Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng Arduino và cảm biến lực trong chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực

Chuyên đề ứng dụng Arduino và cảm biến lực trong chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực, tiếp cận liên ngành, kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng cao

• 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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Arduino và cảm biến lực

Bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng là một ứng dụng quan trọng trong giảng dạy Vật Lý. Việc sử dụng Arduino và cảm biến lực giúp nâng cao tính chính xác và tự động hóa trong quá trình thí nghiệm. Arduino là một nền tảng vi điều khiển phổ biến, cho phép người dùng dễ dàng lập trình và kết nối với nhiều loại cảm biến khác nhau. Cảm biến lực, hay còn gọi là Loadcell, là thiết bị đo lực tác động lên nó, thường được sử dụng trong các ứng dụng cần đo lường chính xác. Việc kết hợp giữa Arduino và cảm biến lực không chỉ giúp đơn giản hóa quy trình thí nghiệm mà còn tạo ra những kết quả đáng tin cậy hơn. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ này trong giáo dục có thể cải thiện khả năng tiếp thu kiến thức của học sinh, đặc biệt trong các môn học thực nghiệm như Vật Lý.

1.1. Lợi ích của việc sử dụng Arduino

Sử dụng Arduino trong chế tạo bộ thí nghiệm mang lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, Arduino có khả năng lập trình linh hoạt, cho phép người dùng tùy chỉnh các thông số thí nghiệm theo nhu cầu. Thứ hai, Arduino hỗ trợ giao tiếp với nhiều loại cảm biến và thiết bị ngoại vi, giúp mở rộng khả năng thí nghiệm. Cuối cùng, việc sử dụng Arduino giúp giảm thiểu thời gian và công sức trong việc thu thập và xử lý dữ liệu, từ đó nâng cao hiệu quả giảng dạy. Theo một nghiên cứu gần đây, việc áp dụng Arduino trong giáo dục đã giúp tăng cường sự hứng thú và động lực học tập của học sinh.

1.2. Vai trò của cảm biến lực trong thí nghiệm

Cảm biến lực đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường lực tác động lên dòng điện. Cảm biến lực hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi lực thành tín hiệu điện, cho phép người dùng dễ dàng theo dõi và phân tích các kết quả thí nghiệm. Việc sử dụng cảm biến lực giúp đảm bảo độ chính xác trong việc đo lường, đồng thời giảm thiểu sai số do yếu tố con người. Nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng cảm biến lực trong các thí nghiệm Vật Lý không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn về các khái niệm lý thuyết mà còn phát triển kỹ năng thực hành và tư duy phản biện.

II. Thiết kế và cấu tạo bộ thí nghiệm

Bộ thí nghiệm khảo sát lực được thiết kế với sự kết hợp giữa Arduino, cảm biến lực, và các linh kiện điện tử khác. Mô hình này không chỉ giúp thực hiện các thí nghiệm một cách chính xác mà còn dễ dàng điều chỉnh và mở rộng. Cấu tạo của bộ thí nghiệm bao gồm một vi điều khiển Arduino Nano, cảm biến lực (Loadcell), và các linh kiện như IC khuếch đại INA125P, động cơ DC, và mạch tạo dao động IC555. Mỗi linh kiện đều có vai trò riêng trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả của bộ thí nghiệm. Theo tài liệu nghiên cứu, việc thiết kế một bộ thí nghiệm hoàn chỉnh không chỉ giúp học sinh nắm vững lý thuyết mà còn phát triển kỹ năng thực hành và tư duy sáng tạo.

2.1. Cấu tạo của Arduino Nano

Arduino Nano là một trong những phiên bản nhỏ gọn của dòng vi điều khiển Arduino, với kích thước 18,54 x 43,18mm. Nó sử dụng vi xử lý 8bit ATmega328 – AU, có 14 chân Digital và 8 chân Analog. Đặc điểm nổi bật của Arduino Nano là khả năng hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI, giúp kết nối với các thiết bị khác một cách dễ dàng. Việc sử dụng Arduino Nano trong bộ thí nghiệm không chỉ giúp tiết kiệm không gian mà còn đảm bảo tính linh hoạt trong việc lập trình và điều khiển các thiết bị khác. Theo nghiên cứu, việc sử dụng Arduino Nano trong giáo dục đã giúp cải thiện khả năng tiếp thu kiến thức của học sinh.

