STEM – 自己造個 Arduino 教學 / 展示平台

自 從 有 了 3D  Printer 之 後 ,我 們 做 DIY project 都 鍾 意 自 己 整 個 case,把 所 有 電 子 零 件 都 裝 在 裡 面 ,成 個 project 的 專 業 程 度 即 時 提 升 10 倍 ( 至 少 睇 起 黎 )。

不 過 ,在 教 學 環 境 又 唔 一 樣 。我 自 己 覺 得 在 學 校 、班 房 ,還 是 應 該 要 畫 公 仔 畫 出 腸 才 最 是 有 實 效 。所 以 收 收 埋 埋 、遮 遮 掩 掩 、將 D 電 子 零 件 收 入 個 外 殼 裡 面 ,係 唔 Work 既 。

其 實 最 開 放 、最 畫 公 仔 畫 出 腸 的 展 示 ,當 然 就 係 使 用 麵 包 板 啦 ( breadboard )。不 過 麵 包 板 就 只 適 合 插 一 些 簡 單 的 電 子 零 件 ,到 了 使 用 感 應 器 模 組 ( sensor module ) 之 後 ,麵 包 板 其 實 就 無 乜 用 了 。

感 應 器 模 組 ,一 般 都 會 搭 配 感 應 器 擴 展 板 ( sensor shield,或 者 I/O expansion shield ) 一 齊 用 。用 感 應 器 擴 展 板 來 接 駁 感 應 器 模 組 ,當 然 就 比 用 麵 包 板 好 用 得 多 。

Arduino + Sensor Module

不 過 ,就 算 接 駁 方 便 ,但 接 完 之 後 都 係 吊 吊 揈 。有 時 電 線 比 較 硬 ( 相 對 於 極 為 輕 巧 的 感 應 器 而 言 ),你 就 只 是 想 感 應 器 好 好 的 在 桌 子 上 朝 上 放 ,都 有 一 定 難 度 。

DIY showcase platform

這 時 候 我 就 喜 歡 自 己 做 一 個 非 常 簡 單 的 展 示 平 台 。平 台 最 主 要 的 就 是 一 塊 板 ,然 後 自 己 在 上 面 鑽 幾 個 小 孔 ,用 以 安 裝 固 定 Arduino 和 感 應 器 模 組 。

平 台 可 以 用 阿 加 力 膠 板 ( 3mm )、MDF 纖 維 板 ( 3mm )、ABS 膠 板 模 型 飛 機 木 板 、甚 至 是 硬 紙 板 。這 些 東 西 在 很 多 較 大 的 文 具 店 、模 型 玩 具 店 都 找 得 到 。我 自 己 喜 歡 把 平 台 做 得 小 小 的 ,方 便 攜 帶 。所 以 我 都 會 買 定 一 堆 10 x 10 cm、10 x 20 cm、A4 size 等 等 的 阿 加 力 膠 板 和 MDF。

至 於 要 鑽 孔 的 位 置 ,如 果 是 自 己 量 度 的 話 ,最 好 就 有 把 好 一 點 的 卡 尺 。如 果 唔 想 自 己 量 度 ,也 可 以 google 一 下 感 應 器 的 尺 寸 圖 ,很 多 都 會 找 得 到 。例 如 我 會 google「1602 lcd dimensions」、「pir sensor dimensions」之 類 ,通 常 就 會 立 即 找 得 到 。不 過 要 留 意 的 是 ,很 多 sensor module 都 不 只 是 得 一 間 廠 出 的 ,不 同 廠 家 生 產 的 大 小 可 能 會 有 些 少 分 別 。

於 是 孔 徑 的 大 小 ,就 取 決 於 你 使 用 什 麼 螺 絲 。一 般 Arduino 和 感 應 器 模 組 ,絕 大 多 數 都 是 使 用 M3M2.5M2 螺 絲 孔 。我 自 己 都 會 買 定 不 同 長 度 的 螺 絲 ,加 上 墊 片 、螺 絲 母 、絕 緣 柱 等 等 放 在 一 起 ,方 便 取 用 ( 盒 子 是 在 執 笠 倉 買 的 ,唔 記 得 5 蚊 定 6 蚊 一 個 ,非 常 好 用 ,我 當 年 一 口 氣 買 了 10 幾 個 )。

