QQ登录

只需一步,快速开始

Laserblock开源社区

快捷导航
查看: 574|回复: 8

[作品案例] 开源硬件(Arduino)学习实验箱

[复制链接]

该用户从未签到

3

主题

9

帖子

161

积分

中级创客

Rank: 2

积分
161
发表于 2020-10-6 22:31:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 suijf585 于 2020-10-6 22:58 编辑

项目作品案例名称: 开源硬件(Arduino)学习实验箱 作品案例类别:  教具(学具)
作者:  隋杰峰(隋小白)
单位:  乳山市畅园学校
涉及学科或专业领域:Lasermaker设计、开源硬件


一、项目作品概述
以下是创作背景,是创作过程中经历的一下事情,废话较多,可以忽略~
带学生参加科技类的比赛已经多年,直到有一天,学校给了我一个社团(一个小透明的三不管社团),于是,我想,要不要带孩子们玩Arduino呢,毕竟,造物可能比电脑绘画更有趣一点呢~
由于,我是从Arduino UNO R3+面包板+散件开始入门的,于是,也带学生从面包板开始玩,毕竟,也能顺带着学习学习电路知识嘛(其实,主要还是木有钱,散件还是便宜多了),结果自然是惨不忍睹,我觉得很简单的,自以为说的很明白的电路和欧姆定律,学生压根没兴趣听,学生在意的还是创作最初的想法、实现创意的过程和最后的结果,虽然,最终也带出娃儿三两个,对于,这一年的社团活动来说,自然是失败的。。。
于是,我想,要不要换套件,让我们社团课程的入门更简单一些,然先后看过、尝试过一些套件,最终也都没采用(不是不好,是觉得贵,其实,还是因为木有钱)。。。
18年,第一次认识吴老师,认识高程老师,在北京见到了高程老师为S4A设计的一款学具,利用螺丝螺母将UNO 和常见的传感器执行器都固定到了一块激光切割的亚克力板上,恰好,同年夏天,在青岛爱智作匠创空间参与了创客教育普惠行动的一次培训,亲手组装了一套,突然,萌生了一个想法,要不,我也设计一款玩玩?然,当时木有激光切割机,很快抛之脑后,后来自己花钱买了激光切割机,也把这事忘了。。。
不过,在青岛的这几天收获巨大,与一众巨佬好友更为熟稔,(尴尬的是,也收获了痛风,因此,与一些大佬不仅成了好友,也成了病友,哈哈哈哈哈哈哈哈),自此,常跟随吴老师和棚哥(河南省创客教育研究院、17创客空间的肖棚)到处面基,创客的世界果然好玩~
不久之后,也可能是挺久之后,我又一次去到北京面基,应该是创客教育普惠行动的关于虚谷号的培训,这次与棚哥的相逢,好基友居然碰撞出了火花(灵感的),宅男腐女请自觉面壁~晚上,基友相见,自然相谈甚欢,棚哥说,小白,我有个想法,我想用个亚克力做一个盒子(箱子?),把Arduino和所有常见的传感器集成进去,这样的套件,学生学习起来应该很容易吧,刚好,那会,我带了虚谷号和一块笔记本显示屏,我想做一个虚谷号的笔记本,或者,找个箱子(带提手的那种工具箱),把虚谷号和显示屏固定在里面,加上电源,虚谷号所有管脚引出,接上常见的各种元件,打开之后,既是一个笔记本,又是一个可以学习开源硬件的套装,与棚哥的想法不谋而合,然后,我们深入讨论了半夜,觉得,这俩创意可行~
回来之后,我开始断断续续做虚谷号的箱子,然而,为琐事所扰,进度缓慢,用洞洞板焊的扩展板刚出来没多久,就止步于此,项目就此烂尾。。。而此时,我们申请的课题(Arduino校本课程开发方面的)也陷入困境,我们仍苦恼于社团娃儿们Arduino入门的问题,把娃儿们困在入门上的课程开发出来有毛用。。。由于课题研究所需,我们自己丢进去探路的钱也不少了,怎么也得让学校支持一下,当时我们找校长死缠烂打,申请了大概4000块,给我们买了45套左右的散件(我们自定的套件),少是少了点,依然感激学校的支持,散件虽然对学生不太友好,我们也不能扔那不用,毕竟,还是经费太过紧张,每一分钱都要用到刀刃上,能掰三半花,绝不掰两半花,于是,我们开始改良棚哥的方案,做一个开源硬件(Arduino)学习实验箱作为课程入门的教具(学具)~
我们对这个盒子的预期如下:
1.盒子作为一个教具(学具),能够降低学生学习Arduino的入门难度;
2.盒子用Arduino UNO R3作为主控,合理利用 UNO的20个管脚(18个,0和1不用),将常见的传感器和执行器集成到一起;
3.盒子采用便宜的奥松板,合理利用我们之前采购的电子件,在方面学生观察、学习和使用的前提下,尽最大可能降低成本;
4.电子件用螺丝螺母或尼龙铆钉固定,方便拆解更换和维修;
5.盒子结构简单、体积合适、学生上课使用方便,方便分发和收纳。

