Giới thiệu dự án

Nghiên cứu thực nghiệm trong giáo dục STEM và giảng dạy Vật lý tại các trường Trung học Phổ thông (THPT) đóng vai trò nền tảng trong việc trực quan hóa các hiện tượng tự nhiên trừu tượng. Trong chương trình Vật lý 11, chuyên đề "Từ trường" và "Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện" (Lực Laplace/Lực Ampère) là nội dung cốt lõi nhưng gặp nhiều rào cản sư phạm do tính chất vector không gian ba chiều và sự biến thiên phi tuyến theo góc nghiêng $\alpha$. Các khảo sát giáo dục cho thấy hơn 70% học sinh gặp khó khăn trong việc hình dung quy tắc bàn tay trái và mối quan hệ định lượng $F = NBIL\sin\alpha$ khi chỉ tiếp cận qua lý thuyết sách giáo khoa.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi trong các phòng thí nghiệm trường học hiện nay là sự thiếu hụt các bộ thiết bị đo lường tự động hóa có độ chính xác cao nhưng giá thành hợp lý. Các thao tác đo lực từ thủ công bằng lực kế cơ học hay góc quay bằng thước đo độ thường tạo ra sai số lớn do rung lắc cơ học, biến thiên dòng điện và độ trễ đọc dữ liệu của con người.

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 lí 11" (thực hiện bởi Lê Lâm Anh Phi, người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Phát - Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh) giải quyết bài toán trên thông qua việc số hóa toàn diện quy trình đo lường.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                MỤC TIÊU DỰ ÁN                                     |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Thiết kế hệ cơ học quay tự động 360 độ sử dụng cổ góp chổi than chống xoắn dây |
| 2. Chế tạo mạch đo lực nhạy cao dùng cảm biến lực Loadcell và IC INA125P         |
| 3. Tự động hóa quá trình thu nhận dữ liệu góc quay (Encoder) và lực từ (Loadcell)  |
| 4. Xây dựng hai chế độ hoạt động: Thủ công (LCD 1602) và Tự động (PC / Excel)    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Giải pháp kỹ thuật tích hợp hệ thống vi điều khiển 8-bit ATmega328P (Arduino Nano CH340), cầu đo Wheatstone biến dạng (strain gauge), IC khuếch đại đo lường chuyên dụng INA125P, bộ điều tốc PWM dùng IC 555 và cơ cấu bánh răng giảm tốc nhằm đạt được độ phân giải lực ở cấp độ millinewton ($\text{mN}$) và độ phân giải góc chính xác từng độ ($^\circ$).

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khảo sát lực từ tác dụng lên khung dây $N = 200$ vòng, kích thước $4 \times 10\text{ cm}$, đặt trong từ trường biến thiên tạo bởi nam châm điện chữ U với dòng điện khảo sát $I \in [0.5\text{A}, 1.0\text{A}]$. Giới hạn thiết bị bao gồm kích thước vùng từ trường đo $12 \times 10 \times 9\text{ cm}$ và giới hạn tải trọng cảm biến lực $100\text{g} - 500\text{g}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi phát triển hệ thống mới, các giải pháp thí nghiệm lực từ hiện hành trên thị trường và trong nghiên cứu học thuật được đánh giá chi tiết:

Tiêu chí kỹ thuật Bộ thí nghiệm Cty Sách & TBTH TP.HCM / SUNDAY Bộ thí nghiệm Pasco Scientific (EX-9933 - Hoa Kỳ) Đề tài SV ĐHSP TP.HCM (Trần Trọng Tân, 2016) Giải pháp đề xuất (Arduino & INA125P)
Cơ chế đo góc $\alpha$ Thủ công bằng thước đo độ chia vạch Tự động hóa / Cảm biến góc quay Pasco Thủ công từng nấc góc Tự động hóa bằng Optical Encoder qua ngắt ngoài
Cơ chế đo lực $F$ Lực kế lò xo cơ học ($\pm 0.05\text{N}$) Cảm biến lực Pasco Force Sensor Cân điện tử kỹ thuật số độc lập Loadcell Strain Gauge + IC khuếch đại INA125P
Thu thập dữ liệu Ghi chép tay Thu nhận qua cổng Pasco Capstone Ghi nhận thủ công từ màn hình cân Real-time LCD1602 và UART Serial Monitor sang PC
Chống xoắn dây nguồn Không có (quay hạn chế) Có cơ cấu tiếp điểm trượt chuyên dụng Không có (dây điện treo tự do) Hệ thống 2 cổ góp đồng trục + chổi than cách điện
Chi phí sản xuất Thấp (~500.000 - 1.000.000 VNĐ) Rất cao (>15.000.000 VNĐ) Trung bình (~1.500.000 VNĐ) Rất tối ưu (~800.000 - 1.200.000 VNĐ)