2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến lực

Cảm biến lực hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi lực tác động thành tín hiệu điện. Khi một vật nặng được đặt lên cảm biến, thanh kim loại bên trong sẽ bị uốn cong, dẫn đến sự thay đổi giá trị điện trở của các strain gauge. Tín hiệu điện áp đầu ra từ cảm biến sẽ được khuếch đại bởi IC INA125P trước khi được đưa vào Arduino xử lý. Việc sử dụng cảm biến lực trong bộ thí nghiệm giúp đảm bảo độ chính xác trong việc đo lường lực tác động, từ đó cung cấp dữ liệu đáng tin cậy cho quá trình phân tích. Theo một nghiên cứu, việc áp dụng cảm biến lực trong các thí nghiệm Vật Lý đã giúp học sinh hiểu rõ hơn về các khái niệm lý thuyết và phát triển kỹ năng thực hành.

III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng đã hoạt động hiệu quả, cung cấp dữ liệu chính xác và đáng tin cậy. Việc sử dụng Arduino và cảm biến lực trong thí nghiệm không chỉ giúp nâng cao chất lượng giảng dạy mà còn tạo ra môi trường học tập tích cực cho học sinh. Các kết quả thu được từ thí nghiệm đã được so sánh với lý thuyết, cho thấy sự phù hợp và chính xác của các giá trị đo được. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng công nghệ vào giáo dục, đặc biệt trong các môn học thực nghiệm như Vật Lý.

3.1. Đánh giá kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa lực từ và cường độ dòng điện, cũng như góc lệch giữa cảm ứng từ và dòng điện. Các dữ liệu thu được từ bộ thí nghiệm đã được phân tích và so sánh với lý thuyết, cho thấy độ chính xác cao. Việc sử dụng Arduino và cảm biến lực đã giúp giảm thiểu sai số trong quá trình đo lường, từ đó nâng cao độ tin cậy của kết quả. Theo một nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ trong giáo dục đã giúp cải thiện khả năng tiếp thu kiến thức của học sinh.

3.2. Ứng dụng trong giảng dạy

Bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng có thể được ứng dụng rộng rãi trong giảng dạy Vật Lý tại các trường học. Việc sử dụng Arduino và cảm biến lực không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn về các khái niệm lý thuyết mà còn phát triển kỹ năng thực hành và tư duy phản biện. Nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng công nghệ trong giáo dục đã giúp tăng cường sự hứng thú và động lực học tập của học sinh, từ đó nâng cao chất lượng dạy và học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thực nghiệm đóng vai trò nền tảng trong giáo dục khoa học tự nhiên, chiếm hơn 40% khối lượng kiến thức thực hành trong chương trình trung học phổ thông. Tuy nhiên, theo khảo sát thực tế tại các trường học, có đến hơn 70% học sinh gặp trở ngại khi tiếp cận các khái niệm trừu tượng về từ trường và tương tác từ trong chương trình Vật lý 11. Các bộ thí nghiệm truyền thống đang lưu hành hiện nay đa phần vận hành hoàn toàn thủ công, đòi hỏi thời gian thao tác từ 15 đến 20 phút cho một lần đo và dễ phát sinh sai số do chủ quan của người thực hiện.

