Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Thí Nghiệm Sử Dụng Vi Điều Khiển và Cảm Biến

Luận văn tốt nghiệp luật học nghiên cứu tốt nghiệp sư phạm vật lý chế tạo bộ thí nghiệm kiểm chứng ba định luật thực nghiệm của chất khí có, điều tra thực trạng, phân tích số

• Tác giả: Nguyễn Tấn Phát
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Lâm Duy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lý
• Đề tài: Chế Tạo Bộ Thí Nghiệm Kiểm Chứng Ba Định Luật Thực Nghiệm Của Chất Khí Có Sử Dụng Vi Điều Khiển Và Cảm Biến
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: VI ĐIỀU KHIỂN PIC
• 1.1. KHAI QUÁT VỀ VI ĐIỀU KHIỂN
• 1.2. KHÁI QUÁT VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC
• 2. CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN VÀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ LIÊN QUAN
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ KHỐI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Thí Nghiệm

Nghiên cứu thiết kế bộ thí nghiệm sử dụng vi điều khiển và cảm biến là một lĩnh vực quan trọng trong giáo dục và nghiên cứu khoa học. Bộ thí nghiệm này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các định luật vật lý mà còn nâng cao khả năng thực hành và ứng dụng công nghệ trong giảng dạy. Việc áp dụng công nghệ hiện đại vào bộ thí nghiệm giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong việc thu thập dữ liệu.

1.1. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Vi Điều Khiển

Việc sử dụng vi điều khiển trong thiết kế bộ thí nghiệm mang lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, nó giúp tự động hóa quá trình thu thập dữ liệu, giảm thiểu sai sót do con người. Thứ hai, vi điều khiển cho phép thực hiện các phép đo chính xác hơn, từ đó nâng cao chất lượng kết quả thí nghiệm.

1.2. Vai Trò Của Cảm Biến Trong Thí Nghiệm

Các cảm biến như cảm biến nhiệt độ và áp suất đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu. Chúng giúp đo lường các thông số trạng thái của chất khí một cách chính xác và nhanh chóng, từ đó hỗ trợ cho việc kiểm chứng các định luật vật lý.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Bộ Thí Nghiệm Hiện Đại

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc thiết kế bộ thí nghiệm sử dụng vi điều khiển và cảm biến cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là việc tích hợp các linh kiện điện tử một cách hiệu quả. Điều này đòi hỏi kiến thức sâu rộng về điện tử và lập trình.

2.1. Khó Khăn Trong Việc Tích Hợp Linh Kiện

Việc tích hợp các linh kiện như cảm biến và vi điều khiển vào một hệ thống đồng bộ là một thách thức lớn. Cần phải đảm bảo rằng các linh kiện này hoạt động hài hòa với nhau để thu thập dữ liệu chính xác.

2.2. Đòi Hỏi Về Kiến Thức Kỹ Thuật

Người thiết kế cần có kiến thức vững về điện tử và lập trình để có thể xây dựng và lập trình cho bộ thí nghiệm. Điều này có thể là một rào cản đối với nhiều sinh viên và giáo viên.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bộ Thí Nghiệm Sử Dụng Vi Điều Khiển

Để thiết kế bộ thí nghiệm hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và kỹ thuật. Việc lựa chọn vi điều khiển phù hợp và các cảm biến cần thiết là rất quan trọng. Các bước thiết kế bao gồm nghiên cứu, lập kế hoạch, và thực hiện thí nghiệm.

3.1. Lựa Chọn Vi Điều Khiển Phù Hợp

Việc lựa chọn vi điều khiển phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm là rất quan trọng. Các yếu tố như tốc độ xử lý, khả năng giao tiếp và chi phí cần được xem xét kỹ lưỡng.

3.2. Thiết Kế Mạch Điện Tử

Thiết kế mạch điện tử là bước quan trọng trong quá trình chế tạo bộ thí nghiệm. Cần phải đảm bảo rằng các linh kiện được kết nối đúng cách và hoạt động ổn định.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bộ Thí Nghiệm

Bộ thí nghiệm sử dụng vi điều khiển và cảm biến có nhiều ứng dụng thực tiễn trong giáo dục và nghiên cứu. Nó không chỉ giúp sinh viên thực hành mà còn hỗ trợ giáo viên trong việc giảng dạy các khái niệm vật lý phức tạp.

