های Teensy LC سازگار با آردوینو بود. ما نوار را از روی PCB تا لکه های رنگ اجرا می کنیم و سپس مردم رنگ را لمس می کنند. این امکان را برای انواع استنسیل های سرگرم کننده ، پیانوهای دیواری یا پروژه های هنری تعاملی فراهم می کند.

Circuit Scribe

این جوهر رسانا درست مانند یک قلم ژله ای نقره ای عمل می کند ، اما آثار بسیار رسانایی را روی کاغذ پشت سر می گذارد. جنبه مثبت این جوهر این است که ردیابی ها بسیار رسانا هستند و مانند یک قلم واقعی عمل می کند. جنبه های منفی آن این است که قلم ها گران هستند ، تمایل به خشک شدن دارند و شما باید به نحوی قطعات خود را روی کاغذ بچسبانید تا اتصال محکمی ایجاد شود.

ما در ابتدا تعدادی آهنربای سفارشی داشتیم که از سوراخ های LEGO ما استفاده می کردند. GitHub Repo ما مملو از قطعات قدیمی است که برچسب "سازگار با آهن ربا" دارند. نتیجه نهایی مورد ضرب و شتم قرار گرفت و متوجه شدیم که ما نسخه های بد قطعات الکترونیکی را که Circuit Scribe قبلاً ساخته بود ساخته ایم. تنها مزیت ساخت پروژه های بزرگتر مبتنی بر آردوینو بود زیرا Circuit Scribe هیچ تابلوی آردوینو تولید نمی کند ، اما کنار هم قرار دادن آهنرباهای زیاد در کنار هم مشکلات خاص خود را ایجاد کرد.

ما همچنین متوجه شدیم که هر کاری را که با این جوهر انجام می دهیم می توانیم با نوار رسانا بسیار بهتر انجام دهیم.

خمیر مدار Squishy - خمیر رسانا AKA

من همیشه این را یک ابزار یادگیری عالی برای آموزش الکترونیک پایه با دانش آموزان جوان می دانستم. جنبه مثبت خمیر این است که بسیار سرگرم کننده است ، به ویژه با دستگاه های برش کوکی. نکته منفی این است که خشک می شود (مانند هر خمیر) و همچنین بسیار مقاوم است.

ما تمایل داریم از خمیر به همان روشی که از Bare Conductive Paint استفاده می کنیم ، به عنوان یک نقطه تماس برای پروژه های لمسی خازنی استفاده کنیم. این یک عنصر سرگرم کننده به ترکیب اضافه می کند. به علاوه اگر یک تکه خمیر واقعاً بزرگ درست کنید ، بدن شما قبل از لمس کردن با مدار واکنش نشان می دهد. گاهی تا یک اینچ فاصله. همیشه سرگرم کننده است که افراد را امتحان کرده و علت آن را بفهمند.

مرحله 7: Arduino ، Raspberry Pi ، Micro: Bit و Wireless Boards

با نگاهی گذرا به GitHub Repo ما خواهید دید که تعداد زیادی PCB بزرگ برای کار با تعدادی از میکرو کنترلرهای محبوب طراحی شده است. یکی از اصلی ترین شکایات ما در مورد بسیاری از سیستم های ساختمانی این بود/ این است که آنها افراد را مجبور به استفاده از سیستم برنامه نویسی مناسب می کنند یا فقط به شما اجازه می دهند از یک پلت فرم استفاده کنید. با پیشرفت مداوم سخت افزار و نرم افزار ، قفل کردن افراد یا دور انداختن قطعات آنها پس از چند سال عجیب به نظر می رسید.

بدیهی ترین انتخاب برای شروع با آردوینو نانو (که به هیئت رباتیک ما تبدیل شد) به دلیل اندازه کوچک و قیمت مناسب است. این برای طیف گسترده ای از پروژه های برنامه نویسی ، مانند جلوه های روشنایی یا چرخاندن سرویس ها مناسب بود. ما تصمیم گرفتیم نسخه ای با ویژگی های بیشتر و با استفاده از Teensy LC ، عمدتا برای قابلیت های لمسی خازنی ، تولید کنیم. Teensy LC (تخته اختراع) همچنین دارای برخی از ویژگی های شبیه سازی صفحه کلید خوب است و ما به سرعت تعدادی کنترل کننده بازی سرگرم کننده با استفاده از آن ساختیم. سال گذشته ما حتی یک کنترلر بزرگ LEGO NES ساختیم و آن را در Instructables قرار دادیم.

