CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiện nay các mô hình thiên văn được sử dụng trên thị trường dạy học chủ yếu là bộ mô hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng của nhà sách thiết bị trường học Nguyễn Tri Phương. Khóa luận giáo dục học Hình 1.1: Mô hình thiên văn của nhà sách thiết bị trường học Hệ mô hình trên nhỏ gọn, tuy nhiên trên thực tế chưa quay chính xác về số vòng quay của Trái Đất, Mặt Trăng. Bên cạnh đó mô hình chưa trình bày được các pha và quỹ đạo quay của Mặt Trăng nghiêng khoảng 5°. Hệ mô hình đơn giản được cắm vào nguồn điện 12V-24V, thiếu khả năng tương tác với người sử dụng.
Ngoài ra, tại các trường học hiện nay, giáo viên và học sinh chủ yếu học tập kiến thức thiên văn qua các mô hình tự chế tạo và trang trí, thô sơ, đơn giản, tuy nhiên khó quan sát, chủ yếu cung cấp cho học sinh kiến thức về màu sắc, kích thước, vị trí của các thiên thể trong hệ Mặt Trời.2: Hình ảnh mô hình sáng tạo dạy học tại một cuộc thi tại Hà Nội. Bộ mô hình trong khóa luận của tôi dựa trên ý tưởng xây dựng một hệ cơ truyền động bằng bánh răng, cùng với trung tâm là board mạch vi xử lý điện tử nhằm nhận và phát các tín hiệu khi người sử dụng tương tác với mô hình. Bên cạnh đó mô hình Khóa luận giáo dục học sử dụng thêm các cảm biến nhằm phát hiện tượng đặc biệt xảy ra như nhật thực, nguyệt thực. Sau đây, tôi xin được phép đề cập tới các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mô hình là board mạch Arduino, module điều khiển động cơ L298, động cơ DC, màn hình LCD, cảm biến từ Hall, nút nhấn và hệ thống bánh răng truyền chuyển động.
BOARD MẠCH VI XỬ LÝ ARDUINO 1. Tổng quan Arduino là một board mạch vi xử lý được làm sẵn và thiết kế chuyên biệt cho những người chuyên và không chuyên vẫn có thể thực hiện lập trình và thao tác điều khiển một cách dễ dàng với các thiết bị điện tử như đèn, động cơ, các cảm biến,… Arduino ra đời tại Ivrea Interaction Design Institute tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt theo tên một vị vua của nước Ý thế kỷ thứ IX [11]. Được chính thức giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ thử nghiệm và học tập cho sinh viên không chuyên, ngày nay nó đã đạt tới quy mô toàn cầu. Hàng ngàn các đồ án, dự án trên khắp thế 7 giới, trong đó có Việt Nam đều sử dụng Arduino như là trái tim hoạt động chính.
Với phần cứng được thiết kế và gia công sẵn bởi nhà sản xuất cùng với ngôn ngữ lập trình bắt nguồn từ C/C++ phổ biến và đơn giản, người dùng dễ dàng lên ý tưởng và chọn những thứ mình cần, ráp các thiết bị, nối dây vào Arduino và lập trình là có thể hoạt động được. Cùng với sự đơn giản và thuận tiện đó, điểm nổi bật Arduino là môi trường phát triển mở với vô vàn thiết bị hỗ trợ của cộng đồng, các thư viện và các phần mềm đi kèm lớn đến mức có thể xem như hệ sinh thái Arduino. Trải qua nhiều lần thay đổi và phát triển từ những mạch điện tử đơn giản sử dụng cổng RS-232 đến ngày nay là sử dụng Usb, mạch Arduino thực sự là một phần không thể thiếu dành cho học sinh, sinh viên, những người đam mê thiết kế mô hình và thiết bị điện tử. Một board mạch Arduino cung cấp cho người dùng sự tương tác đa dạng với: - Các thiết bị hiển thị (đèn, LCD, Oled,…).
