Review: Arduino-compatibel elektronicaplatform van Short Circuits

Ik begon met eenvoudige elektronicakits te spelen toen ik voor het eerst geïnteresseerd raakte in elektronica. Ik herinner me dat ik een printplaat soldeerde die zogenaamd muggen zou verdrijven en een andere die een politiesirene liet horen als je op een knop drukte.
 
Ik zette deze schakelingen in elkaar puur omdat ik nieuwsgierig was naar elektronica. Toch leerde ik er niets van, behalve slecht soldeerwerk. Deze bouwpakketten bevatten geen instructies om te leren solderen, ze bestonden gewoon uit een zak met onderdelen, aangevuld met een bedradingsschema. Om te begrijpen wat ik aan het doen was, wat elk onderdeel deed en hoe deze onderdelen samenwerkten, moest ik extra boeken en tijdschriften kopen (dit was vóór het internet tijdperk). Dit waren gemiste leermomenten.

Nadat ik dagenlang met de elektronicakits van Short Circuits heb gewerkt, kan ik met een gerust hart zeggen dat Short Circuits de kunst van elektronicakits en STEM-onderwijs goed onder de knie heeft. Ik zal het uitleggen.

Wat is Short Circuits?

Short Circuits is een elektronica-onderwijsbedrijf dat elektronicakits maakt. Elke kit is een complete elektronicacursus, ondersteund met gedetailleerde documentatie (waarover later meer).
 
Mijn eerste indruk van Short Circuits toen ik de doos opende was de topkwaliteit van de onderdelen van de kit.
 

 
Mijn tweede indruk ontstond na het bekijken van de meegeleverde documentatie. Zoveel aandacht voor detail in een document bij zelfbouw-hardware is zeldzaam. De Short Circuits documentatie behoort met gemak tot de beste educatieve materialen over elektronica.
 
Er zijn verschillende kits verkrijgbaar en er zijn er nog meer in ontwikkeling. Elke kit bestaat uit een printplaat, een zakje componenten, een bedradingsoverzicht en een ongelooflijk goed ontworpen en geschreven uitgebreid PDF-document. Naar mijn bescheiden mening is het PDF-document het meest waardevolle onderdeel van elke kit, en ik zal dadelijk uitleggen waarom.

Elke kit heeft een specifieke functie. Een kit genaamd de 'Digitiser' bevat bijvoorbeeld een numeriek LED-display, knoppen en een potentiometer. Je kunt de Digitiser gebruiken om getallen weer te geven. Een andere kit genaamd de 'Sensor Array' bevat verschillende sensoren plus een SD-kaartmodule. Je kunt de sensorarray gebruiken om omgevingsmetingen te doen en de gegevens op een SD-kaart te loggen.
 
Deze kits zijn ontworpen om samen te werken, hebben dezelfde geometrie en zijn stapelbaar. De hoofdprintplaat van elke kit heeft dezelfde standaard rechthoekige vorm, en een rij schroefklemmen aan één zijde. Je kunt deze printplaten onderling verbinden (of externe componenten aansluiten) door draden aan te sluiten op deze schroefklemmen.

De kits van Short Circuits zijn ontworpen om te werken met een Arduino UNO of ander compatibel board. De programma's in de documentatie zijn compatibel met het Arduino UNO board. Maar er is ook een speciale kit, het 'Moederbord', die compatibel is met de Arduino UNO en de rest van de kits kan aansturen. Ik heb de Digitiser, Sensor Array en RGB Matrix kits getest met een Arduino UNO en het Moederbord; in alle gevallen werkten ze goed..

De kits worden ongemonteerd geleverd, dus jij, de leerling, moet ze in elkaar zetten door de componenten op de printplaten te solderen. Later meer over het solderen.