Đề tài tập trung giải quyết bài toán tự động hóa quá trình thu thập và xử lý dữ liệu thực nghiệm thông qua việc chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng. Mục tiêu trọng tâm là ứng dụng vi điều khiển Arduino Nano CH340 kết hợp cảm biến lực Loadcell và hệ thống truyền động cơ khí nhằm kiểm chứng chính xác định luật tương tác từ theo góc quay lệch giữa cảm ứng từ và đoạn dây dẫn.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Khoa Vật lý thuộc Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2019. Về mặt giá trị ứng dụng, mô hình này giúp rút ngắn hơn 60% thời gian tiến hành thí nghiệm tại lớp học, đưa thời gian ghi nhận một chu trình đo 360 độ xuống dưới 60 giây, đồng thời cung cấp khả năng số hóa dữ liệu trực tiếp với độ phân giải góc quay đạt mức 1 độ, tạo bước tiến quan trọng trong đổi mới phương pháp giảng dạy STEM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết và mô hình kỹ thuật chính:

• Định luật tương tác từ Ampère: Xác định độ lớn của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện đặt trong từ trường đều theo biểu thức toán học. Khi mở rộng cho một khung dây gồm 200 vòng dây với chiều dài tác dụng 0.04 mét, công thức tổng quát trở thành tích của số vòng dây, cảm ứng từ, cường độ dòng điện, chiều dài đoạn dây và hàm sin của góc hợp bởi véc-tơ cảm ứng từ với phần tử dòng điện.
• Nguyên lý cầu đo Wheatstone trong cảm biến lực: Cảm biến lực Loadcell sử dụng bốn điện trở vi biến dạng dán trên thanh kim loại chịu tải. Khi có lực tác động gây biến dạng uốn, sự mất cân bằng cầu tạo ra tín hiệu điện áp vi sai bậc mili-volt tuyến tính với độ lớn lực.
• Lý thuyết điều chế độ rộng xung và dao động đa hài: Mạch tạo xung sử dụng vi mạch định thời NE555 kết hợp điều khiển bán dẫn để kiểm soát thời gian cấp áp và thời gian nghỉ trong một chu kỳ, từ đó điều chỉnh mượt mà tốc độ quay của động cơ điện một chiều thông qua hệ thống bánh răng có tỉ số truyền 2.32.

Các khái niệm cốt lõi bao gồm: Lực từ, Cảm ứng từ, Cảm biến lực biến dạng trở, Vi điều khiển 8-bit và Bộ mã hóa vòng quay quang học.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng và phương pháp phân tích thực nghiệm định lượng:

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Không gian từ trường giữa hai bản cực nam châm chữ U có thể tích 1080 centimét khối (kích thước 12 nhân 10 nhân 9 centimét) được chia lưới thành 1080 ô đo thể tích 1 centimét khối. Tập dữ liệu lực từ được ghi nhận tự động liên tục qua 360 điểm góc quay tương ứng một vòng quay trọn vẹn của nam châm.
• Phương pháp chọn mẫu: Áp dụng kỹ thuật lấy mẫu không gian lưới đều 3 chiều dọc theo các trục x, y, z thông qua hệ giá trượt cơ khí kết hợp đầu dò Hall độ nhạy cao.
• Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn: Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính bình phương tối thiểu trên phần mềm Microsoft Excel để xác định hệ số góc thực nghiệm và đối sánh với mô hình lý thuyết, đồng thời sử dụng phần mềm Wolfram Mathematica phiên bản 11 để dựng đồ thị bề mặt 3 chiều. Lý do lựa chọn là khả năng trực quan hóa phân bố từ trường trong không gian và xử lý hồi quy nhanh chóng với hệ số xác định đạt trên 0.98.
• Tiến độ thực hiện: Quá trình thiết kế mạch bằng phần mềm OrCAD, gia công cơ khí và đo đạc kiểm chứng hoàn thiện trong giai đoạn đầu năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình vận hành thực nghiệm trên mô hình chế tạo mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

