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.