Al doende leren

Laten we de hardwaredetails even buiten beschouwing laten en ons richten op het leren. Laten we zeggen dat je nog nooit hebt gesoldeerd. Geen probleem. De documentatie van Short Circuits legt je uit hoe je alles soldeert, zelfs de kleine SMD (surface mounted devices), voor wie op zoek is naar een extra uitdaging. Hier is een fragment uit de documentatie bij een van de kits met betrekking tot de soldeertechniek:
 

 
Er moet zoveel gesoldeerd worden dat je na het solderen van één kit een expert bent. Het kostte me ongeveer een uur om de RGB-Matrix kit te solderen. De grootste uitdaging was het solderen van de transistors omdat de transistoraansluitpennen zo dicht bij elkaar zitten.
 
Hier is een van mijn boards tijdens de montage:
 

Hoe werken schakelingen?

Het leren gaat verder met schakelingen. Hoe werken transistors bijvoorbeeld? De bouwpakketten gebruiken transistors als schakelaars en in de documentatie wordt uitgelegd waarom ze worden gebruikt en hoe ze deelnemen aan de schakeling. Elk detail op de printplaat en elk onderdeel wordt in detail uitgelegd op een niveau dat geschikt is voor beginners, maar ook op een complete manier. De auteurs hebben bijvoorbeeld zelfs een complete set formules gegeven (met voorbeelden hoe ze te gebruiken) om de leerling te helpen begrijpen hoe de waarde van de basistransistors, stromen en meer berekend moeten worden.

Als docent is dit niveau van beschrijving en detail essentieel. Het is het soort informatie dat elders moeilijk te vinden is.

Ja, in een elektronicaboek vind je uitleg over de werking van een NPN-transistor. In zo'n boek lees je over de basis, de collector en de emitter en leer je hoe je de basisweerstand berekent. Het is gemakkelijk om documentatie te vinden over het gebruik van een component zoals een transistor in een onbeduidende schakeling.

Maar het is zeldzaam om documentatie te vinden over de integratie van dit component in een compleet en werkend circuit, zoals in het RGB matrix bord. Je kunt zien hoe het component werkt in dit circuit in relatie tot de andere componenten.

Met de gedetailleerde uitleg die de documentatie van Short Circuits geeft, zal de leerling het gevoel hebben dat hij weet hoe en waarom de schakeling werkt.

Mijn soldeerervaring

Ik moet een paar dingen zeggen over mijn soldeerervaring: Ik beschouw mezelf als een soldeer expert. Maar ik heb de laatste jaren niet veel gesoldeerd, omdat ik voornamelijk met breadboards en insteekmodules werk. Ik ontwerp mijn printplaten (meestal) ook zo dat ze gemakkelijk te vullen zijn met headers of laat printplaatfabrikanten het soldeerwerk doen om mij de tijd te besparen.
 
Het solderen van de vier kits van Short Circuits kostte me bijna een dag. Deze keer zaten er een paar soldeerfoutjes in die ik moest herstellen. De meeste componenten zijn through-hole en eenvoudig om mee te werken. Sommige through hole componenten, vooral de transistors, zijn lastig om mee te werken vanwege de korte afstand tussen de pinnen. Geduld is aanbevolen.
 
Er zijn ook veel SMD (surface-mounted devices) die veel moeilijker te solderen zijn, vooral voor beginners. Ik heb een vergrootglas gebruikt om me te helpen, want deze componenten zijn piepklein!
 

 
Het moederbord bevat bijvoorbeeld veel SMD LED's en weerstanden naast de rij schroefaansluitingen. Er is ook een SMD USB-connector (zie foto linksonder). Short Circuits erkent dat deze SMD's relatief moeilijk te solderen zijn en geeft je de optie om ze niet te solderen als je dat niet wilt. Het board werkt ook zonder. Ik besloot ze te monteren omdat ik het gewoon niet kon laten. Alle LED's werkten prima, op één na, en zelfs de USB-connector werkte.
 
Als je een bouwpakket van Short Circuit in elkaar zet, moet je geduld hebben. Voor zover ik weet kun je geen geassembleerde versie van de kits kopen. Als je echter geduld hebt, een soldeerbout met een fijne punt en dun soldeer (loodhoudend soldeer is makkelijker om mee te werken) hebt en de instructies in de PDF van de kit leest, zul je aan het eind van de assemblage meer dan gemiddelde soldeervaardigheden hebben.