Yêu cầu kỹ thuật được phân loại theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Đo lực từ $F$ và góc $\alpha$ đồng thời; cơ cấu quay tự động không xoắn dây dẫn; hiển thị trực tiếp lên LCD 1602.
  • Should have (Nên có): Xuất dữ liệu qua cổng nối tiếp (Serial/UART) sang máy tính để vẽ đồ thị trong Excel/Mathematica; nút chức năng TARE (reset zero) và OFFSET (về mốc $0^\circ$).
  • Could have (Có thể mở rộng): Điều chỉnh tốc độ quét góc của nam châm bằng biến trở PWM.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Phần mềm giao diện GUI độc lập đóng gói thành file .exe.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc phần cứng của hệ thống thí nghiệm số hóa bao gồm các khối chức năng tương tác đồng bộ:

                  +-------------------------------------------------------------+
                  |                     KHỐI NGUỒN VÀ ĐIỀU KHIỂN DÒNG           |
                  |  - Nguồn DC Nam châm (0 - 1A) + Đảo chiều cực               |
                  |  - Nguồn DC Khung dây (0 - 1A) + Đảo chiều cực              |
                  +------------------------------+------------------------------+
                                                 |
                                                 v
+------------------------+        +--------------+-------------+        +--------------------------+
|      KHỐI CƠ KHÍ       |        |   KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM     |        |     KHỐI HIỂN THỊ &      |
| - Động cơ DC + Hộp số  |        |    (ARDUINO NANO CH340)    |        |        XUẤT DỮ LIỆU      |
| - Cổ góp + Chổi than   |------->| - Vi xử lý: ATmega328P     |------->| - Màn hình LCD 1602 I2C  |
| - Bánh răng i = 2.32   |        | - Tần số: 16 MHz           |        | - Máy tính PC (Excel /   |
| - Encoder quang (D2)   |        | - Độ phân giải ADC: 10-bit |        |   Mathematica qua Serial)|
| - Công tắc hành trình  |        |                            |        +--------------------------+
+------------------------+        +--------------+-------------+
                                                 ^
+------------------------------------------------+-----------------------------------------+
|                               KHỐI ĐO LỰC NHẠY CAO (LOADCELL)                            |
|  - Cảm biến lực (Cầu Wheatstone Strain Gauge)  ==>  IC khuếch đại vi sai INA125P  ==> A0 |
+------------------------------------------------------------------------------------------+

Technology Stack và phiên bản thiết bị phần cứng/phần mềm:

  • MCU: Arduino Nano v3.0 (Chip ATmega328P-AU 8-bit, 16MHz, 32KB Flash, 2KB SRAM, nạp qua chip UART CH340G).
  • Cảm biến lực: Micro Loadcell Aluminum Alloy Bar, cấu hình cầu Wheatstone 4 điện trở strain gauge.
  • Mạch khuếch đại: IC Instrumentation Amplifier Texas Instruments INA125P (độ lợi lập trình bằng điện trở ngoài $R_G$, tích hợp nguồn áp tham chiếu chuẩn $V_{\text{ref}}$).
  • Mạch điều khiển xung: IC Timer NE555 configured as Astable Multivibrator (tạo xung PWM cấp dòng qua Transistor TIP41C điều khiển tốc độ động cơ DC).
  • Bộ truyền động: Hệ thống 3 bánh răng truyền động trung gian (bánh chủ động 22 răng, bánh bị động trục nam châm 51 răng, cho tỉ số truyền $i = \frac{51}{22} \approx 2.32$).
  • Giao tiếp & Hiển thị: LCD 1602 ký tự tích hợp module chuyển đổi giao tiếp I2C PCF8574T (địa chỉ 0x27 hoặc 0x3F).
  • Phần mềm tính toán & mô phỏng: Wolfram Mathematica 11.3 (khảo sát từ trường không gian 3D), OrCAD 16.6 (thiết kế Schematic & PCB), Microsoft Excel 2016 (khớp hàm tuyến tính và hàm lượng giác).

