Nghiên Cứu Ứng Dụng Vi Điều Khiển Arduino Và Cảm Biến Lực Trong Khảo Sát Lực Từ

• Tác giả: Lê Lâm Anh Phi
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Phát
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lý
• Đề tài: Ứng Dụng Vi Điều Khiển Arduino Và Cảm Biến Lực Chế Tạo Bộ Thí Nghiệm Khảo Sát Lực Từ Tác Dụng Lên Dòng Điện Thẳng Phục Vụ Giảng Dạy Vật Lý 11
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. TỔNG QUAN
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng đặt trong từ trường
• 2.2. Các đại lượng cần kiểm chứng, đo đạc
• 2.3. Vi điều khiển Arduino Nano
• 2.3.1. Lịch sử hình thành
• 2.3.2. Cấu tạo vi điều khiển Arduino Nano CH340
• 2.3.3. Chức năng mạch Arduino Nano CH340 trong mô hình
• 2.3.4. Các thông số kỹ thuật nổi bật của Arduino Nano CH340
• 2.4. Cảm biến lực (Loadcell)
• 2.5. IC khuếch đại đo lường INA125P
• 2.6. Một số linh kiện khác
• 2.6.1. Động cơ điện một chiều
• 2.6.2. Mạch tạo dao động sử dụng IC555
• 2.6.3. Hệ truyền động bánh răng
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Arduino Khảo Sát Lực Từ 55 ký tự

Vật lý là môn khoa học thực nghiệm, việc tăng cường các hoạt động thực nghiệm cho học sinh là giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng dạy và học. Trong chương trình Vật lý 11 THPT, từ trường chiếm tỉ trọng nội dung kiến thức lớn. Tuy nhiên, các kiến thức này tương đối trừu tượng, khó hiểu, do đó đòi hỏi phải có các bộ thí nghiệm để mô tả và giảng giải cho học sinh. Hiện nay, đã có nhiều bộ thí nghiệm từ đơn giản đến hiện đại được sản xuất ở cả trong và ngoài nước nhằm phục vụ cho quá trình giảng dạy nội dung này ở trường THPT. Cụ thể ở phần Từ trường, nhiều trường THPT được trang bị bộ thí nghiệm khảo sát lực từ và cảm ứng từ. Các thí nghiệm phải thực hiện thủ công nên đòi hỏi thao tác tỉ mỉ và cẩn thận, việc xử lý số liệu và vẽ đồ thị biểu diễn cũng tốn nhiều thời gian. Đề tài "Ứng dụng vi điều khiển Arduino và cảm biến lực chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng phục vụ giảng dạy Vật Lý 11 THPT" được thực hiện nhằm mục đích chế tạo một bộ thí nghiệm vừa có thể thao tác thí nghiệm thủ công, vừa khảo sát tự động và chính xác tương tác từ trên dòng điện thẳng và cập nhật các giá trị lực từ lên máy tính để dễ dàng xử lý, vẽ đồ thị kiểm chứng với lí thuyết.

1.1. Tầm quan trọng của thí nghiệm vật lý về lực từ

Thí nghiệm vật lý, đặc biệt là về lực từ, đóng vai trò then chốt trong việc củng cố kiến thức và kỹ năng thực hành cho học sinh. Các thí nghiệm giúp học sinh trực quan hóa các khái niệm trừu tượng, phát triển tư duy logic và khả năng giải quyết vấn đề. Theo nghiên cứu, việc kết hợp thí nghiệm vào giảng dạy giúp tăng cường sự hứng thú và khả năng tiếp thu kiến thức của học sinh. Việc sử dụng các thiết bị hiện đại như Arduino giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả của thí nghiệm.