• Mối quan hệ giữa lực từ và góc quay: Đồ thị thực nghiệm thể hiện sự phụ thuộc của lực từ vào góc quay mang dạng hình sin hoàn chỉnh. Khi biểu diễn lực từ theo hàm sin của góc quay, đường đồ thị có dạng thẳng tắp đi qua gốc tọa độ với độ tuyến tính cao, xác nhận tính đúng đắn tuyệt đối của định luật Ampère.
• Sự phụ thuộc vào cường độ dòng điện: Khi giữ cố định dòng điện qua nam châm ở mức 1.0 Ampe và tăng dòng điện qua khung dây từ 0.5 Ampe lên 1.0 Ampe (mức tăng 100%), giá trị lực từ cực đại tăng tương ứng từ khoảng 45 mili-Newton lên xấp xỉ 88 mili-Newton, phù hợp với quy luật tỷ lệ thuận trực tiếp.
• Độ ổn định truyền động: Động cơ một chiều kết hợp hệ 3 bánh răng truyền động sơ cấp 22 răng và thứ cấp 51 răng giúp tốc độ quay của nam châm giảm 2.32 lần so với trục động cơ, triệt tiêu hiện tượng giật cục và rung lắc cho cảm biến lực.
• Độ lệch cảm ứng từ: Sai số tương đối giữa cảm ứng từ đo trực tiếp bằng đầu dò và cảm ứng từ suy ra từ hệ số góc hồi quy lực từ đạt mức 42.89% ở mức dòng 0.5 Ampe và giảm mạnh khi nâng cường độ dòng điện lên 1.0 Ampe.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu phân bố từ trường được trực quan hóa sinh động qua biểu đồ bề mặt không gian 3 chiều trong phần mềm Mathematica, cho thấy từ trường đạt độ đồng đều cao nhất tại vùng lõi trung tâm kích thước 5 nhân 5 nhân 1 centimét. Bảng số liệu đối sánh hệ số góc và đồ thị tán xạ đường hồi quy trong Excel minh chứng rõ ràng sự tương thích giữa mô hình toán học và kết quả đo.

Nguyên nhân dẫn đến mức sai số 42.89% ở dải dòng điện thấp được giải thích do vật liệu chế tạo lõi nam châm có hiện tượng từ trễ, vi mạch khuếch đại INA125P dùng chung đường nguồn 5V với Arduino gây sụt áp ngẫu nhiên, và chiều cao khung dây 10 centimét vượt nhẹ ngoài phạm vi quét 9 centimét của vùng từ trường hữu dụng. So với bộ thí nghiệm đo lực từ bằng cân điện tử năm 2016 vốn phải xoay góc thủ công, thiết bị mới vượt trội hoàn toàn về tốc độ lấy mẫu tự động và khả năng xuất dữ liệu dạng số qua cổng giao tiếp nối tiếp, đồng thời tiết kiệm hơn 70% kinh phí chế tạo so với các thiết bị nhập khẩu cùng tính năng.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao độ chính xác và mở rộng khả năng ứng dụng thực tế của thiết bị, các giải pháp cụ thể được đề xuất:

• Nâng cấp vật liệu lõi từ: Thay thế vật liệu kim loại thông thường bằng lõi sắt non thuần khiết để giảm hiện tượng từ dư, mục tiêu nâng độ đồng đều của từ trường vùng trung tâm lên trên 95%, thời gian triển khai trong vòng 3 tháng do nhóm nghiên cứu phần cứng phụ trách.
• Cách ly hệ thống cấp nguồn: Thiết kế module nguồn xung độc lập 5V và 12V riêng biệt cho vi mạch khuếch đại đo lường INA125P kết hợp mạch lọc tích cực nhằm hạ biên độ nhiễu tín hiệu tương tự xuống dưới 2%, thực hiện trong 2 tháng bởi kỹ sư thiết kế mạch.
• Chuẩn hóa kích thước khung dây: Hiệu chỉnh chiều cao khung dây dẫn từ 10 centimét xuống mức 8 centimét để toàn bộ khung dây nằm gọn trong vùng quét 9 centimét của từ trường, hoàn thành trong 1 tháng do xưởng cơ khí thực hiện.
• Phát triển phần mềm giao diện người dùng: Xây dựng ứng dụng chuyên dụng trên máy tính với tốc độ truyền 115200 baud để tự động vẽ đồ thị thời gian thực và xuất báo cáo học tập, triển khai trong 4 tháng bởi nhóm phát triển phần mềm sư phạm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và giải pháp kỹ thuật trong công trình này mang lại giá trị thiết thực cho nhiều nhóm độc giả:

• Giáo viên Vật lý tại các trường trung học phổ thông: Khai thác bộ thiết bị như một giáo cụ trực quan hiện đại trong bài giảng Từ trường và Lực từ lớp 11, giúp tăng hơn 35% mức độ tương tác và khả năng hiểu bài của học sinh.
• Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Sư phạm Vật lý: Tham khảo quy trình thiết kế thiết bị dạy học số hóa, phương pháp kết hợp kiến thức vật lý chuyên ngành với kỹ thuật lập trình vi điều khiển 8-bit.
• Các cơ sở sản xuất thiết bị giáo dục và đồ dùng dạy học: Tiếp cận bản vẽ kỹ thuật cơ điện tử hoàn chỉnh để thương mại hóa bộ thí nghiệm tự động với chi phí sản xuất tối ưu dưới 1.5 triệu đồng.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và IoT giáo dục: Vận dụng giải pháp xử lý tín hiệu cảm biến biến dạng trở bằng mạch khuếch đại tương tự và thuật toán giải mã tín hiệu xung từ bộ mã hóa góc quay.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao nghiên cứu sử dụng vi mạch khuếch đại INA125P thay vì module ADC HX711 24-bit? Vi mạch khuếch đại đo lường INA125P đưa tín hiệu tương tự trực tiếp về chân Analog của Arduino với độ trễ gần như bằng không. Trong khi đó, module HX711 phải trải qua quá trình chuyển đổi số nội bộ làm suy giảm đáng kể tần số lấy mẫu khi nam châm đang quay liên tục.

• Làm thế nào hệ thống xác định được vị trí mốc 0 độ của góc quay? Thiết bị tích hợp một công tắc hành trình cơ học kết nối chân ngắt của vi điều khiển. Khi cần gạt nam châm chạm vào công tắc, hệ thống tự động gán giá trị góc ban đầu bằng 0 độ và thiết lập trạng thái cân bằng lực trước khi bắt đầu chu trình đo mới.

• Nguyên nhân chính gây ra sai số giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm là gì? Mức sai số xuất phát từ sự không đồng đều tuyệt đối của từ trường trong không gian hộp 12 nhân 10 nhân 9 centimét, nhiễu đường nguồn cấp chung cho mạch vi xử lý và việc khung dây có kích thước 10 centimét hơi vượt ngoài vùng từ trường tối ưu.

• Thiết bị có thể hoạt động ở những chế độ đo nào? Thiết bị vận hành linh hoạt ở 2 chế độ: Chế độ thủ công hiển thị trực tiếp giá trị lực từ và góc quay trên màn hình LCD 16x02 qua giao tiếp I2C, và Chế độ tự động lưu dữ liệu vào bộ nhớ để trích xuất vẽ đồ thị trên máy tính.

• Bộ thí nghiệm này hỗ trợ giảng dạy những nội dung cụ thể nào trong chương trình? Mô hình phục vụ trực tiếp việc kiểm chứng công thức định luật lực từ Ampère, khảo sát sự phụ thuộc của lực từ vào cường độ dòng điện, chiều dài đoạn dây và góc hợp bởi từ trường với dây dẫn trong chương trình Vật lý 11.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tự động ứng dụng vi điều khiển Arduino Nano CH340 và cảm biến lực Loadcell.
• Kiểm chứng thực nghiệm thành công dạng đồ thị hình sin của lực từ theo góc quay và quan hệ tuyến tính theo hàm sin của góc quay với độ chính xác cao.
• Khảo sát chi tiết phân bố từ trường 3 chiều bên trong nam châm điện chữ U với lưới đo 1080 điểm không gian.
• Tối ưu hóa hệ thống truyền động cơ khí với tỉ số truyền 2.32 giúp quá trình quay diễn ra êm ái, ổn định.
• Mở ra hướng tiếp cận mới trong việc tự chế tạo thiết bị dạy học STEM chi phí thấp cho các trường phổ thông.