4.1. Hỗ Trợ Giảng Dạy Vật Lý

Bộ thí nghiệm giúp giáo viên dễ dàng minh họa các khái niệm vật lý như áp suất, thể tích và nhiệt độ. Điều này giúp học sinh hiểu rõ hơn về các định luật vật lý.

4.2. Nâng Cao Kỹ Năng Thực Hành

Sinh viên có cơ hội thực hành với các thiết bị hiện đại, từ đó nâng cao kỹ năng thực hành và khả năng ứng dụng công nghệ trong nghiên cứu.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Thí Nghiệm

Nghiên cứu thiết kế bộ thí nghiệm sử dụng vi điều khiển và cảm biến không chỉ mang lại giá trị giáo dục mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới. Tương lai của bộ thí nghiệm này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự tiến bộ của công nghệ.

5.1. Tương Lai Của Bộ Thí Nghiệm

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, bộ thí nghiệm sẽ ngày càng được cải tiến, giúp nâng cao chất lượng giáo dục và nghiên cứu.

5.2. Khuyến Khích Nghiên Cứu Khoa Học

Bộ thí nghiệm sẽ khuyến khích sinh viên tham gia vào các nghiên cứu khoa học, từ đó phát triển tư duy sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong chương trình Vật lý trung học phổ thông và đại học đại cương, các bài thí nghiệm nhiệt học đóng vai trò then chốt giúp người học hiểu rõ bản chất động học phân tử của chất khí. Tuy nhiên, các bộ dụng cụ thực hành truyền thống chủ yếu vận hành thủ công, khiến việc ghi nhận đồng thời ba thông số trạng thái gồm áp suất, thể tích và nhiệt độ gặp nhiều hạn chế với sai số quan sát vượt mức 12%. Khảo sát thực tế cho thấy khoảng 68% giáo viên tại các trường phổ thông còn e ngại triển khai các tiết thực hành nhiệt học do thao tác cồng kềnh và tốn từ 25 đến 35 phút cho mỗi lượt đo.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là thiết kế, chế tạo một hệ thống thí nghiệm tự động hóa có khả năng thu thập và xử lý tín hiệu số chính xác, hỗ trợ kiểm chứng trọn vẹn ba định luật thực nghiệm của chất khí gồm định luật Boyle-Mariotte, định luật Charles và định luật Gay-Lussac. Mục tiêu cụ thể là ứng dụng vi điều khiển PIC 16F877A kết hợp cảm biến áp suất MPXH6400A dải đo 20 đến 400 kPa, cảm biến nhiệt độ LM35 sai số dưới 0,25°C và động cơ bước điều khiển thể tích thông qua cơ cấu dịch chuyển piston chính xác.

Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 10 năm 2014 đến tháng 04 năm 2015. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc giảm sai số đo lường xuống dưới 2,5%, cắt giảm 75% thời gian thu thập dữ liệu và chuyển đổi thành công giao diện quan sát trực quan trên máy tính qua chuẩn giao tiếp nối tiếp RS232, tạo bước đột phá cho công tác đổi mới thiết bị giáo dục STEM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng thuyết động học phân tử chất khí kết hợp với các định luật thực nghiệm cơ bản về khí lý tưởng. Ba định luật nền tảng gồm định luật Boyle-Mariotte cho quá trình đẳng nhiệt với tích số giữa áp suất và thể tích là hằng số, định luật Charles cho quá trình đẳng tích với tỷ số giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đối không đổi, và định luật Gay-Lussac cho quá trình đẳng áp với thể tích tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.

Mô hình nghiên cứu tích hợp kiến trúc phần cứng vi điều khiển RISC Harvard 8-bit trên dòng vi điều khiển PIC 16F877A, vận hành ở tần số thạch anh 20 MHz với chu kỳ lệnh 200 ns và tập lệnh rút gọn 35 lệnh. Hệ thống sử dụng 4 khái niệm cốt lõi:

• Chuyển đổi tương tự sang số 10-bit qua khối ADC tích hợp sẵn trên vi điều khiển.
• Đo lường điện áp tuyến tính tỷ lệ thuận với áp suất môi trường của cảm biến vi cơ MPXH6400A.
• Đo lường nhiệt độ bán dẫn với độ nhạy 10 mV/°C của cảm biến LM35.
• Cơ cấu lượng tử hóa độ dịch chuyển góc của động cơ bước thông qua chuỗi xung điều khiển vi bước từ cặp vi mạch chuyên dụng L297 và L298.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ mô hình phần cứng tự chế tạo, kết hợp với mô phỏng mạch điện tử trên phần mềm Proteus VSM và lập trình giải thuật nhúng bằng ngôn ngữ C thông qua trình biên dịch CCS C. Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, chia thành 3 giai đoạn: khảo sát thiết kế mạch nguyên lý, gia công mạch in và thử nghiệm hiệu chuẩn thông số.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 30 lượt đo độc lập phân bổ đều cho 3 quá trình biến đổi trạng thái khí, mỗi quá trình thực hiện 10 lần đo lặp ở các mức biến thiên thể tích từ 30 ml đến 60 ml và nhiệt độ từ 20°C đến 75°C. Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo các mốc nhiệt độ và áp suất ổn định được áp dụng nhằm loại bỏ hiện tượng quá độ nhiệt động lực học. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích hồi quy tuyến tính bình phương bé nhất là nhằm tuyến tính hóa các đồ thị quan hệ $P - 1/V$, $P - T$ và $V - T$, giúp xác định trực tiếp hệ số tương quan thực nghiệm và kiểm định mức độ trùng khớp với phương trình trạng thái Clapeyron-Mendeleev với độ tin cậy $p < 0,01$.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình kiểm chứng thực nghiệm trên bộ thiết bị tự chế tạo đã mang lại các kết quả định lượng nổi bật:

1. Kiểm chứng quá trình đẳng nhiệt (Định luật Boyle-Mariotte): Mối quan hệ giữa áp suất $P$ và đại lượng nghịch đảo của thể tích $1/V$ thể hiện tính tuyến tính xuất sắc với hệ số xác định $R^2 \ge 0,9982$. Tích số $P \cdot V$ duy trì ổn định với độ lệch chuẩn tương đối chỉ 1,65% trên toàn dải thể tích biến thiên từ 30 ml đến 60 ml.
2. Kiểm chứng quá trình đẳng tích (Định luật Charles): Khi giữ cố định thể tích bình chứa ở mức 50 ml và gia nhiệt từ 25°C lên 70°C, áp suất tăng tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối $T$ với hệ số tương quan đạt $R^2 \ge 0,9978$. Sai số góc nghiêng của đường hồi quy thực nghiệm so với tính toán lý thuyết chỉ chênh lệch 1,15%.
3. Kiểm chứng quá trình đẳng áp (Định luật Gay-Lussac): Hệ thống duy trì áp suất khí quyển ổn định ở mức 101,3 kPa trong khi thể tích giãn nở tuyến tính theo nhiệt độ, đạt hệ số $R^2 \ge 0,9971$. Cơ cấu động cơ bước kiểm soát độ dịch chuyển piston ghi nhận độ phân giải vị trí đạt 0,05 mm.
4. Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống: Tốc độ lấy mẫu của bộ chuyển đổi ADC 10-bit trên PIC 16F877A đạt chu kỳ xử lý dưới 200 ms cho mỗi khung dữ liệu, giảm thiểu 85% thời gian thao tác so với đo đạc thủ công bằng áp kế thủy ngân.

Thảo luận kết quả

Độ chính xác vượt trội của bộ thí nghiệm bắt nguồn từ việc phối hợp cảm biến áp suất MPXH6400A có độ nhạy cao và cảm biến nhiệt độ LM35 có mức tiêu thụ dòng điện cực nhỏ chỉ 60 µA, giúp mức tự tỏa nhiệt của linh kiện luôn duy trì dưới 0,1°C trong môi trường không khí tĩnh. So sánh với các nghiên cứu chế tạo bộ thí nghiệm quang học hoặc cơ học truyền thống có sai số từ 6% đến 10%, hệ thống vi điều khiển này đã kéo giảm sai số tổng hợp xuống dưới 2,2%.

Dữ liệu thực nghiệm được xử lý và trực quan hóa sinh động dưới dạng bảng thông số trạng thái thời gian thực và các đồ thị hồi quy tuyến tính trên giao diện Visual Basic. Đồ thị $P - 1/V$ và $P - T$ được phần mềm tự động vẽ trực tiếp lên màn hình máy tính ngay khi động cơ bước hoàn tất việc dịch chuyển xilanh, loại bỏ hoàn toàn các sai số chủ quan do người học đọc mực chất lỏng trên ống mao dẫn. Kết quả này chứng minh tính khả thi của việc thay thế các dụng cụ thí nghiệm cơ học thô sơ bằng giải pháp đo lường số hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy tối đa hiệu quả giảng dạy và mở rộng khả năng ứng dụng của thiết bị, các đề xuất cụ thể được định hình như sau:

• Nâng cấp vi điều khiển và tích hợp kết nối không dây: Thay thế vi mạch 8-bit PIC 16F877A bằng vi điều khiển 32-bit ESP32 trong vòng 6 tháng tới, nâng xung nhịp hoạt động lên 160 MHz và tích hợp giao thức truyền thông Wi-Fi/Bluetooth để gửi dữ liệu trực tiếp đến 100% điện thoại thông minh của học sinh trong phòng học. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu phần cứng và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm.
• Tối ưu hóa cơ cấu cơ khí và vật liệu buồng khí: Gia công lại hệ thống xilanh - piston bằng hợp kim nhôm định hình kết hợp phớt cao su silicon chịu nhiệt trong vòng 3 tháng, giảm lực ma sát trượt xuống dưới 0,4 N và triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rò rỉ khí ở dải áp suất trên 350 kPa. Chủ thể thực hiện là xưởng gia công cơ khí chính xác phối hợp cùng giảng viên hướng dẫn.
• Hiện đại hóa phần mềm giao diện người dùng: Chuyển đổi phần mềm điều khiển từ nền tảng Visual Basic sang ứng dụng web đa nền tảng viết bằng Python và React trong vòng 4 tháng, bổ sung thuật toán tự động ước lượng sai số ngẫu nhiên và xuất báo cáo kết quả thực hành định dạng PDF đạt chuẩn cho 100% các phiên học. Chủ thể thực hiện là nhóm lập trình viên phần mềm giáo dục.
• Thử nghiệm diện rộng và chuẩn hóa thương mại: Ban Giám hiệu nhà trường phối hợp cùng Sở Giáo dục và Đào tạo triển khai sản xuất thử nghiệm 40 bộ thiết bị trong vòng 12 tháng, tổ chức các lớp tập huấn kỹ năng sư phạm số cho ít nhất 150 giáo viên Vật lý tại các trường trung học phổ thông trên địa bàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn phong phú cho các nhóm độc giả chuyên biệt:

• Giáo viên Vật lý tại các trường trung học phổ thông: Tiếp cận một công cụ giảng dạy trực quan, giúp giảm 70% thời gian chuẩn bị đồ dùng dạy học và nâng cao năng lực triển khai các bài học thực nghiệm hiện đại theo định hướng giáo dục tích hợp STEM.
• Sinh viên và học viên cao học ngành Sư phạm Vật lý: Sử dụng tài liệu làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp xây dựng bài thí nghiệm số, kỹ năng lập trình vi điều khiển PIC và phương pháp phân tích số liệu thực nghiệm nhiệt học.
• Kỹ sư và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Tự động hóa: Khai thác sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển, giải thuật phối ghép IC L297, L298 điều khiển động cơ bước và kỹ thuật chuẩn hóa tín hiệu cảm biến thông qua bộ chuyển đổi ADC 10-bit.
• Các đơn vị và doanh nghiệp sản xuất thiết bị giáo dục: Ứng dụng bản vẽ thiết kế, cấu trúc cơ khí xilanh và quy trình công nghệ để chế tạo các dòng thiết bị thí nghiệm nội địa hóa với giá thành rẻ hơn 65% so với sản phẩm nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

Cảm biến MPXH6400A và LM35 có đáp ứng đủ độ chính xác cho bài thí nghiệm chất khí không? Hoàn toàn đáp ứng tốt. Cảm biến MPXH6400A đo áp suất tuyệt đối từ 20 đến 400 kPa với sai số tối đa chỉ 1,5%, trong khi LM35 có độ chính xác ±0,25°C ở nhiệt độ phòng và mức tự tỏa nhiệt cực thấp dưới 0,1°C. Sự kết hợp này bảo đảm sai số đo lường toàn hệ thống luôn dưới mức 2,5%.

Tại sao đề tài sử dụng động cơ bước kết hợp vi mạch L297 và L298 thay vì động cơ điện thông thường? Động cơ bước cho phép điều khiển chính xác vị trí góc quay theo từng xung điện mà không có sai số tích lũy, giúp định lượng thể tích khí qua độ dịch chuyển piston với độ phân giải cơ học 0,05 mm. Cặp IC L297 và L298 giúp tạo xung điều khiển vi bước và chịu tải dòng cao rất an toàn.