经过一次次设计、试验,我们不断改进,直至第7版,单个盒子的物料成本压缩至100元以内,话不多说,下面放图~
第5版(超声波测距模块在侧面),在后来的社团活动教学中大大地降低了学生的入门难度,取得了不错的效果~
IMG_20190930_081051 - 副本.jpg
第6版,使用点阵屏时蜂鸣器可能会响,大概是这个问题,记不太清了。。。
IMG_20191113_195414.jpg IMG_20191111_181726.jpg
第7版,赠与吴老师的特别版~用它来参加科技创新大赛的科技辅导员项目,不过成绩不咋地,止步于威海。。。不知道在别的省会咋样,我们山东,竞争格外激烈呀。。。
IMG_20191122_133617.jpg

二、项目作品创作过程
(一)创意来源
高程老师为S4A设计的教具,以及与棚哥的讨论,并在最终为解决社团活动(大班教学)中遇到的学生入门难的问题而做出的改进。
(二)设计理念
能降低学生学习Arduino的入门难度,成本低,简单好用,方便拆解维修,方便分发收纳。
(三)问题分析/可行性分析
1.有高程老师设计的S4A教具的先例,我们的盒子也能设计出来,但需要考虑到这么多电子件高度集成之后的供电问题;
2.奥松板做的方形盒子,成本比亚克力低得多,强度也足够(如果真使劲往地上磕也是会碎的);
3.散件没有固定的尺寸和孔位标准,这还需要借助游标卡尺一个个量;
4.电子件裸露在外,是为了方便学生观察,但难免磕磕碰碰,损坏后,必须要能更换。
(四)创作实现过程
1.电路的可行性
将各种电子件集成到一起,首先,我们应该考虑的就是电路的问题,经过,反复试验,如果第5版的直流电机转速过快,盒子上传程序时板子可能会连接不上电脑,经过试验,在DC口那里接2接18650电池供电即可解决,为此,我们在后续的改进中,更换了电流更小的电机,同样解决了这个问题~UNO扩展板各脚的连接方式如:
2脚:触摸开关
3脚:蓝色LED
4/5脚:超声波测距模块(4-Trig/5-Echo)
6/7脚:L9110控制直流电机
8脚:舵机
9/10/11脚:DS1302(9-RST/10-DAT/11-CLK)
12脚:喇叭
13脚:12位全彩LED
A0脚:光线传感器
A1脚:声音传感器
A2脚:B10K旋钮电位器
A3脚:DHT11温湿度模块
IIC:OLED12864
以下是第7版的电路连接,其他版本就不一一提供了(主要是,找不到了)~另外,硬件清单也找不到了,参考下图即可~
图片1.png
2.设计图纸
手绘图早就扔了,遗憾的是,手机里也木有照片,就不提供了。。。
图纸的设计,从最开始,大致有7个版本,会放在附件中,第4版和第6版找不到了,而且,第6版本身也有点问题,丢失也无关大雅。。。
下图是第5版的图纸
QQ截图20201006213309.jpg
下图是第7版的图纸
QQ截图20201006213332.jpg
3.材料清单

这是第5版的清单,制作的比较早,应该会遗漏点小东西,比如,貌似漏了R3080尼龙铆钉,所以,仅供参考,电子版会放在附件里
QQ图片20201006213615.png
4.工具清单
切割:激光切割机
电子元件的处理:电烙铁、焊锡、剥线钳、热缩管(尴尬。。。这个好像不是工具。。。)等
组装:十字螺丝刀
5.组装过程
组装是个很让人头大的问题,但这里,我不想多写,只要有耐心,总会组装起来的。。。我们学校的40多套,我陆陆续续组装了能有两个月,组装到想吐,能坚持下来,估计可能是因为爱。。。总归还是我的设计不够完美的。。。
大致顺序是这样的:
首先是对一些电子件的处理,比如,LED小灯、全彩LED、旋钮电位器等,都需要焊上杜邦线;
然后,组装的是正面和侧面,在相应孔位上固定相应的传感器,在图纸上,都标注了各个电子件的位置,用尼龙铆钉或螺丝螺母一一固定即可,并接上杜邦线,扩展板最后插,这一步最费时费力,需要耐心;
最后,将盒子组装好,注意四角的固定,在4个角附近留的3mm孔是用M3*50尼龙铆钉+螺丝固定盒子用的。
三、作品的展示与评价
展示就丢个第7版的视频吧,具体教学视频就不放了,毕竟,我讲课那么差,从来不录的。。。