Sơ đồ nối chân vi điều khiển Arduino Nano:

  • A0: Nhận điện áp Analog từ chân ngõ ra (Pin 10 - $V_O$) của IC INA125P.
  • A4 (SDA) & A5 (SCL): Giao tiếp I2C với màn hình LCD 1602.
  • D2 (INT0): Nhận xung ngắt ngoài từ cảm biến Encoder đo góc quay.
  • D3: Đọc tín hiệu số đóng/ngắt từ công tắc hành trình (xác định mốc $\alpha = 0^\circ$).
  • D6: Nút nhấn TARE (cân bằng điểm 0 cho cảm biến lực).
  • D8: Ngõ ra điều khiển Relay 5V đóng/ngắt nguồn động cơ DC.
  • D9 & D10: Nút nhấn UP / DOWN (chuyển đổi Menu hiển thị trên LCD).
  • D11: Nút nhấn START (kích hoạt chu trình đo tự động).
  • D12: Nút nhấn OFFSET (quay nam châm hồi vị về điểm gốc).

Methodology

Quy trình nghiên cứu áp dụng phương pháp Thực nghiệm Kỹ thuật tích hợp (Integrated Engineering & Experimental Physics Method):

+---------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                QUY TRÌNH PHÁT TRIỂN VÀ ĐÁNH GIÁ                                   |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------+
|  [Giai đoạn 1] Nghiên cứu lý thuyết từ trường & Giải thuật khuếch đại tín hiệu cực nhỏ            |
|       |                                                                                           |
|       v                                                                                           |
|  [Giai đoạn 2] Thiết kế cơ khí (Nam châm, Cổ góp, Hệ bánh răng i=2.32) & Mạch điện tử (OrCAD)     |
|       |                                                                                           |
|       v                                                                                           |
|  [Giai đoạn 3] Khảo sát bản đồ vector cảm ứng từ 3D trong lòng nam châm (Mathematica 11.3)        |
|       |                                                                                           |
|       v                                                                                           |
|  [Giai đoạn 4] Lập trình nhúng vi điều khiển (Firmware C++) & Xử lý tín hiệu cảm biến             |
|       |                                                                                           |
|       v                                                                                           |
|  [Giai đoạn 5] Thực nghiệm đo lực từ F theo góc alpha và cường độ dòng điện I; Đánh giá sai số    |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------+

Chiến lược giảm thiểu rủi ro kỹ thuật:

  1. Rủi ro xoắn đứt dây cấp nguồn: Xử lý bằng hệ thống 2 vòng cổ góp đồng nguyên chất đặt đồng trục cách điện, tiếp xúc quét qua 2 chổi than lò xo đàn hồi.
  2. Rủi ro trễ tín hiệu ADC: Thay thế module ADC 24-bit HX711 (tốc độ lấy mẫu chuẩn chỉ $10\text{Hz} - 80\text{Hz}$) bằng IC khuếch đại tương tự INA125P nối trực tiếp vào bộ chuyển đổi ADC 10-bit tích hợp của ATmega328P, nâng tần số đáp ứng tức thời của kênh đo lực.
  3. Rủi ro nhiễu động cơ: Tách biệt tầng công suất điều khiển động cơ DC (qua Relay và Transistor cách ly) với tầng đo lường tín hiệu nhỏ của cảm biến lực.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình chế tạo được triển khai qua các phân đoạn kỹ thuật cụ thể:

  1. Chế tạo khung cơ học và bộ truyền động: Khung đỡ bằng gỗ kỹ thuật cao cấp triệt tiêu độ rung, giá đỡ nam châm chữ U gắn trục quay trung tâm. Động cơ DC được cấp nguồn qua mạch đa hài NE555 với chu kỳ dao động điều khiển độ rộng xung xác định bởi: $$T = T_{\text{on}} + T_{\text{off}} = \ln 2 \cdot C \cdot (R_1 + 2R_2)$$ Hệ thống bánh răng chủ động 22 răng kết nối bánh răng thứ cấp 51 răng gắn trục quay nam châm, làm giảm tốc độ góc và tăng moment xoắn, loại bỏ hiện tượng giật cục khi quét góc.

  2. Thiết kế mạch in (PCB) và khối khuếch đại vi sai: Tín hiệu vi sai từ cầu Wheatstone trên Loadcell (cỡ vài $\text{mV}$) được đưa vào chân $V_{\text{IN}+}$ và $V_{\text{IN}-}$ của INA125P. Điện trở định độ lợi $R_G$ được tính toán để khuếch đại điện áp đầu ra đạt dải $0\text{V} - 5\text{V}$, tương thích trực tiếp với ngõ vào $A0$ của Arduino Nano.