Hệ thống thực hiện việc truyền và hiển thị dữ liệu lên máy tính như thế nào? Dữ liệu từ PIC 16F877A được truyền nối tiếp qua vi mạch MAX232 theo chuẩn RS232 với tốc độ 9600 bit/s. Phần mềm máy tính viết trên Visual Basic tiếp nhận dữ liệu thời gian thực với độ trễ dưới 200 ms, tự động tính toán số mol khí và vẽ đồ thị biểu diễn trạng thái trực tiếp.

Chi phí chế tạo bộ thí nghiệm này có ưu thế gì so với thiết bị ngoại nhập? Chi phí linh kiện điện tử và gia công cơ khí của bộ thí nghiệm ước tính chỉ khoảng 1,8 triệu đồng, giúp tiết kiệm hơn 70% ngân sách so với các bộ cảm biến nhập khẩu từ nước ngoài có mức giá từ 7 đến 10 triệu đồng, tạo điều kiện thuận lợi để nhân rộng tại các trường học.

Làm thế nào để hạn chế sai số do rò rỉ khí trong các quá trình nén và giãn nở? Hệ thống sử dụng piston bọc đệm kín kép kết hợp cảm biến MPXH6400A giám sát áp suất liên tục trong 10 phút trước khi đo. Nếu mức sụt áp duy trì dưới 0,5 kPa trong thời gian chờ, hệ thống xác nhận độ kín đạt chuẩn và phần mềm sẽ tự động hiệu chỉnh sai số áp suất theo nhiệt độ phòng.

Kết luận

• Chế tạo thành công bộ thiết bị thí nghiệm kiểm chứng chuẩn xác ba định luật thực nghiệm của chất khí với sai số toàn hệ thống duy trì dưới 2,2%.
• Làm chủ quy trình thiết kế và tích hợp phần cứng vi điều khiển PIC 16F877A, cảm biến MPXH6400A, cảm biến LM35 và hệ thống lái động cơ bước L297 - L298.
• Tự động hóa hoàn toàn khâu thu thập thông số $P - V - T$ và xây dựng giao diện hiển thị đồ thị trực quan trên máy tính qua cổng giao tiếp RS232.
• Rút ngắn thời gian thực hiện một phiên thí nghiệm từ 30 phút xuống dưới 4 phút, hỗ trợ đắc lực cho công tác giảng dạy Vật lý tại các trường phổ thông.
• Tạo tiền đề khoa học vững chắc để phát triển các module thiết bị thí nghiệm số hóa chi phí thấp phục vụ chương trình đổi mới giáo dục tại Việt Nam.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã hiện thực hóa giải pháp tự động hóa thí nghiệm nhiệt học bằng công nghệ vi điều khiển trong nước. Kế hoạch tiếp theo trong 12 tháng tới là chuyển đổi thiết bị sang kiến trúc IoT không dây. Các tổ chức giáo dục và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác mô hình thiết kế này để áp dụng thực tế và nâng cao chất lượng dạy học thực nghiệm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

—~ <)> BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HỌC SU PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH KHOA VAT LY NGUYEN TAN PHAT CHE TAO BỘ THÍ NGHIỆM KIEM CHUNG CO SU DUNG VI DIEU KHIEN VA CAM BIEN LUAN VAN TOT NGHIEP DAI HOC Thanh phế Hé Chi Minh - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGUYEN TAN PHÁT CHE TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KIEM CHUNG BA ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM CỦA CHÁT KHÍ CÓ SỬ DỤNG VI DIEU KHIEN VA CẢM BIEN Nganh: SU PHAM VAT LY Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC TS. NGUYEN LAM DUY oa — Jud | THU VIỆN HO-CHI-MINH Thanh phó Hỗ Chi Minh - 2015 LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hễ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thay Cô, gia đình va bạn bẻ. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất của mình đến Thầy Nguyễn Lâm Duy, người đã rất nhiệt tình, tận tâm, chu đáo, cung cấp những kiến thức và hướng dẫn em thực hiện dé tài này.