1.2. Giới thiệu các bộ thí nghiệm lực từ hiện có

Hiện nay, có nhiều bộ thí nghiệm lực từ được sử dụng trong các trường THPT, từ các bộ thí nghiệm đơn giản đến các bộ thí nghiệm hiện đại. Các bộ thí nghiệm này thường bao gồm các dụng cụ như nam châm, dây dẫn, ampe kế, vôn kế và các thiết bị đo lực từ. Một số bộ thí nghiệm hiện đại còn được trang bị hệ thống thu thập dữ liệu tự động và phần mềm phân tích dữ liệu. Tuy nhiên, các bộ thí nghiệm này thường có giá thành cao và đòi hỏi kỹ năng sử dụng phức tạp. Việc ứng dụng Arduino giúp tạo ra các bộ thí nghiệm lực từ với chi phí thấp và dễ sử dụng hơn.

II. Vấn Đề Khó Khăn Thí Nghiệm Lực Từ Hiện Tại 59 ký tự

Các bộ thí nghiệm lực từ hiện tại còn tồn tại một số hạn chế. Các thí nghiệm phải thực hiện thủ công nên đòi hỏi thao tác tỉ mỉ và cẩn thận, việc xử lý số liệu và vẽ đồ thị biểu diễn cũng tốn nhiều thời gian. Bộ thí nghiệm đo lực từ bằng hệ thống cân điện tử của nhóm sinh viên Trần Trọng Tân – Nguyễn Khánh được thực hiện năm 2016 tại trường Đại học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh cũng đã khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng đặt trong từ trường theo cường độ dòng điện qua dây dẫn thẳng, theo góc lệch giữa cường độ dòng điện và cảm ứng từ cho kết quả đáng tin cậy. Tuy nhiên, bộ thí nghiệm này chưa thể tự động hoá việc thay đổi góc lệch giữa cường độ dòng điện và cảm ứng từ, việc kết nối với máy vi tính, hiển thị số liệu, đồ thị và khả năng tương tác với người sử dụng vẫn còn là khuyết điểm cần được cải tiến ở thiết bị này.

2.1. Thao tác thủ công và xử lý dữ liệu tốn thời gian

Một trong những hạn chế lớn nhất của các bộ thí nghiệm lực từ truyền thống là thao tác thủ công. Việc điều chỉnh các thông số thí nghiệm, đo đạc và ghi chép dữ liệu đều được thực hiện bằng tay, đòi hỏi sự tỉ mỉ và cẩn thận. Quá trình xử lý dữ liệu và vẽ đồ thị cũng tốn nhiều thời gian và công sức. Việc ứng dụng Arduino giúp tự động hóa các thao tác này, giảm thiểu sai sót và tiết kiệm thời gian cho người sử dụng.

2.2. Thiếu khả năng tự động hóa và kết nối máy tính

Các bộ thí nghiệm lực từ hiện tại thường thiếu khả năng tự động hóa và kết nối với máy tính. Việc thay đổi các thông số thí nghiệm, thu thập dữ liệu và phân tích kết quả đều được thực hiện thủ công. Điều này gây khó khăn cho việc thực hiện các thí nghiệm phức tạp và phân tích dữ liệu một cách chính xác. Việc ứng dụng Arduino giúp giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép tự động hóa các thao tác thí nghiệm, thu thập dữ liệu và kết nối với máy tính để phân tích và hiển thị kết quả.

III. Giải Pháp Ứng Dụng Arduino Khảo Sát Lực Từ 58 ký tự

Nhằm mục đích chế tạo một bộ thí nghiệm vừa có thể thao tác thí nghiệm thủ công, vừa khảo sát tự động và chính xác tương tác từ trên dòng điện thẳng và cập nhật các giá trị lực từ lên máy tính để dễ dàng xử lý, vẽ đồ thị kiểm chứng với lí thuyết, đề tài "Ứng dụng vi điều khiển Arduino và cảm biến lực chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng phục vụ giảng dạy Vật Lý 11 THPT" được thực hiện. Mô hình thí nghiệm được thiết kế nhằm kiểm chứng công thức (2) bằng cách đo giá trị lực tương tác từ F giữa từ trường có cảm ứng từ B và N đoạn dây dẫn thẳng theo các giá trị cường độ dòng điện I chạy qua dây dẫn và góc  khác nhau. Cảm ứng từ B được xác định bằng cách sử dụng một đầu dò từ trường để xác định độ lớn cảm ứng từ tạo ra bởi một nam châm điện chữ U. Lực từ F được xác định thông qua một cảm biến lực (Loadcell).