برنامه نویسی سرگرم کننده است ، اما همه نمی خواهند این مشکل را پشت سر بگذارند. ما تخته ای را طراحی کرده ایم که در اطراف یک تراشه از قبل برنامه ریزی شده ATtiny85 طراحی شده است و فقط چشمک می زند و محو می شود. نسخه تولیدی ما از قطعات SMT استفاده می کند ، با این حال شما نسخه Repo را در Repo ما پیدا خواهید کرد. آنها برای پروژه های کوچکتر مانند پیراهن زشت کریسمس یا ستاره های چشمک زن مفید هستند.

یکی از مواردی که ما از انجام آن غافل شده ایم ، صیقل دادن به برد های Raspberry Pi Zero و Micro: Bit است. به طور کلی ما Micro: Bit و جامعه ای که در اطراف آن بوجود آمده را دوست داریم. در مورد برد Raspberry Pi Zero ما … ما به معنای واقعی کلمه هیچ ایده ای نداریم که با آن چه کنیم. به طور جدی ، کسی چیز جالبی را با آن می سازد و ما قسمت هایی را برای شما ارسال می کنیم.

ما همچنین ایده عجیب و غریبی از تلاش برای جمع آوری برخی پروژه های بی سیم را داشتیم. ما فقط تخته هایی برای تخته ذرات فوتون ، چند تخته پر از Adafruit و برد مشترک NodeMCU داریم. ما آنها را بر اساس همان طرح اولیه Nano PCB خود با یک ردیف سرصفحه پین در پشت قرار دادیم.

مرحله 8: برنامه های آینده؟

در حال حاضر ما در مرحله سوم تولید قطعات هستیم و بیشتر فروش ما به مدارس ، کتابخانه ها و Maker Spaces انجام می شود. ما بازخوردهای زیادی از کاربران در هر سنی دریافت کرده ایم که به ما در طراحی قطعات بهتر کمک کرده است.

برنامه درسی

یکی از متداول ترین درخواست ها ، برنامه درسی آماده کلاس درس بوده است. انجام پروژه ها ساده است ؛ تهیه منابع شش هفته ای برای دانش آموزان و معلمان دشوارتر است. تا پایان ماه مارس ، ما اولین پیش نویس برنامه های درسی خود را در وب سایت خود قرار می دهیم که استفاده از آن برای همه رایگان است. ما دو آهنگ داریم ، یکی برای مدار اصلی و دیگری برای برنامه نویسی پایه. هر دو در اطراف قطعات مدارهای دیوانه ما متمرکز می شوند ، با این حال می توان آنها را به راحتی برای استفاده از قطعات قفسه تغییر داد.

قطعات خط تولید بیشتر

ما در حال حاضر درخواست قطعات جدید را دریافت می کنیم. روند کند است ، اما ما می خواهیم چند قطعه جدید را به لیست خود اضافه کنیم تا اواخر امسال. امیدوارم بتوانیم برخی از پتانسیومترها و قطعات NeoPixel را تولید کرده و آنها را به کیت های خود اضافه کنیم. ما به اندازه کافی خوش شانس بودیم که تعدادی طرفدار مشتاق داشتیم که اجزای خود را طراحی کرده و آنها را با ما به اشتراک گذاشتند ، و امیدواریم افراد بیشتری در آینده این کار را انجام دهند.

تعهد به منبع باز

ممکن است به نظر برسد که ما یک اسب مرده را می زنیم ، اما ما واقعاً دوست داریم که اجزای ما منبع باز باشد. ما همچنان به افزودن منابع پروژه ، برنامه درسی و فایل های طراحی خود ادامه می دهیم. ما واقعاً امیدواریم که هم کاربران با صدای بلند و هم پیشرفته بتوانند قطعات خود را ایجاد کرده یا آنها را برای پروژه های جدید تغییر دهند.

جایزه دوم در مسابقه PCB