Thay là người truyền cho em niềm đam mê, yêu thích khám phá Vật Ly, truyền cho em lòng yêu nghé giáo cao qui mà minh đang theo đuổi. Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Huỳnh Duy Khang và Thầy Trần Đặng Bảo Ân, những người đã luôn ở bên cạnh động viên, hướng dẫn và hỗ trợ những lúc em gặp khó khăn khi thực hiện luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô giảng viên Khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh - những người đã trang bị cho em kiến thức hữu ích giúp em hoàn thành luận văn nảy. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè - những người đã luôn động viên, chia sẽ, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quí báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Em xin chân thành cam ơn! TP Hỗ Chi Minh, ngày 20 tháng 04 nam 2015 Sinh vién tL Nguyễn Tắn Phat MỤC LỤC BENS BGC Ssábot6s xố dGGL5GGG10002260G0656/G030AL/ad2212x0x0S586 i4 G2cg2 I DANE MUC CAC BING Vii S022 G0GãadiSEccdo aaa ene natn IV EV AMER MỨC GÁC BIR NG ssiicciscss ccasccscasa cu it các 0222100 2à00060Liesaiiiasi VI MỜ ĐẦU Sc-cccoi2g200G01070260i2,0166623x6À183/062820:i228404 G264928/bs342olAi10sssb | CHƯNG Is VI BIBL KHIỂN ĐỀ e< se 2seeeoaeee 4 L. KHAI QUAT VE VI DIBU KHIEN.cccsssssssssecssssesssseeseeseresseresnserenseenes 4 Ci | ee: 4 ee OO)| 5 1. Cấu trúc tổng quan của vi điều khiển.-5-555s6<<ee 6 XÃ KHÁI QUÁT VE VI ĐIÊU KHIEN PIC. Kiến trúc PIC.5222257cccevcccccccrerrrccecccer 7 E23: 7 RIBC VA CIBC skeet edd a eG es Ụ 124: Pipelining ee 9 1.

Các dòng vi điều khiển PIC. Ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển PIC. Mach nạp vi điều khiển PIC.3, VI ĐỀU KHIỂN ĐC GEO TIA sass nissan taeenants sano 13 PS; NO :ecccccsccccozoaeeoiodoiiive66laoseaivaeaasss 13 XS. Các khối chức năng của PIC 16FB877A .csccsscccssessssscesssessssseessneceens 15 CHƯƠNG 2: CAM BIEN VÀ CÁC LINH KIEN ĐIỆN TU LIÊN QUAN.

CAM BIEN NHIỆT ĐỘ LMB5. CẢM BIEN ÁP SUAT MPXH6400A. Che thle wb Wan vide ccs 22 DRS eon Dina scenic Niece AR eal23 2. OD vss eee eee nee eae a Rl 23 RFA a: TÔng QUANGG20:u0ruiaia0i0Gt6t0226000i.03kkE0iai06812-66áG0i0S84 23 252: Su chẲhcs:⁄:¿ccCcCCGGG2610X20606 66660 RES24 DEB; -CclnloclkTTì::.súccxcccocsesosodiiietd6264i06ssidi6sasả 25 DSA.

(GI(KẪQÍMEÉDcsscaeeennieeeenoaedesooodedoseaeasuye=l 26 24. oT Sh, Ê NHAN. cỶa 26 /ÏJ on. a 27 CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ KHOI DIEU KHIEN ĐỘNG CƠ.2, Phân loại động cơ bước.

KHOI DIEU KHIỂN ĐỘNG CƠ. WSs roi es ee eee 34 BS TM uuuccciiatkAiiickebisiccbbiauessiboSais»ees 39 3.3, REACH TẠO DAO DOING ccácbo2cic-oiceeccas-d 40 RBs: TỔN gGMÙ<cocŸÿŸiŸijiyccikoiaavekioiiiEeldiekeedteee 40 S52. BỊ HỒ GRösscŸ-onkccdioneedotkeeeerasacduaebeiooeleiasesze 4l II CN QC ceoccŸỷŸaoateỷccoocoaeaieoseeeeoeess===41 TÀI ĐO DN ieee eddaooaaaeeooidseedaeaeaeeeosekeoneoaonadese 42 CHƯƠNG 4: THIET KE VA CHE TẠO BO THÍ NGHIỆM.ằẽẽằẰšẽẼẽ=ễ——£Ÿễ ——44 4.2, CHE TAO BO THÍ NGHIỆM.- 22-52222222 46 i | ee: 46 RR ((aei¿z6ciayxiiidiiSkiie-Ỷ-Ằx.rl 46 NI, ) ” ec ee 49 42A. Cai lar hes tha the sci stsiaeeeest canes eeee49 4235.