3.1. Sử dụng Arduino Nano CH340 làm trung tâm điều khiển

Arduino Nano CH340 là một trong những phiên bản nhỏ gọn nhất của dòng vi điều khiển Arduino, có kích thước 18,54 x 43,18mm, sử dụng dòng vi xử lý 8bitATmega328 – AU. Nó có 14 chân Digital (từ chân D0 đến chân D13), 8 chân Analog (từ chân A0 đến A7) với độ phân giải 10bit. Đặc biệt, Arduino Nano CH340 có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác. Arduino Nano CH340 thực hiện các chức năng như đọc tín hiệu điện áp từ ngõ ra của IC khuếch đại đo lường INA125P, giao tiếp với màn hình LCD1602 – I2C, đọc tín hiệu xung từ encoder để xác định góc quay của nam châm điện, điều khiển relay đóng/ngắt nhằm kiểm soát quá trình quay của nam châm điện.

3.2. Ứng dụng cảm biến lực Loadcell đo lực từ chính xác

Cảm biến lực là một linh kiện điện tử được cấu tạo bởi hai thành phần là các điện trở đặc biệt có kích thước rất nhỏ được gọi là “strain gauge” và một thanh kim loại chịu tải – “Load”. Các strain gauge R1, R2, R3, R4 được mắc thành mạch cầu Wheatstone và được dán vào bề mặt của thân cảm biến lực. Khi đặt một vật nặng lên cảm biến, thanh kim loại sẽ bị uốn cong do trọng lực của vật nặng. Khi đó các điện trở strain gauge sẽ bị kéo dãn,làm cho giá trị các điện trở bị thay đổi, dẫn đến tín hiệu điện áp đầu ra thay đổi. Thông qua IC khuếch đại đo lường INA125P và vi điều khiển Arduino Nano CH340, giá trị của lực từ tác dụng lên cảm biến được ghi nhận thông qua các sự thay đổi tín hiểu điện áp này.

IV. Hướng Dẫn Chi Tiết Mạch Điện Tử Arduino 53 ký tự

Trong mô hình này, dòng vi điều khiển Arduino Nano CH340 được sử là vì chức năng của nó tương tự Arduino Uno R3 – dòng Arduino thông dụng nhất hiện nay, nhưng có ưu điểm nhỏ gọn hơn và dễ tích hợp vào bảng mạch điều khiển. Cụ thể Arduino Nano CH340 thực hiện các chức năng sau: Chân Analog A0 đọc tín hiệu điện áp từ ngõ ra của IC khuếch đại đo lường INA125P; thông qua một hàm biến đổi, tín hiệu điện áp này sẽ được biến đổi thành giá trị của lực tác dụng lên cảm biến. Chân A4 và A5 giao tiếp với màn hình LCD1602 – I2C. Chân D2 đọc tín hiệu xung từ encoder để xác định góc quay của nam châm điện. Chân D3 đọc tín hiệu đóng/ngắt của công tắc hành trình để xác định vị trí chọn làm mốc của góc .

4.1. Sơ đồ mạch điện và nguyên lý hoạt động

Mạch điện tử của bộ thí nghiệm bao gồm các thành phần chính như Arduino Nano CH340, cảm biến lực (Loadcell), IC khuếch đại đo lường INA125P, màn hình LCD1602 – I2C, encoder, relay và các linh kiện điện tử khác. Sơ đồ mạch điện được thiết kế sao cho các thành phần hoạt động hài hòa với nhau, đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống. Nguyên lý hoạt động của mạch điện dựa trên việc thu thập tín hiệu từ cảm biến lực, khuếch đại tín hiệu, xử lý tín hiệu bằng Arduino và hiển thị kết quả trên màn hình LCD.

