Circuitos loucos: um sistema de aprendizado eletrônico de código aberto: 8 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

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Sobre: Eu costumava ensinar ciências no ensino médio, mas agora tenho meu próprio site de ciências educacionais online. Eu passo meus dias desenhando novos projetos para alunos e Makers colocarem juntos. Mais sobre BrownDogGadgets »

O mercado educacional e doméstico está inundado com sistemas eletrônicos modulares de 'aprendizagem' projetados para ensinar a crianças e adultos os principais conceitos STEM e STEAM. Produtos como LittleBits ou Snapcircuits parecem dominar todos os guias de presentes de Natal ou blogs de pais para brinquedos educativos. No entanto, esses sistemas sempre vêm com um alto preço anexado e muitos parecem mais brinquedos do que ferramentas de aprendizagem.

Há cerca de três anos, começamos a projetar os Crazy Circuits como um sistema de baixo custo, reutilizável, modular, sem solda, divertido, que poderia ser usado como uma ferramenta real de aprendizagem. Queríamos algo que pais e professores pudessem integrar facilmente com os kits que eles já tinham ou com componentes de prateleira baratos. Algo para a comunidade Maker aproveitar e também para o adulto comum.

No final, o Crazy Circuits era tudo o que esperávamos e muito mais. O sistema funcionou perfeitamente com qualquer ambiente baseado em LEGO, poderia ser facilmente usado com linha condutora para costura e facilmente escalonado de circuitos simples até a programação básica. Ah, e também era divertido de usar, o que tornava nossas vidas mais fáceis.

Neste artigo, vamos mostrar como projetamos os componentes do Crazy Circuits, nosso currículo, como você pode fazer e projetar suas próprias peças e como o Crazy Circuits funciona com outros sistemas.

Divulgação completa: Nós vendemos peças e kits de Crazy Circuits, no entanto, você pode usar facilmente nossos arquivos de código aberto para fazer suas próprias placas ou projetar suas próprias peças. Você pode usar este sistema para todos os tipos de coisas e nunca nos enviar um único centavo.

Give Aways: Estamos tentando algo novo em 2019. Estamos distribuindo peças e kits grátis para pessoas (apenas residentes nos EUA) que nos seguem no instructables, Facebook, Instagram e YouTube. Provavelmente iremos distribuir alguns kits completos, peças acabadas e placas de circuito impresso vazias. Basta seguir ou se inscrever e começaremos a distribuir novidades.

Etapa 1: Filosofia por trás dos circuitos malucos

Quando eu era professor, ficava realmente aborrecido por não ter condições de comprar sistemas eletrônicos sofisticados para minha sala de aula, embora todas as conferências de ensino ou em serviço de que participasse continuassem recomendando-os. Eu simplesmente não tinha um orçamento para um kit de $ 100 que vinha com cinco peças e, na melhor das hipóteses, manteria três alunos ocupados por cinco minutos. Acabei fazendo o que a maioria dos professores de ciências faz e apenas comprei peças brutas baratas no eBay e na Amazon, mas isso exigiu que eu fizesse um monte de novos planejamentos de aulas e trabalhos de design de atividades. Eu também descobri que meus alunos mais novos tinham dificuldade em entender as tábuas de pão.

Por fim, consegui algum financiamento para comprar alguns kits LittleBits para usar no meu clube de ciências depois da escola. Eles eram divertidos de usar (e para ser honesto, um sistema bem elaborado), mas quando pedi aos meus alunos do ensino médio que explicassem como funcionavam, recebi minha resposta favorita do ano "Não sei, ímãs?". Eram crianças que haviam construído alguns circuitos complicados semanas antes, mas LittleBits parecia mais um brinquedo do que qualquer outra coisa.

Quando começamos o brainstorming de um sistema modular, queríamos ter certeza de que os alunos estivessem cientes de COMO as partes estavam interagindo e pudessem traçar paralelos com as partes comuns. Também sabíamos que precisávamos de algo semelhante a uma placa de ensaio, mas mais fácil de envolver do que uma placa de ensaio real. Também tínhamos que torná-lo divertido e envolvente.

Desafio aceito!

Etapa 2: Por que LEGO?

"carregando =" preguiçoso"

Por último, tivemos que descobrir como conectar tudo junto. Imediatamente decidimos que odiava a ideia de fios e pinças de crocodilo; tirou a simplicidade de tudo. Gostávamos de usar fita condutora, mas a fita de folha de cobre era impossível de usar. Poderíamos baixar a fita, mas ela não voltaria a subir. Nós até tentamos usar um fio condutor, mas isso provou ser impossível de controlar. Depois de muitas horas no Skype com uma fábrica de fitas na China, fabricamos uma fita condutora de náilon customizada (fita Maker) que era forte o suficiente para se soltar novamente, mas barata o suficiente para ser competitiva com a fita comum de folha de cobre.