至于评价,毕竟,在教学中用了也有半年了,一点点感受还是有的,也顺带着在这总结一下吧。。。
自己付出心血的设计,怎么也得先给自己吹吹牛,说说优点:
1.在社团活动大班教学中,确实很好用,很方便,课前,学生进教室,自己在柜子里取,课后,自己放回去,省却分发收集整理器材的烦恼;
2.成本低,物料成本不到100块,农村学校只要不是超级贫困的应该都玩得起;
3.极大地降低了学生Arduino入门的难度,配合图形化编程(Mixly)很好用,Mind+也可以,附件中有大概20个案例的程序,两个平台的都有,需要说一下,这仅仅是个学生入门的教具(学具),如果真要开设Arduino课程,必须有后续的关于电路的课程,一学年的课程结构如下:第一阶段,以这个盒子作为学具,开设入门课,第二阶段,讲电子电路,再配合Laserblock搭建作品,第三阶段,以创客马拉松等形式,组织学生自行设计项目。经过我们研究的相关课题(已结题)的实践,我们发现,这种课程结构的社团活动教学效果还是不错的。
然后就是不足:
1.确实设计水平有限,为了控制成本,盒子确实设计的复杂了些,组装是真费功夫;
2.盒子表面的传感器固定在表面是为了方便学生观察,尤其是声音传感器,咪头容易碰掉,然后,螺丝螺母固定的,不能太紧,有的螺母可能会掉,建议,上完螺母,滴点热熔胶,防止螺母脱落;
3.供电问题,第5版的盒子,部分案例单靠数据线供电会不够,需要用7.4V锂电池接DC口供电。
最后是展望
设计这个盒子的初心有两个,一是,解决学生Arduino入门难的问题,二是,降低成本,解决经费不足学校开设Arduino课程学生入门难的问题;
所以,希望喜欢它的人遵循开源协议:CC-BY-NC-SA,成本看得见,不要用它来收人智商税。。。我这么说是不是有点自大,有点道德绑架了。。。
最后是附件:
PS,创作视频就不提供了,主要是,组装过程挺费时间的,不想再组装了,没录。。。
所以,只提供了,图纸,清单,还有盒子的Mixly和Mind+的各大概20个示例程序
开源硬件(Arduino)学习实验箱资料.zip (2.82 MB, 下载次数: 51)
回复

使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    2019-5-29 17:07
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    38

    主题

    88

    帖子

    1383

    积分

    管理员

    Rank: 9Rank: 9Rank: 9

    积分
    1383
    发表于 2020-10-8 09:43:32 | 显示全部楼层
    王者归来,心路历程好评
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    12

    主题

    14

    帖子

    184

    积分

    版主

    Rank: 7Rank: 7Rank: 7

    积分
    184
    发表于 2020-10-9 17:15:54 | 显示全部楼层
    始终强大,小白哥
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    2020-10-15 16:01
  • 签到天数: 6 天

    [LV.2]偶尔看看I

    0

    主题

    22

    帖子

    171

    积分

    中级创客

    Rank: 2

    积分
    171
    发表于 2020-10-9 21:09:53 | 显示全部楼层
    楼主真厉害
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    3

    主题

    9

    帖子

    161

    积分

    中级创客

    Rank: 2

    积分
    161
     楼主| 发表于 2020-10-10 16:33:33 | 显示全部楼层

    我这是穷折腾
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    无聊
    2019-1-7 08:45
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    0

    主题

    3

    帖子

    123

    积分

    中级创客

    Rank: 2

    积分
    123
    发表于 2020-10-10 16:34:15 | 显示全部楼层
    我也爱在“信泰微电子”买arduino的配件,价格便宜,另外“都会明武电子”的小车配件很便宜,麦克纳姆轮带底盘才50多一套。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    3

    主题

    9

    帖子

    161

    积分

    中级创客

    Rank: 2

    积分
    161
     楼主| 发表于 2020-10-10 16:34:23 | 显示全部楼层
    唐西岳 发表于 2020-10-8 09:43
    王者归来,心路历程好评

    要不要写写我与基友们的故事
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    3

    主题

    9

    帖子

    161

    积分

    中级创客

    Rank: 2

    积分
    161
     楼主| 发表于 2020-10-10 16:35:23 | 显示全部楼层
    陈付军 发表于 2020-10-9 17:15
    始终强大,小白哥

    看朋友圈,国庆你们又面基去了。。。我出不去。。。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    3

    主题

    9

    帖子

    161

    积分

    中级创客

    Rank: 2

    积分
    161
     楼主| 发表于 2020-10-10 16:59:26 | 显示全部楼层
    忧伤的琴弦 发表于 2020-10-10 16:34
    我也爱在“信泰微电子”买arduino的配件,价格便宜,另外“都会明武电子”的小车配件很便宜,麦克纳姆轮带 ...

    对啊对啊,质量虽说一般,但做作品完全够用,物美价廉
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

    本版积分规则

    激光创客社区

    Laserblock社区      激光建模     设计图库

    赛事专区      开源课程

    Laserblock官方社区是Laserblock开源结构件的学习和分享平台。为创客,学生和老师提供了丰富的学习资讯、交流论坛、项目分享及学习教程。我们秉承开源、开放的理念,让分享产生更多价值。

    Powered by Discuz! X3.4 © 2001-2013 Comsenz Inc.

    激光切割机|激光建模软件|Laserblock开源社区 ( 粤ICP备14004319号 )

    GMT+8, 2020-10-27 21:02 , Processed in 0.226892 second(s), 31 queries .

    快速回复 返回顶部 返回列表