4.2. Lựa chọn linh kiện và kết nối Arduino

Việc lựa chọn linh kiện phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của bộ thí nghiệm. Các linh kiện cần được lựa chọn dựa trên các tiêu chí như độ chính xác, độ ổn định, độ bền và giá thành. Việc kết nối các linh kiện với Arduino cũng cần được thực hiện cẩn thận để tránh sai sót và đảm bảo tín hiệu được truyền tải một cách chính xác. Các chân của Arduino được kết nối với các linh kiện theo sơ đồ mạch điện đã được thiết kế.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Khảo Sát Lực Từ Thực Tế 55 ký tự

Mô hình thí nghiệm được thiết kế nhằm kiểm chứng công thức (2) bằng cách đo giá trị lực tương tác từ F giữa từ trường có cảm ứng từ B và N đoạn dây dẫn thẳng theo các giá trị cường độ dòng điện I chạy qua dây dẫn và góc  khác nhau. Cảm ứng từ B được xác định bằng cách sử dụng một đầu dò từ trường để xác định độ lớn cảm ứng từ tạo ra bởi một nam châm điện chữ U. Lực từ F được xác định thông qua một cảm biến lực (Loadcell). Giá trị cường độ dòng điện I và góc  được xác định lần lượt bởi ampe kế và encoder. Góc  tạo bởi phương cảm ứng từ B và phương dòng điện I được thay đổi tự động bằng cách xoay nam châm điện quanh một trục thẳng đứng.

5.1. Đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của thí nghiệm

Độ chính xác và độ tin cậy của thí nghiệm được đánh giá bằng cách so sánh kết quả đo đạc thực tế với kết quả tính toán lý thuyết. Các sai số có thể xảy ra trong quá trình thí nghiệm được phân tích và đánh giá để đưa ra các biện pháp khắc phục. Kết quả thí nghiệm cho thấy bộ thí nghiệm có độ chính xác và độ tin cậy cao, đáp ứng được yêu cầu của việc giảng dạy và nghiên cứu.

5.2. So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết

Kết quả thực nghiệm được so sánh với lý thuyết để kiểm chứng tính đúng đắn của các công thức và định luật vật lý. Các đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý được vẽ và phân tích để rút ra các kết luận khoa học. Kết quả so sánh cho thấy kết quả thực nghiệm phù hợp với lý thuyết, chứng tỏ bộ thí nghiệm hoạt động chính xác và hiệu quả.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu 52 ký tự

Đề tài "Ứng dụng vi điều khiển Arduino và cảm biến lực chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng phục vụ giảng dạy Vật Lý 11 THPT" đã đạt được những kết quả khả quan. Bộ thí nghiệm có khả năng tự động hóa các thao tác thí nghiệm, thu thập dữ liệu và kết nối với máy tính để phân tích và hiển thị kết quả. Kết quả thí nghiệm cho thấy bộ thí nghiệm có độ chính xác và độ tin cậy cao, đáp ứng được yêu cầu của việc giảng dạy và nghiên cứu. Trong tương lai, bộ thí nghiệm có thể được phát triển thêm các tính năng mới như điều khiển từ xa, kết nối Internet of Things (IoT) và tích hợp các thí nghiệm khác liên quan đến từ trường.

6.1. Tổng kết những thành công và hạn chế của đề tài

Đề tài đã thành công trong việc chế tạo một bộ thí nghiệm lực từ có khả năng tự động hóa và kết nối với máy tính. Bộ thí nghiệm có độ chính xác và độ tin cậy cao, đáp ứng được yêu cầu của việc giảng dạy và nghiên cứu. Tuy nhiên, đề tài vẫn còn một số hạn chế như chi phí linh kiện còn cao, giao diện người dùng chưa thân thiện và khả năng mở rộng còn hạn chế.

6.2. Đề xuất các hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, bộ thí nghiệm có thể được phát triển thêm các tính năng mới như điều khiển từ xa, kết nối Internet of Things (IoT) và tích hợp các thí nghiệm khác liên quan đến từ trường. Ngoài ra, cần cải thiện giao diện người dùng để dễ sử dụng hơn và giảm chi phí linh kiện để bộ thí nghiệm trở nên phổ biến hơn trong các trường học.