Het gebruik van Short Circuits

Ik heb geschreven over de kits, de documentatie en het solderen. Hoe is het om een kit van Short Circuits te gebruiken?

We gebruiken bijvoorbeeld het moederbord (een Arduino UNO-compatibel board zonder USB-naar-serieel interface) en een van de 'dochterborden', zoals de Digitiser. Je kunt de mijne hieronder zien:
 

 
De experimenten van Short Circuits beginnen met de bedrading. Gebruik jumper draden om de printplaten met elkaar te verbinden via hun schroefklemmen. Zoals verwacht zijn de bedradingsinstructies in de documentatie uitstekend (zie onderstaand voorbeeld).
 

 
Natuurlijk vertelt de documentatie je niet alleen hoe je de bedrading moet doen, maar ook waarom de bedrading op zo'n manier wordt gedaan.
 
Vervolgens heb je een manier nodig om de sketch van het project vanaf je computer naar het moederbord te uploaden. Aangezien het moederbord geen USB-naar-serieel module bevat (zoals die op een regulier Arduino UNO board is ingebouwd), moet je of een Arduino UNO gebruiken om als USB-naar-serieel brug te fungeren, of een USB-naar-serieel module aangesloten op de FTDI header op het moederbord. Ik heb de laatste optie gebruikt (zie hieronder).
 

 
Met de FTDI module aangesloten op het moederbord via de FTDI header en op mijn computer via de USB connector, startte ik mijn Arduino IDE. Haal het sketch voorbeeld van de Short Circuits website en kopieer het naar een nieuw Arduino IDE sketch venster.
 

 
Om deze sketch naar het moederbord te uploaden, selecteer je net als bij een gewone Arduino het type board (Arduino UNO) en de aangesloten poort (in mijn geval /dev/cu.usbserial-A50285BI) en klik je op de knop uploaden.

Het oordeel

Ondanks het vervelende soldeerwerk (dat bevredigend is zolang je in de juiste stemming bent), heb ik genoten van mijn tijd met Short Circuits. Laat ik dit overzichtsartikel afsluiten met een lijst van voor- en nadelen:
 

• Pluspunt: Educatief - Lees de handleiding, zet de kits in elkaar, lees en upload de sketches en je zult een grondige kennis van de hard- en softwaredomeinen krijgen.
• Pluspunt: Uitgebreid - De kits worden geleverd met alles wat je nodig hebt om het circuit te bouwen, inclusief een gedetailleerde handleiding die je bij elke stap begeleidt.
• Pluspunt: Compatibel met Arduino IDE - Het moederbord is compatibel met Arduino en de Arduino IDE, waardoor het veelzijdig is voor verschillende projecten. Denk eraan: je hebt een FTDI module nodig.
• Pluspunt: Community - Short Circuits bouwt aan een community waar je je eigen ontwerpen kunt delen en van anderen kunt leren.
• Pluspunt: Milieuvriendelijk - De verpakking heeft een minimum aan plastic, en de handleidingen staan online om het milieu minder te belasten.
• Minpunt Pluspunt: Assemblage vereist - Je hebt een soldeerbout, soldeer, een schroevendraaier en een inbussleutel nodig om de bouwpakketten in elkaar te zetten. Je hebt ook veel geduld nodig. Maar dat is juist leuk!
• Minpunt: Ik zou graag een betere organisatie zien voor de sketch voorbeelden. Op dit moment zijn de sketches te downloaden in de forums van Short Circuits.
• Minpunt: Meer sketch voorbeelden! Er is maar één sketch voorbeeld voor elke kit in productie. Ik zou er veel meer willen zien.
   

Kortom, de bouwpakketten van Short Circuits zijn een prachtige, praktische manier om meer te leren over microcontrollers en schakelingen. Als je ooit hebt willen begrijpen hoe de apparaten om je heen werken, dan zijn deze bouwpakketten een geweldige manier om te beginnen.


Peter Dalmaris

Peter is de Chief Geek en hoofdinstructeur bij Tech Explorations. Hij schrijft boeken en geeft cursussen over onderwerpen als Arduino, Raspberry Pi en KiCad.