分 格 小 盒 子

決 定 好 了 要 鑽 孔 的 位 置 ,和 孔 徑 的 大 小 ,就 可 以 直 接 在 板 材 上 面 標 示 記 號 。但 如 果 你 同 我 一 樣 手 殘 ( 此 非 潮 語 ,是 精 神 性 手 部 殘 廢 的 意 思 ) 的 話 ,那 也 可 以 在 電 腦 畫 張 圖 ,然 後 print 出 來 ,貼 在 板 材 上 面 才 加 工 。

Word – Size

不 要 以 為 一 定 要 用 什 麼 CAD 軟 件 來 畫 圖 才 得 ,其 實 用 Word 的 繪 圖 功 能 就 很 不 錯 了 。在 Word 裡 面 insert shapes,基 本 上 只 要 用 最 簡 單 的 形 狀 就 夠 ,Word 可 以 輕 易 設 定 圖 形 的 實 際 尺 寸 。例 如 我 會 整 一 個 10 x 20cm 的 長 方 形 做 平 台 的 底 部 ,假 如 是 要 放 置 上 面 的 PIR sensor,我 就 會 insert 一 條 直 線 ,長 2.8cm ( 即 28mm )。為 了 強 調 那 個 要 鑽 孔 的 點 ,我 通 常 會 加 上 arrow effect ( Shape Outline -> Arrows,我 多 數 選 圓 點 )。

Word 四 方 形 和 線

1602 LCD 就 更 簡 單 ,孔 距 就 是 75 x 31mm,就 這 樣 畫 一 個 長 方 形 ,四 個 角 就 是 要 鑽 孔 的 位 置 。Word 還 好 一 個 好 處 ,因 為 它 是 文 字 處 理 器 ,所 以 你 可 以 直 接 在 四 方 形 輸 入 文 字 。

IO Shield for NANO

最 麻 煩 的 是 那 些 不 規 則 的 形 狀 ,例 如 萬 惡 的 UNO 和 Nano 的 I/O shield ( 不 過 還 好 ,兩 者 的 螺 絲 孔 是 一 樣 的 )。這 時 候 我 就 會 把 找 到 的 尺 寸 圖 裁 切 好 ,再 放 入 Word 裡 面 調 整 好 大 小 和 位 置 。

Word 完 成 圖

完 成 之 後 ,打 印 出 來 ,貼 在 板 材 上 面 ,照 著 鑽 孔 就 很 準 確 的 了 。你 可 以 買 一 盒 便 宜 的 小 鑽 頭 ( 2mm / 3mm ),用 那 些 小 型 的 12V 充 電 電 鑽 就 夠 力 的 了 。

不 過 鑽 完 孔 都 未 完 事 ,因 為 不 同 的 sensor module 有 不 同 的 安 裝 方 法 ,所 以 我 亦 備 有 不 同 長 度 的 M3 / M2.5 / M2 的 銅 柱 。例 如 上 面 提 到 的 1602 LCD ( 帶 I2C backpack ) 和 PIR sensor,兩 者 都 要 撐 起 離 地 十 幾 mm 來 安 裝 的 ( 因 為 兩 者 原 本 的 安 裝 方 法 是 直 接 安 裝 在 外 殼 裡 面 的 ,所 以 電 路 板 背 面 的 零 件 凸 出 得 比 較 多 )。

如 果 你 覺 得 要 用 螺 絲 穿 過 感 應 器 ,再 穿 過 展 示 板 ,再 在 後 面 安 裝 螺 絲 母 很 不 方 便 的 話 ( 之 間 還 很 可 能 有 墊 片 和 絕 緣 膠 柱 ),你 也 可 以 考 慮 使 用 嵌 入 式 的 螺 絲 母 。你 只 需 要 有 一 把 普 通 的 電 烙 鐵 就 可 以 ,不 需 要 太 過 特 殊 的 工 具 。唯 一 要 注 意 的 是 螺 母 最 好 和 板 材 的 厚 度 一 樣 。

當 然 ,後 來 我 買 了 CNC milling machine ( CNC 雕 刻 機 ),在 那 些 2.5D 的 CAM 軟 體 ,click 幾 下 就 可 以 完 成 以 上 的 操 作 ( 基 本 上 就 是 畫 幾 個 某 某 直 徑 的 圓 ,再 用 XY 座 標 標 明 位 置 。)。然 後 再 click 多 一 下 ,send G code 去 milling machine,幾 分 鐘 孔 就 都 鑽 好 了 。用 CNC 機 當 然 就 比 用 人 手 鑽 孔 精 準 幾 億 萬 倍 了 ( 我 是 指 我 的 人 手 )。