Graças ao fato de termos muitos PCBs de teste com orifícios de tamanhos diferentes em nossa oficina, pudemos rapidamente encontrar um espaçamento de tamanho que nos permitiu fazer um ajuste de pressão usando a fita condutora de náilon. Desta forma, os alunos TINHAM que terminar sua fita em um ponto específico: eles tinham que realmente reservar um tempo e projetar seu circuito. Esse aspecto nos permitiu transformar o Crazy Circuits em uma ferramenta de aprendizagem, não apenas um brinquedo.

Usar fita de 1/8 de polegada também teve o benefício estranho de permitir circuitos de duas camadas. Normalmente colocamos a fita sobre o TOPO dos pregos de LEGO, mas a fita de 1/8 de polegada também funcionou perfeitamente para ir ENTRE os pregos de LEGO. As pessoas podiam fazer todos os tipos de circuitos complicados usando fita adesiva em LEGO. (Embora um pouco estranho. No mínimo, permitiu aos alunos 'pular' uma linha existente com apenas um pouco de esforço.)

Um exemplo de circuito básico pode usar um interruptor, suporte de bateria e um LED. Para todas as nossas peças utilizamos serigrafia branca para designar os pólos GND (Negativo) e o lado colorido para indicar os pólos Positivos. O vídeo acima me mostra fazendo um circuito simples. Coloque a fita, ajuste a pressão nas peças e acrescente potência.

Etapa 5: Fio condutor

Durante os testes, descobrimos que a linha condutora funcionou muito bem com nossas peças. Acontece que grandes orifícios platinados de cobre tornaram a costura condutiva muito fácil. Alguns de nossos testadores preferiram costurar com nossas peças a usá-las com LEGO.

Se você nunca usou o fio condutor antes, deve tentar! É tipicamente um fio de aço / náilon que conduz muito bem. Costurar à mão com ele é muito fácil e costurar as partes não é mais difícil do que costurar um botão. Chegamos até a fazer camisetas interativas complicadas usando um Arduino. A parte boa sobre costura condutiva é que se você realmente odeia seu projeto, você sempre pode tirar as partes e usá-las para outra coisa.

Nossa atividade para crianças é fazer com que elas façam uma pulseira de encaixe de botão usando um LED, um suporte de bateria e um conjunto de fechos. Os botões de pressão vão na ponta da pulseira e são usados para completar o circuito. Reunimos um PDF para impressão, se alguém quiser usá-lo em workshops ou atividades caseiras.

Etapa 6: tintas e massas condutoras

No início, estávamos determinados a fazer nossas peças funcionarem com tintas condutoras. Isso funcionou apenas parcialmente.

Tinta Condutiva Nua

Essa tinta condutora é muito semelhante à tinta inchada. É fácil de pintar em qualquer superfície, é bastante barato e pode ser lavado com água para uma limpeza fácil. A desvantagem é que o grafite não é muito condutivo e realmente atua como um grande resistor mais do que qualquer coisa. Não tivemos problemas para conectá-lo às peças de circuitos malucos, já que podíamos secar os blobs de tinta sobre os PCBs, mas tivemos problemas para mover a energia no circuito com segurança.

O que acabamos usando foi um "ponto de toque" de pintura capacitiva para nossas placas Teensy LC compatíveis com Arduino. Passamos a fita do PCB para as manchas de tinta e então as pessoas tocam na tinta. Isso permite todos os tipos de estênceis divertidos, pianos de parede ou projetos de arte interativos.

Escriba de circuito

Esta tinta condutora funciona como uma caneta de gel prateado, mas deixa traços extremamente condutores no papel. A vantagem dessa tinta é que os traçados são extremamente condutores e ela age como uma caneta de verdade. A desvantagem é que as canetas são caras, tendem a secar e você precisa prender as peças no papel para fazer uma conexão sólida.

Originalmente, tínhamos alguns ímãs personalizados que se encaixavam em nossos orifícios de LEGO. Nosso GitHub Repo está cheio de peças legadas que são rotuladas como "compatível com ímã". O resultado final foi um acerto ou erro e percebemos que meio que criamos versões ruins de peças eletrônicas que o Circuit Scribe já fabricava. O único benefício era fazer projetos maiores baseados em Arduino, uma vez que o Circuit Scribe não produz placas Arduino, mas colocar muitos ímãs juntos acabou causando seus próprios problemas.

Também percebemos que qualquer coisa que estivéssemos fazendo com essa tinta, poderíamos fazer com uma fita condutora muito melhor.

