BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ LÊ LÂM ANH PHI 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 LÍ 11 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ LÊ LÂM ANH PHI 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 LÍ 11 Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 105 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC ThS. NGUYỄN TẤN PHÁT TP. HỒ CHÍ MINH – 2019 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.
Lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng đặt trong từ trường. Các đại lượng cần kiểm chứng, đo đạc. Vi điều khiển Arduino Nano. Lịch sử hình thành.
Cấu tạo vi điều khiển Arduino Nano CH340. Chức năng mạch Arduino Nano CH340 trong mô hình. Cảm biến lực (Loadcell). IC khuếch đại đo lường INA125P.
Một số linh kiện khác. Động cơ điện một chiều. Mạch tạo dao động sử dụng IC555. Hệ truyền động bánh răng.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. Mô hình thí nghiệm. Nam châm điện. Hệ thống truyền động.
Hệ đồng hồ và biến trở điều chỉnh dòng điện. Mạch điện tử. Nguyên lí hoạt động của mạch điện tử. Chức năng của từng bộ phận trong hệ thống.
Mạch điện tử hoàn chỉnh. Cách sử dụng mạch điện tử. Kết quả đo đạc. Khảo sát từ trường bên trong nam châm chữ U.
Khảo sát lực từ tác lên dòng điện thẳng. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 42 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.
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]. 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]. Sơ đồ thể hiện lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua.
Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ F theo góc (a) hoặc theo sin (b) theo lý thuyết. Vi điều khiển Arduino Nano CH340 (a) và sơ đồ chân (b) [6]. Sơ đồ nguyên lí mạch cầu Wheatstone của loadcell (a) [8] và hình ảnh mô phỏng cấu tạo cảm biến lực – loadcell (b) [9]. IC khuếch đại đo lường INA125P (a) và sơ đồ chân (b).
Mô hình nguyên lí hoạt động của động cơ DC. Sơ đồ mạch nguyên lí mạch dao động đa hài [11]. Đồ thị sóng vuông cấp cho động cơ DC hoạt động [11]. Nam châm điện và bánh răng trục chính (a), hệ thống ba bánh răng truyền động của động cơ DC (b).
Mô hình nguyên lí hoạt động của encoder [15]. Màn hình LCD 16x02 (a) và module I2C (b). Hệ cơ học và các thông số kích thước. Nam châm chữ U được tích hợp cổ góp (a) và hệ thống chổi than kết nối với nguồn vào (b).
Hệ động cơ và truyền động của bộ thí nghiệm. Hệ đồng hồ đo và điều chỉnh chiều, cường độ dòng điện qua nam châm (số 1) và khung dây (số 2). Sơ đồ nguyên lí của hệ điện tử trong mô hình. Mạch điện tử sau khi hàn linh kiện.
Vùng từ trường khảo sát bên trong nam châm điện. Đầu dò đo cảm ứng từ trước (a) và sau khi reset (b). Hệ đo cảm ứng từ đã được lắp đặt và tiến hành đo bằng cách di chuyển hệ theo ba trục x, y, z. Đồ thị ba chiều biểu diễn độ lớn cảm ứng từ giữa hai bản kim loại của nam châm khi dòng điện qua nam châm có cường độ là 0.
Bố trí hệ đo lực từ. LCD hiển thị chuyển sang mode 2 và ghi nhận kết quả đo. LCD chuyển sang mode 3 và hiển thị các giá trị đã ghi nhận. Đồ thị sự phụ thuộc giá trị lực từ F vào góc quay α (a) và đồ thị sự phụ thuộc của lực từ theo sinα (b) khi Inam châm = 0.
Đồ thị sự phụ thuộc giá trị lực từ F vào góc quay α (a) và đồ thị sự phụ thuộc của lực từ theo sinα (b) khi Inam châm = 1. 35 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Các thông số kỹ thuật nổi bật của Arduino Nano CH340. Bảng thống kê các linh kiện trong mạch điện tử.
Độ lớn cảm ứng từ trung bình ở cạnh trên (z = 5cm) và cạnh dưới (z = 14cm) của khung dây. Hệ số góc của các đồ thị ứng với từng mức cường độ dòng điện. Kiểm chứng giá trị độ lớn cảm ứng từ từ thực nghiệm đo đạc và tính toán. 37 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Nguyễn Tấn Phát, người đã dìu dắt, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này.
Thầy đã hết mình hỗ trợ, hướng dẫn tôi mọi thứ và động viên tinh thần những lúc tôi gặp khó khăn, để giúp tôi hoàn thành tốt khóa luận. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Lâm Duy, người đã thường xuyên quan tâm, nhắc nhở, hỗ trợ ý tưởng và kỹ thuật để tôi cải tiến mô hình của mình hoạt động thật tốt. Bên cạnh đó tôi cũng xin gửi lời tri ân đến Thầy Nguyễn Hoàng Long và Thầy Ngô Minh Nhựt đã hỗ trợ về mặt cơ khí, điện tử ngay từ những ngày đầu tôi bắt tay vào xây dựng mô hình. Sẽ là thiếu sót nếu thiếu lời tri ân từ đáy lòng đến các Thầy, Cô giảng viên Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và Thầy, Cô khoa Vật Lý nói riêng – những người đã giúp tôi trang bị kiến thức tốt, đặt nền tảng vững chắc để tôi có thể hoàn thành khóa luận.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè – những người luôn ở bên cạnh, quan tâm san sẻ và tạo động lực giúp tôi thực hiện khóa luận. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 4 năm 2019 Sinh viên Lê Lâm Anh Phi 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các số liệu, hình ảnh và kết quả thu được trong khoá luận này đều là do tôi thực hiện. Khoá luận tốt nghiệp này là sản phẩm của đề tài Nghiên cứu khoa học cấp cơ sở mã số CS. Nguyễn Lâm Duy chủ trì.
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 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 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.
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.