3D 打 印 Arduino 演 示 平 台

近 年 亦 甚 為 流 行 3D Printer,幾 乎 每 一 家 學 校 都 有 ,所 以 我 亦 漸 漸 從 板 材 鑽 孔 ,進 化 到 3D 打 印 。上 圖 的 平 台 就 是 用 免 費 而 又 直 觀 的 Tinkercad 所 畫 出 來 的 ,不 過 就 是 一 些 立 方 體 和 圓 柱 體 堆 砌 合 併 而 成 。

固 定 圓 柱

3D 打 印 最 大 的 問 題 是 所 需 時 間 甚 多 ,不 是 設 計 的 時 間 ,而 是 打 印 的 時 間 。一 個 平 台 等 閒 都 要 打 印 數 個 小 時 。例 如 你 做 一 個 project,設 計 展 示 平 台 用 了 15 分 鐘 ,打 印 3 小 時 。實 試 之 後 發 現 有 點 小 瑕 疵 要 修 改 ,修 改 model 用 了 1 分 鐘 ,打 印 又 是 3 小 時 。隨 著 project 進 行 ,又 有 點 東 西 要 加 ,修 改 設 計 改 了 1 分 鐘 ,打 印 又 是 另 一 個 3 小 時 。重 複 又 重 複 ,唉 。

在 設 計 3D 打 印 的 展 示 平 台 時 ,我 也 作 出 了 一 個 新 的 嘗 試 ,就 是 不 再 使 用 螺 絲 。我 希 望 安 裝 可 以 簡 單 和 快 捷 一 點 。我 按 照 每 一 個 sensor 的 螺 絲 孔 的 位 置 放 置 了 不 同 的 支 撐 圓 柱 ,圓 柱 的 高 度 是 按 照 Sensor 的 安 裝 方 式 而 有 所 不 同 。如 果 設 計 得 當 ,用 摩 擦 力 就 可 以 把 Sensor 固 定 ,即 所 謂 的 friction fit ( 圓 柱 凸 出 的 部 分 剛 好 是 螺 絲 孔 的 大 小 )。要 是 太 鬆 動 ,在 螺 絲 孔 的 位 置 點 一 滴 熱 熔 膠 也 就 很 穩 固 了 。

Self-tapping screws

如 果 friction fit 太 麻 煩 ,要 多 次 調 整 設 計 ,那 另 一 個 做 法 就 是 使 用 self-tapping screw ( 自 攻 螺 絲 ),至 少 可 以 省 下 絕 緣 柱 、螺 絲 母 等 一 些 東 西 。不 過  self-tapping screw 的 螺 絲 孔 容 易 損 壞 ,不 太 能 夠 重 覆 使 用 ,不 利 於 多 次 裝 拆 。

3D 打 印 平 台

上 圖 的 演 示 平 台 ,是 一 個 用 Arduino 示 範 smart home 原 理 的 project。有 LCD,光 敏 電 阻 感 應 器 ,電 子 溫 度 感 應 器 ,PIR motion sensor,再 由 一 個 2 路 繼 電 器 模 組 ,去 控 制 USB 風 扇 和 USB 燈 的 開 關 ( 用 USB 代 替 交 流 電 ,可 以 有 效 防 止 學 生 電 死 ,但 又 可 以 真 正 學 用 繼 電 器 )。

門 窗 警 報 器 Project

除 了 簡 單 的 把 感 應 器 都 排 列 出 來 演 示 ,其 實 3D Printer 還 可 以 打 印 一 些 功 能 性 的 組 件 。例 如 我 最 近 做 了 一 個 示 範 門 窗 警 報 器 原 理 的 project ( 用 reed switch sensor module ),就 連 道 門 都 可 以 3D 打 印 埋 出 來 ,都 唔 知 幾 方 便 。

 

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STEM - 自己造個 Arduino 教學 / 展示平台
修理損壞的 Arduino NANO ( 更換 USB diode )
ctleung張先生,男性,肖龍。
職業:I.T. Consultant
簡介:不好好讀書;七尺差五寸,手長過膝,雙耳垂肩;性寬和,寡言語,喜怒不形於色。據說少時曾斬白蛇於鳳凰山下……

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