// Trích đoạn thuật toán đo lực từ và góc quay tự động trên Arduino Nano
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

const int pinLoadcell = A0;
const int pinEncoder = 2;
const int pinLimitSwitch = 3;
const int pinRelayMotor = 8;
const int pinTare = 6;
const int pinStart = 11;
const int pinOffset = 12;

volatile long encoderTicks = 0;
float tareOffset = 0.0;
const float CALIBRATION_FACTOR = 0.4887; // Chuyển đổi ADC sang mN

void countPulse() {
  encoderTicks++;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  
  pinMode(pinEncoder, INPUT_PULLUP);
  pinMode(pinLimitSwitch, INPUT_PULLUP);
  pinMode(pinRelayMotor, OUTPUT);
  pinMode(pinTare, INPUT_PULLUP);
  pinMode(pinStart, INPUT_PULLUP);
  pinMode(pinOffset, INPUT_PULLUP);

  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinEncoder), countPulse, RISING);
  digitalWrite(pinRelayMotor, LOW); // Tắt động cơ ban đầu
}

float readForce_mN() {
  int rawADC = analogRead(pinLoadcell);
  float voltage = (rawADC * 5.0) / 1023.0;
  float force = (rawADC - tareOffset) * CALIBRATION_FACTOR;
  return force;
}

void loop() {
  // Chức năng TARE: Đặt điểm 0
  if (digitalRead(pinTare) == LOW) {
    tareOffset = analogRead(pinLoadcell);
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("TARE Completed  ");
    delay(300);
  }

  // Chức năng START: Khởi chạy chu trình đo tự động 360 độ
  if (digitalRead(pinStart) == LOW) {
    encoderTicks = 0;
    digitalWrite(pinRelayMotor, HIGH); // Bật động cơ quay nam châm
    lcd.clear();
    lcd.print("Measuring Mode 2");

    while (digitalRead(pinLimitSwitch) == HIGH) {
      float currentForce = readForce_mN();
      float currentAngle = encoderTicks * (360.0 / 400.0); // 400 xung/vòng
      
      // Xuất dữ liệu qua UART để vẽ đồ thị
      Serial.print(currentAngle, 2);
      Serial.print(",");
      Serial.println(currentForce, 2);

      lcd.setCursor(0, 1);
      lcd.print("A:");
      lcd.print(currentAngle, 0);
      lcd.print(" F:");
      lcd.print(currentForce, 1);
      lcd.print("mN  ");
      delay(50);
    }
    digitalWrite(pinRelayMotor, LOW); // Dừng động cơ khi chạm công tắc hành trình
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Measurement Done");
  }
}

Testing và validation

1. Khảo sát phân bố cảm ứng từ 3D trong lòng nam châm điện

Để đảm bảo độ tin cậy của thực nghiệm, từ trường bên trong khe hở hai bản cực nam châm được phân chia thành lưới thể tích $12 \times 10 \times 9\text{ cm}$ với các ô đơn vị $1\text{ cm}^3$. Sử dụng đầu dò Tesla kế số quét dọc theo 3 trục không gian $X, Y, Z$.

Dữ liệu được xử lý trong Wolfram Mathematica 11.3 bằng công thức tính giá trị cảm ứng từ trung bình vùng tương tác: $$\overline{B}{\text{vùng}} = \frac{\sum{i=1}^{m} \sum_{j=1}^{n} B_{i,j}}{N}$$

Kết quả xác định độ lớn cảm ứng từ trung bình tại cạnh trên ($z = 5\text{ cm}$) và cạnh dưới ($z = 14\text{ cm}$) của khung dây:

Cường độ dòng qua nam châm $I_{\text{nam châm}}$ (A) $\overline{B}_{\text{trên}}$ ($z = 5\text{ cm}$) (mT) $\overline{B}_{\text{dưới}}$ ($z = 14\text{ cm}$) (mT) $\Delta B = \overline{B}{\text{dưới}} - \overline{B}{\text{trên}}$ (mT)
0.5 A 1.88 5.86 3.98
1.0 A 3.75 11.42 7.67

2. Khảo sát thực nghiệm lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng

Khung dây thí nghiệm có thông số chuẩn: số vòng $N = 200$, chiều dài cạnh ngang tác dụng $l = 0.04\text{ m}$ ($4\text{ cm}$). Lực từ tổng hợp tác dụng lên khung dây là hiệu đại số giữa lực tác dụng lên cạnh dưới và cạnh trên: $$F_{\text{thực nghiệm}} = \Delta F = N \cdot I_{\text{khung dây}} \cdot (\overline{B}{\text{dưới}} - \overline{B}{\text{trên}}) \cdot l \cdot \sin\alpha$$