Khóa - Các thiết luận bị cảm biến. giáo dục học - Động cơ. - Các module chức năng hỗ trợ. Tùy theo kích thước và mục đích sử dụng mà hãng sản xuất đã có hàng loạt các phiên bản rất đa dạng.3: Một số board mạch Arduino hiện nay 8 Trong đề tài khóa luận của tôi, tôi sử dụng dòng Arduino cổng Usb hiện nay, đó là board mạch Arduino Uno.
Giới thiệu board mạch Arduino Uno 2. Thông số kỹ thuật Nhắc tới học lập trình và sử dụng Arduino thì cái tên Uno là một cái tên luôn được nhắc đến hàng đầu bởi sự đa dụng và phổ biến của nó trong việc đáp ứng tương đối đầy đủ nhu cầu của người mới học. Arduino Uno mang trong mình vi điều khiển AVR ATmega 328P sử dụng thạch anh có chu kỳ dao động là 16 MHz [4]. Với vi điều khiển này, các chân của Arduino Uno có các đặc điểm sau: - 14 ngõ đầu vào/ra đọc hoặc xuất tín hiệu với mức điện áp từ 0 -5V và dòng vào ra tối đa mỗi chân là 40 mA (từ 0 -13, trong đó có 6 chân cho phép xuất xung PWM (3) với độ phân giải 8 bit).
Khóa luận giáo dục học - 6 chân nhận tín hiệu analog (từ A0 – A5). Trên board mạch còn có 1 nút reset, 1 cổng Usb, 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ nguồn bên ngoài. 68mm 50,5mm Hình 1.4: Sơ đồ các chân của Arduino Uno [6] 9 2. Chức năng của Arduino trong mô hình Với khả năng linh hoạt làm việc với đa dạng các cảm biến và module hỗ trợ, thiết kế board mạch nhỏ gọn, giá cả phù hợp so với các vi điều khiển khác cũng như vi máy tính - Raspberry Pi.
Bên cạnh đó, môi trường lập trình mở của Arduino là Arduino IDE dựa trên nền tảng C/C++ quen thuộc cho những người làm kỹ thuật cũng như học sinh, sinh viên. Đề tài xoay quanh việc điều khiển tốc độ, ngắt/mở động cơ DC qua nút nhấn, từ đó kéo theo việc quay của hệ cơ, hiển thị tốc độ quay lên màn hình LCD. Arduino đóng vai trò trung tâm trong việc thực hiện những nhiệm vụ trên: - Sử dụng các chân digital 2, 3, 4, 5 làm nút nhấn. - Sử dụng các chân 6, 7, 9 có xung PWM nối vào module mạch công suất L298 thực hiện việc điều khiển tốc độ quay động cơ DC.
- Sử dụng chân analog A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C LCD. Khóa luận - 2 cảm biến giáo từ Hall sử dụng dục 2 chân analog là A0học và A1. CẢM BIẾN NÚT NHẤN TỪ HALL BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM ARDUINO UNO R3 MẠCH HIỂN THỊ MÀN CẦU H HÌNH LCD L298 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC Hình 1.5: Sơ đồ khối sử dụng Arduino trong bộ thí nghiệm 10 1. CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ CÁC CẢM BIẾN LIÊN QUAN 1.
LCD Trong lập trình, màn hình đóng vai trò là cầu nối giao tiếp giữa người và thế giới điện tử. Các loại màn hình phổ biến hiện nay là LCD, Oled, led,…trong đó LCD được sử dụng rộng rãi do giá thành rẻ, dễ lập trình, bên cạnh đó việc hiển thị các ký tự rất đa dạng, có thể làm hình động và hơn thế nữa. Màn hình LCD 16x2 là màn hình có 16 ô mỗi 2 hàng, mỗi một ô có 40 pixel. Khóa luận giáo dục học 44mm 122mm Hình 1.