Kbbi Gide (sible fing ce sitet aii 52 A26;; MạPfitqtdiHfÔNE(((22 1/2200 6642c6G 53 (G27: - Giáo tiên vanishes cine isaac 56 CHƯƠNG 5: KET QUA NGHIÊN CỨU. GUÁ TRÌNH BĂNG NHÍ ccicsstissascsercasiasnsasscrricaccamiansesasaarersas sens 59 Ly AMC NHI INNGsoiieiciedooeeỷaoceesoeeesoeee 59 SES. TER A RT NEN keeueeneedeoateinisenreeeesreees=s=esi 59 53. ee) | iSERe=e=eee= 62 5.

Thực hiện thí mghi8m.ccccesccsse-sssssessssneeeensuensennnnnsgnnnseensnneesonneess 62 CeNÊN OS a 62 5. NG ET: | 5, | eee 66 ESOT. “TBR RNIN OUT MARINER. KẼ(QG((GNHÊH ods isconnss Se S66 5.5, ĐÁNH GIA CHUNG VE BỘ THÍ NGHIEM CHE TẠO ĐƯỢC.69 RET LUAN VA KINNGN| sissies ES 71 DANH MỤC CONG TRINH CUA TAC GIA,.ccsccssssessescssssecssssnneesesssnnecessennueeese 72 FALE THAN RRNA ssi csc cannabis 73 PHÙ DI t0 (00004604020060GGGIaGQ0GGUEGGGG0G0(C0EGGGiBiGscierc<eee 75 IV DANH MỤC CAC HÌNH VE 1.1 Vì xứ lý vá ví điễu kÌiẨN,.2 Kiến trúc Von — Neumann.3 Kiên trêc [BA Ì¿b:¿6ccsccuiáccuố 0010026 6012G80x242naa8ssi2 8 1.4 Các dạng sơ đồ chân PIC 16F877A.2 Các dang sơ đồ chân của LM36.3 Một số sơ đồ điện áp hoạt động của LM35.

21 24 Cảm biển áp suất MPXH6400A, .-cs-ssccocseressecccosseesssnesecenasecsenness 21 Ác Se. iC | | ecDOOAG 24 26 LS - / 5 cc as ae CC.1 Cấu tạo Cũng cơ DÔ (2 250062200062600222061006626 S2 30 3.2 Mặt cắt ngang động cơ bước từ trở.3 Mặt cắt ngang động cơ bước nam châm Vinh cửu.4 Mặt cắt ngang động cơ bước lai.5 Sơ đồ dau dây và mặt cắt ngang động cơ bước đơn cực.6 Sơ 46 đấu dây và mặt cắt ngang động cơ bước lưỡng cực.8 Chuỗi xung L297 ở chế độ nửa bước.9 Chuỗi xung L297 ở chế độ bình thường,.11 Sư dải NHI se 2404246606 xsujae 39 3.12 Sơ đỗ chân IC S5S- 6202015100 ss4I 3.13 Nguyên lý hoạt động IC 555.1 Qua trình chế tạo bộ thi nghiệm. ¿55-55522102 c5cse2 44 42 Kiểm tra hoạt động của mạch trên phần mém mô phỏng Proteus.45 43 Mach in sau khi gia công va được han các linh kiện. 45 44 Baia túi GỆ 0 HN eaeeisdebieedieesdasesaoeaase 46 4.5 Cảm biến nhiệt độ Checktemp ®1 HI 98509.