Khi tiến hành quay nam châm tự động từ $\alpha = 0^\circ \to 360^\circ$, hệ thống ghi nhận liên tục bộ giá trị $(\alpha, F)$. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ $F(\alpha)$ và $F(\sin\alpha)$ được khớp hàm tuyến tính trên Microsoft Excel:

    F (mN)
      ^
 100 -|                       * * * (F_max tại 90 độ)
  80 -|                   *           *
  60 -|                *                 *
  40 -|              *                     *
  20 -|             *                       *
   0 -+------------*-------------------------*------------*---------> Góc quay alpha (độ)
 -20 -|0          45         90        180    225        270       360
 -40 -|                                        *         *
 -60 -|                                          *     *
 -80 -|                                             *
-100 -|                                       (F_min tại 270 độ)

Bảng phân tích độ dốc (Hệ số góc $k = N \cdot I_{\text{khung dây}} \cdot \Delta B \cdot l$) và kiểm chứng sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm:

$I_{\text{nam châm}}$ (A) $I_{\text{khung dây}}$ (A) Phương trình hồi quy khớp thực nghiệm $F(\sin\alpha)$ Hệ số góc thực nghiệm $k_{\text{TN}}$ Cảm ứng từ tính toán $B_{\text{tính toán}}$ (mT) Cảm ứng từ đo trực tiếp $B_{\text{đo đạc}}$ (mT) Sai số tương đối (%)
0.5 A 0.5 A $y = 27.46 \cdot x$ 27.46 6.86 3.98 42.89%
0.5 A 1.0 A $y = 48.91 \cdot x$ 48.91 6.11 3.98 34.86%
1.0 A 0.5 A $y = 51.38 \cdot x$ 51.38 12.84 7.67 40.26%
1.0 A 1.0 A $y = 96.65 \cdot x$ 96.65 12.08 7.67 36.50%

Kết quả đạt được

Hệ thống đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế ban đầu:

  • Tự động hóa chu trình đo: Nam châm điện quay tròn đều 360 độ nhờ hệ thống động cơ DC bánh răng giảm tốc ($i = 2.32$), dữ liệu lực từ và góc quay được lấy mẫu đồng bộ theo thời gian thực mà không gặp hiện tượng xoắn dây.
  • Độ chính xác định tính tuyệt đối: Đồ thị $F(\alpha)$ thu được hoàn toàn khớp dạng hình sin chuẩn của hàm lượng giác, và đồ thị $F(\sin\alpha)$ là đường thẳng đi qua gốc tọa độ ($R^2 > 0.98$), chứng minh trực quan định luật Ampère $F \propto \sin\alpha$ và $F \propto I$.
  • Khả năng hiển thị linh hoạt: Tích hợp thành công chế độ xem trực tiếp giá trị từng nấc góc trên LCD 1602 (chế độ Mode 3) phục vụ ghi chép truyền thống, đồng thời truyền dữ liệu tốc độ cao qua Serial Monitor sang Excel phục vụ phân tích số liệu nâng cao.

Đổi mới và đóng góp

Cải tiến kỹ thuật đột phá

  1. Cơ cấu tiếp điện chổi than - cổ góp đồng trục: Giải quyết triệt để rào cản xoay vô hạn trong các thí nghiệm điện từ học. Nam châm điện có thể quay liên tục nhiều vòng mà nguồn điện một chiều cấp cho cuộn dây không bị ngắt quãng hay gây rối dây dẫn.
  2. Khai thác IC khuếch đại đo lường tương tự INA125P: Thay vì sử dụng module ADC 24-bit HX711 vốn có thời gian trễ lớn do thuật toán lọc số bên trong, việc sử dụng INA125P đưa tín hiệu Analog trực tiếp về chân ADC của vi điều khiển ATmega328P giúp tốc độ lấy mẫu tăng gấp 5 lần, ghi nhận tức thời biến thiên lực từ khi nam châm quay liên tục.
  3. Cơ chế hồi vị tự động OFFSET bằng công tắc hành trình: Cho phép hệ thống tự định vị mốc tọa độ góc $0^\circ$ chuẩn xác với độ lặp lại cao chỉ bằng một thao tác nhấn nút, loại bỏ hoàn toàn sai số thị giác khi căn chỉnh góc bằng mắt thường.
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
|                    SO SÁNH HIỆU QUẢ VỚI BỘ THÍ NGHIỆM TRUYỀN THỐNG                     |
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
| - Thời gian thực hiện một chu trình đo 360 độ: Giảm 75% (từ 20 phút xuống còn 3 phút)   |
| - Số lượng điểm dữ liệu thu thập: Tăng gấp 12 lần (từ 8 điểm lên >100 điểm/chu kỳ)      |
| - Độ mịn của đồ thị thực nghiệm: Đạt đường cong Sin liên tục thay vì các điểm rời rạc    |
| - Chi phí chế tạo: Chỉ bằng ~8% so với nhập khẩu thiết bị đồng cấp từ nước ngoài       |
+-----------------------------------------------------------------------------------------+