Module giao tiếp I2C cho LCD Khi nối trực tiếp các chân LCD vào board Arduino cần tối thiểu 6 chân cắm RS, RW, D4, D5, D6, D7, bên cạnh đó còn thêm các dây điều chỉnh độ tương phản, dây cắm nguồn vào LCD. Do đó, để đơn giản hóa cách kết nối LCD, module điều khiển LCD với giao tiếp I2C ra đời với một số đặc tính tối ưu sau: 11 - Giảm số dây cắm vào LCD còn 4 dây. - Điều khiển LCD dễ dàng qua giao tiếp I2C. - Tích hợp biến trở nhằm điều chỉnh độ tương phản của màn hình (từ 0- 250).7: Module chuyển I2C (a) và màn hình LCD tích hợp I2C (b) Khóa 1.Cảm biến luận giáo từ Hall sensor KY 024 dục học Module cảm ứng từ Hall sensor KY 024 là một cảm biến nhận biết từ trường ngoài như nam châm, dây dẫn có dòng điện chạy qua… theo nguyên tắc hiệu ứng Hall [3].
Thiết bị có 4 đầu ra, một chân nối đất, một chân nối vào nguồn, 2 chân tín hiệu analog và digital. Thông qua chip A3141, khi gặp vật cản có gắn nam châm hay có từ trường mạnh, module KY 024 sẽ nhận biết từ trường và in tín hiệu analog hoặc tín hiệu digital của giá trị hiệu điện thế Hall truyền tới vi điều khiển nhằm xử lý thông tin. Trong mô hình của tôi sử dụng 2 cảm biến từ Hall nhằm nhận biết hiện tượng nguyệt thực.8: Module cảm biến từ Hall KY 024 1. Khóa luận ĐỘNG CƠ DC giáo VÀ MODULE dục học ĐIỀU KHIỂN 1.
Động cơ DC một chiều Động cơ DC (direct-current motor) là một thiết bị dùng để biến đổi năng lượng dòng điện một chiều thành năng lượng cơ học. Để làm rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện và chổi than sẽ chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ [2]. Thông thường để điều khiển tốc độ động cơ DC, người ta sẽ điều chỉnh điện áp đưa vào bằng nhiều cách khác nhau [5]. Và kỹ thuật để thay đổi điện áp đưa vào được thường hay sử dụng đó là phương pháp điều xung-PWM.
Trong mô hình đề tài khóa luận này, động cơ được sử dụng là động cơ DC một chiều có gắn hộp giảm tốc. Hộp giảm tốc là một hệ thống bánh răng truyền động. Việc gắn thêm một hộp giảm tốc sẽ giúp cho động cơ có tốc độ quay chậm hơn so với những động cơ DC bình thường khác, thêm vào đó là tăng lực kéo cơ học nhằm giúp học sinh quan sát dễ dàng ở tốc độ vừa phải, mô hình quay được mịn và chính xác hơn. Module điều khiển động cơ L298 Nhằm điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ, mô hình còn sử dụng module chuyên dụng cho động cơ DC là module L298.
Được sử dụng rộng rãi do dễ lập trình và điều khiển, chi phí thấp, IC L298 là mạch cầu đôi có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao [12]. L298 có hai chân enable nhằm cho phép hoặc không có phép mạch cầu hoạt động độc lập với tín hiệu vào. Module L298 có thể điều khiển được 2 động cơ DC, dòng tối đa mỗi động cơ là 2A hoặc 1 động cơ stepper [12]. 43mm Khóa luận giáo dục học 43mm Hình 1.9: Sơ đồ chân IC L298 L298 gồm các chân: - 12V power và 5V power là các chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ.
- GND là chân nối đất của nguồn cấp đến động cơ. - A enable (EnA) và B enable (EnB) là các chân lấy tín hiệu PWM từ Arduino để điều khiển tốc độ động cơ. - Input In1-4 là các chân tín hiệu digital từ Arduino đến L298.