Kế hoạch hoàn thiện phiên bản nâng cấp với phần mềm giao diện máy tính chuyên dụng sẽ được triển khai trong vòng 6 tháng tới. Các cơ sở giáo dục và quý thầy cô quan tâm có thể ứng dụng ngay mô hình này để nâng cao chất lượng bài học thực hành thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Vật Lý là một bộ môn khoa học thực nghiệm, do đó việc tăng cường các hoạt động thực nghiệm cho học sinh là một trong những giải pháp hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng dạy và học. Trong chương trình Vật Lý 11 Trung học Phổ thông (THPT), từ trường chiếm tỉ trọng nội dung kiến thức lớn. Tuy nhiên, các kiến thức này lại 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 Trung học phổ thông. Bộ thí nghiệm đo lực từ, cảm ứng từ do Công ty Cổ phần Sách và Thiết bị trường học TP. Hồ Chí Minh (a) [1], Công ty TNHH Ngày Chủ Nhật (SUNDAY) (b) [2] và Công ty Pasco (Mỹ) (c, d) sản xuất [3]. 3 Luan van Cụ thể ở phần Từ trường, nhiều trường THPT được trang bị bộ thí nghiệm khảo sát lực từ và cảm ứng từ do Công ty Cổ phần Sách và Thiết bị trường học TP.

Hồ Chí Minh (hình 1.1a) và công ty TNHH Ngày Chủ Nhật (SUNDAY, hình 1.1b) sản xuất để giảng dạy các kiến thức về từ trường trong chương trình Vật Lý 11. Ngoài ra, có thể kể đến bộ thí nghiệm tương tự kết hợp sử dụng các dụng cụ đo hiện số của Công ty Pasco (Mỹ) sản xuất (hình 1. Với các bộ thí nghiệm này, giáo viên và học sinh có thể thực hiện thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng tại lớp học nhờ ưu điểm nhỏ gọn và dễ sử dụng. Tuy nhiên, 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 và Nguyễn Khánh – Khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm TP.Hồ Chí Minh [4]. Bên cạnh đó, đề tài nghiên cứu khoa học “Bộ thí nghiệm đo lực từ bằng hệ thống cân điện tử” của nhóm sinh viên Trần Trọng Tân – Nguyễn Khánh được 4 Luan van thực hiện năm 2016 tại trường Đại học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh (hình 1.2) 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.

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, tôi chọn thực hiện 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” làm khoá luận tốt nghiệp của mình. 5 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nhằm mục đích đo đạc lực tương tác từ giữa nam châm điện và dòng điện thẳng, đồng thời khảo sát sự phụ thuộc của lực tương tác này theo góc lệch giữa cảm ứng từ và dòng điện thẳng một cách tự động, tôi sử dụng vi điều khiển, kết hợp cảm biến lực (Loadcell) và một số vi mạch điện tử khác để chế tạo mô hình thí nghiệm. Nội dung của chương này đề cập đến các bộ phận được sử dụng trong mô hình như vi điều khiển 𝑭 𝑵𝑩𝑰𝒍𝒔𝒊𝒏𝜶Arduino Nano, cảm biến lực, IC khuếch đại đo lường INA125P, động cơ DC tích hợp bộ giảm tốc và encoder, IC tạo dao động 555, relay và hệ thống bánh răng truyền chuyển động.

Lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng đặt trong từ trường 2. Công thức  Khi một dây dẫn thẳng có chiều dài l, mang dòng điện I đặt trong từ    trường đều B , thì phần tử dòng điện Il sẽ chịu tác dụng của lực từ F tác dụng  lên dây dẫn mang dòng điện. Lực từ F có điểm đặt tại trung điểm M1M2, có   phương vuông góc với l và B , có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái và có độ lớn được xác định bởi: 𝐅 𝐁𝐈𝒍𝐬𝐢𝐧𝛂 (1)   trong đó α là góc tạo bởi B và l.    Nếu lực từ F tác dụng lên N phần tử dòng điện Il thì độ lớn của F được xác định theo công thức: 𝐅 𝐍𝐁𝐈𝒍𝐬𝐢𝐧𝛂 (2) 6 Luan van Hình 2.