Massa de circuitos mole - também conhecida como massa condutiva

Sempre achei esta uma excelente ferramenta de aprendizado para ensinar eletrônica básica a alunos mais jovens. A vantagem da massa é que ela é muito divertida, especialmente com cortadores de biscoitos. A desvantagem é que seca (como qualquer massa) e também é altamente resistente.

Temos a tendência de usar a massa da mesma forma que usamos a tinta condutora nua, como um ponto de toque para projetos de toque capacitativo. Adiciona um elemento divertido à mistura. Além disso, se você fizer um pedaço de massa realmente grande e achatado, seu corpo reagirá ao circuito ANTES de tocá-lo. Às vezes, até uma polegada de distância. É sempre divertido ver as pessoas tentando descobrir por que isso está acontecendo.

Etapa 7: Arduino, Raspberry Pi, Micro: placas de bits e sem fio

Uma rápida olhada em nosso GitHub Repo e você verá que temos muitos PCBs grandes projetados para funcionar com vários microcontroladores populares. Uma de nossas principais reclamações sobre muitos sistemas de construção foi / é que eles colocam as pessoas em um sistema de programação de propriedade ou permitem que você use apenas uma plataforma. Com o hardware e o software em constante evolução, parecia estranho prender as pessoas ou fazer com que jogassem peças fora depois de alguns anos.

A escolha mais óbvia para começar com um Arduino Nano (que se tornou nossa placa de robótica) devido ao tamanho pequeno e ao preço. Isso era perfeito para uma ampla gama de projetos de programação, como efeitos de iluminação ou torneamento de servos. Decidimos também produzir uma versão mais rica em recursos do que usar um Teensy LC, principalmente para os recursos de toque capacitivo. O Teensy LC (Invention Board) também possui alguns recursos de emulação de teclado interessantes e rapidamente criamos alguns controladores de jogo divertidos usando-o. No ano passado, até fizemos um controlador LEGO NES gigante e postamos no Instructables.

Programar é divertido, mas nem todo mundo quer passar pelo aborrecimento. Montamos uma placa projetada em torno de um chip ATtiny85 pré-programado que apenas pisca e apaga. Nossa versão de produção usa peças SMT, no entanto, você encontrará uma versão de furo passante em nosso Repo. Eles são úteis para projetos menores, como uma camisa de Natal feia ou algumas estrelas cintilantes.

Uma coisa que deixamos de fazer é polir nossas placas Raspberry Pi Zero e Micro: Bit. Em geral, gostamos do Micro: Bit e da comunidade que surgiu em torno dele. Quanto à nossa placa Raspberry Pi Zero … literalmente não temos ideia do que fazer com ela. Sério, alguém faz algo interessante com ele e enviaremos algumas peças para você.

Também tivemos a ideia maluca de tentar montar alguns projetos wireless. Juntamos placas para a placa de fótons de partículas, algumas placas de penas Adafruit e a placa comum NodeMCU. Nós os baseamos no mesmo design básico de nosso Nano PCB com uma fileira de conectores de pinos na parte traseira.

Etapa 8: Planos futuros?

Atualmente, estamos no meio de uma terceira rodada de fabricação de peças, com a maioria de nossas vendas indo para escolas, bibliotecas e Maker Spaces. Recebemos muitos comentários sólidos de usuários de todas as idades, o que nos ajudou a projetar peças melhores.

Currículo

Uma das solicitações mais comuns tem sido por um currículo pronto para a sala de aula. Criar projetos é simples; fazer seis semanas de recursos para alunos e professores é mais difícil. No final de março estaremos postando nossos primeiros rascunhos de currículo em nosso site, de graça para qualquer pessoa usar. Teremos duas trilhas, uma para circuitos básicos e outra para programação básica. Ambos serão centralizados em torno das peças do Crazy Circuits, no entanto, eles podem ser facilmente modificados para usar as peças prontas para uso.

Mais peças de linha de produção

No momento, estamos aceitando pedidos de novas peças. O processo é lento, mas queremos adicionar algumas peças novas à nossa programação para o final deste ano. Esperamos poder fabricar alguns potenciômetros e componentes NeoPixel e começar a adicioná-los aos nossos kits. Temos a sorte de ter alguns fãs entusiasmados que desenvolveram seus próprios componentes e os compartilharam conosco, e esperamos que mais pessoas o façam no futuro.

Compromisso com o Código Aberto

Pode parecer que estamos batendo em um cavalo morto, mas realmente gostamos de ter nossos componentes de código aberto. Continuaremos adicionando recursos de projeto, currículo e arquivos de design. Nós realmente esperamos que os usuários noice e advance possam começar a criar suas próprias peças ou modificá-las para novos projetos.

Segundo Prêmio no Concurso PCB