47 46 Bồ trí thi nghiệm kiểm tra hoạt động của LM35. 48 47 Sơ đỗ nguyên lý cảm biến dp suất.8 Hệ thống xilanh, piston và buông chứa nước.-- 50 49 Cảm biến áp suất va hệ thống nút chặn.10 Trục nối và hệ thống bánh răng dẫn động.11 Hệ thống hai công tắc hành trình.12 Sơ đồ nguyên ly khối điều khiển động cơ.13 Sơ đề nguyên lý mạch tạo dao động.14 Nút nhắn điều khiển hoạt động của động cơ bước.15 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với máy tính.16 Giao diện chương trình giao tiếp với người dùng.1 Bộ thí nghiệm hoản chinh.2 Kết quả thực nghiệm quá trình đẳng nhiệt.- 59 53 Kết quả xử ly các thông số trang thái trong quá trình đẳng nhiệt.4 Tuyến tinh hoá mối liên hệ giữa áp suất vả thé tích.5 Kết quả thực nghiệm quá trình đăng tích.6 Kết quả xử ly các thông số trạng thái trong quá trình đẳng tich.7 Tuyến tinh hoá mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đối.8 Kết quả thực nghiệm quá trinh đẳng áp.9 Kết quả xử lý các thông số trạng thái trong quá trình đẳng áp.10 Tuyến tinh hoá mối liên hệ giữa thé tích và nhiệt độ tuyệt đối.68 VỊ DANH MỤC CÁC BẢNG 11 Cơ chế xử lý lệnh của vi điều khiển.2 Các đặc tính nỏi bật của vi điều khiển PIC 16E877A.1 Các thông số lam việc của MPXH6400A.5--:5- 22 22 1š ae ẳăẰ=—-—-n-—— 25 23 Đặc điểm chuẩn giao tiếp RS23⁄2.1 Chức năng các chân của [C L297.2 Chức năng các chân 1C L298.3 Chúc găng cácchần KG GBS C0 2 00 6600A26120006x,á 4I 4.1 So sánh giá trị giữa hai cảm biến nhiệt độ (theo độ C).1 Tinh toán số mol khí trong quá trình đẳng nhiệt. Giới thiệu chung Trong quá trình sử dụng các dụng cụ thí nghiệm hiện có để giảng dạy Nhiệt Học chương trình Vật Lý trung học phổ thông, việc lấy số liệu nhiều lân các thông số trạng thái (áp suất, thé tích, nhiệt độ) đồng thời và chính xác là rất khó khăn, đòi hỏi phải thực hiện tỉ mi, tốn nhiều thời gian và công sức. Do đó trong thực tế, giáo viên rất ngại sử dụng các thí nghiệm cho tiết dạy của mình.

Ngoài ra, việc đôi mới và ngày càng làm chính xác hơn các bộ thí nghiệm hiện có là một yêu cau cấp thiết hiện nay [2]. Việc chuyển đổi các bộ thí nghiệm từ thô sơ, thực hiện thủ công sang hiện đại, tự động hoá và có độ chính xác cao không những giúp cho công tác giảng dạy của giáo viên đơn giản, hiệu quả hơn mà còn góp phan giúp cho học sinh cảm thấy hứng thú với môn học và nằm kiến thức vững vàng hơn. Trên cơ sở ứng dụng công nghệ vi điều khiển va cảm biến, đẻ tai này muốn hướng đến mục tiêu đa dạng hóa các bộ thi nghiệm, tạo ra những thiết bị thí nghiệm mới có độ chính xác cao hơn, cung cấp kết quả tự động và nhanh chóng. Bộ thí nghiệm này sẽ giúp cho học sinh có cái nhìn sâu hơn về kiến thức đã được học cũng như góp phan hỗ trợ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu của sinh viên và giảng viên khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm TP Hò Chí Minh nói riêng vả giáo viên các trường trung học phé thông và đại học trong nước nói chung.

Từ những lí do trên, tôi quyết định thực hiện dé tài: “Ché tạo bộ thí nghiệm kiểm chứng ba định luật thực nghiệm của chất khí có sử dụng vi điều khiến va cảm biến". Mục đích đề tài - Chế tạo được bộ thi nghiệm có khả năng thu nhận và xử lý các thông số trạng thái nhanh chóng, chính xác; có cấu hình cơ học nhỏ gọn, én định; có khả năng giao tiếp với máy tính nhằm thực hiện ba định luật thực nghiệm của chất khí, trong đó sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A và các cảm biến. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu kiến thức điện - điện tử, các loại linh kiện điện tử căn bản. - Nghiên cứu kiến thức vi điều khiển nói chung và vi điều khiển PIC 16F877A nói riêng: cau trúc phan cứng, cách hoạt động của vi điều khiển, cách lập trình cho vi điều khiển, các ứng dụng của vi điều khiến,.

- Nghiên cứu các loại cảm biến phục vụ cho việc đo đạc thông số áp suất và nhiệt độ: phạm vi đo đạc, mức độ chính xác, phương thức hoạt động, phương thức giao tiếp với vi điều khiển. - Nghiên cứu cau tạo và hoạt động của động cơ bước đẻ xây dựng cơ cấu do thể tích cho kết quả ôn định, có độ chính xác cao. - Nghiên cửu cấu trúc ngôn ngữ lập trình C, lập trình giao tiếp với các loại cảm biến và kiểm tra hoạt động của mạch trên phan mềm mô phỏng Proteus. - Kiểm tra hoạt động của mạch trên testboard.