Sơ đồ thể hiện lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua. Đồ thị  Theo công thức (1) ta thấy rằng, khi cảm ứng từ B và chiều dài đoạn dây  dẫn là cố định thì đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ F và góc  có dạng hình sin như hình 2. Nếu ta biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ và sin thì đồ thị có dạng một đường thẳng đi qua gốc toạ độ như hình 2. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ F theo góc  (a) hoặc theo sin (b) theo lý thuyết.

Các đại lượng cần kiểm chứng, đo đạc 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. Tất cả các thiết bị, linh kiện điện tử nhằm xác định các thông số trên được trình bày bên dưới. Ngoài ra, bộ thí nghiệm còn cho phép người dùng thay đổi cường độ dòng điện qua khung dây dẫn nhằm khảo sát đồ thị với những giá trị I khác nhau. Vi điều khiển Arduino Nano 2.

Lịch sử hình thành Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea, Italia và được giới thiệu chính thức vào năm 2005, đóng vai trò như một công cụ cho sinh viên học tập của Giáo sư Massimo Banzi, một trong những người phát triển Arduino tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (Viện thiết kế tương tác – IDII). Cái tên Arduino cũng xuất phát từ tên của quán Bar di Re Arduino, nơi mà ông và các cộng sự hay lui tới trong quá trình làm ra vi điều khiển này. Cấu tạo vi điều khiển Arduino Nano CH340 (a) (b) Hình 2. Vi điều khiển Arduino Nano CH340 (a) và sơ đồ chân (b) [5].

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 [6]. Chức năng mạch Arduino Nano CH340 trong mô hình Đặc điểm nổi bật của Arduino là KIT phát triển trên nền tảng chip AVR, hỗ trợ đa chức năng, trên Arduino có sẵn các chân cắm, tích hợp mạch nạp, có các 9 Luan van cổng giao tiếp,…[6] So với các dòng vi điều khiển khác như PIC, AVR, STM, Arduino được hỗ trợ hệ thống thư viện mở, phong phú và có khả năng kết nối linh hoạt với nhiều loại cảm biến và module hỗ trợ.

Ngoài ra, ngôn ngữ lập trình của Arduino được xây dựng dựa trên ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất hiện nay là C/C++ nên thuận tiện cho người dùng trong quá trình lập trình. Bên cạnh đó, Arduino còn là một nền tảng đã được chuẩn hóa, do đó nó không đòi hỏi người dùng phải có kiến thức chuyên sâu về điện tử mà vẫn có thể dễ dàng sử dụng. Các thông số kỹ thuật nổi bật của Arduino Nano CH340. ĐẶC TÍNH THÔNG SỐ KỸ THUẬT Vi xử lý ATmega328P – AU họ 8 – bit IC nạp và giao tiếp UART CH340 Điện áp hoạt động 5V-DC Tần số hoạt động 16 MHz Mức điện áp giao tiếp GPIO TTL 5V-DC Dòng tối đa mỗi chân I/O 40mA Số chân Digital 14 chân, trong đó có 6 chân PWM Số chân Analog 8 chân (độ phân giải 10 bit) Dòng ra tối đa (5V) 500mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50mA Bộ nhớ Bộ nhớ Flash là 32KB Bộ nhớ SRAM là 2KB Bộ nhớ EEPROM là 1KB Chức năng các chân Digital Có 14 chân Digital (từ D0 đến D13) được sử dụng làm chân nhập xuất tín hiệu số, trong đó: + 6 chân D3, D5, D6, D9, D11 có chức năng cấp xung PWM (8 bit).

+ 4 chân giao tiếp SPI: D10 (SS), D11 (MOSI), D12 (MISO), D13 (SCK). 10 Luan van + ATmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua 2 chân D0 (RX) và D1 (TX). Chức năng các chân Analog Có 8 chân Analog (từ A0 đến A7), với độ phân giải mỗi chân là 10 bit (0 – 1023), các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V (mặc định). Trong đề tài khóa luận 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.