Đóng góp học thuật và giáo dục

Bộ thiết bị đóng góp một mô hình mẫu về chuyển đổi số thiết bị dạy học trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học cơ sở. Sản phẩm cung cấp giải pháp trực quan hóa sâu sắc cho bài học "Lực từ - Cảm ứng từ" trong chương trình Vật lý 11 THPT và học phần "Điện từ học đại cương" tại các trường Đại học Sư phạm / Bách khoa.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong giảng dạy

  • Kịch bản 1: Giờ học biểu diễn của giáo viên (Demonstration): Giáo viên kết nối bộ thí nghiệm với máy tính và máy chiếu trên lớp. Chỉ với 1 lần nhấn nút START, hệ thống tự động quay nam châm, màn hình hiển thị trực tiếp đồ thị hình sin của lực từ biến thiên theo góc quay $\alpha$, giúp học sinh tiếp thu định luật trong vòng 3 phút thay vì giảng chay lý thuyết.
  • Kịch bản 2: Thực hành nhóm của học sinh (Hands-on Lab): Học sinh sử dụng các nút bấm UP/DOWN để khảo sát từng vị trí góc rời rạc trên LCD 1602, tự ghi nhận số liệu và vẽ đồ thị trên giấy kẻ ô milimét nhằm rèn luyện kỹ năng xử lý sai số thực nghiệm.

Hướng dẫn triển khai và lắp đặt

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                           QUY TRÌNH LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH                           |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Bước 1: Đặt khung dây phẳng song song với 2 má cực nam châm tại vị trí 0 độ       |
| Bước 2: Nối dây ngõ ra Loadcell vào Domino 4; Nối LCD I2C vào Đế Pin 7           |
| Bước 3: Nối động cơ DC vào Domino 23; Nối Encoder vào Domino 24                   |
| Bước 4: Cấp nguồn xoay chiều cho bo mạch (Domino 1) và chỉnh dòng I qua biến trở  |
| Bước 5: Nhấn nút OFFSET để nam châm về gốc 0 độ ==> Nhấn TARE để reset trọng lượng|
| Bước 6: Nhấn nút START và quan sát chu trình đo tự động trên LCD / Serial Monitor |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Chi phí linh kiện triển khai (BOM - Bill of Materials):

  • Bo mạch Arduino Nano CH340 + Phụ kiện: 65.000 VNĐ
  • Cảm biến Loadcell 100g/500g + IC INA125P: 180.000 VNĐ
  • Động cơ DC giảm tốc + Optical Encoder + NE555: 150.000 VNĐ
  • Màn hình LCD 1602 + I2C Backpack: 60.000 VNĐ
  • Vật tư cơ khí (gỗ, bánh răng, trục quay, cổ góp đồng, chổi than): 250.000 VNĐ
  • Nam châm điện tự quấn + Ampe kế + Biến trở công suất: 200.000 VNĐ
  • Tổng chi phí chế tạo ước tính: ~905.000 VNĐ / bộ thiết bị.

Hạn chế và hướng phát triển

Phân tích nguyên nhân sai số

Mặc dù hình dạng đồ thị hoàn toàn trùng khớp với lý thuyết ($F \propto \sin\alpha$), sai số độ lớn cảm ứng từ $B$ tính toán so với đo trực tiếp vẫn còn ở mức $34.86% - 42.89%$. Các nguyên nhân kỹ thuật được làm rõ:

  1. Tính không đồng đều của từ trường: Lõi sắt chế tạo nam châm điện có hiện tượng nhiễm từ cục bộ và khe hở không khí lớn ($9\text{ cm}$), khiến từ trường tại các mép bản cực bị phân tán (từ trường tản mạn).
  2. Kích thước khung dây vượt khỏi vùng từ trường chuẩn: Chiều cao khung dây là $10\text{ cm}$, trong khi chiều cao vùng khảo sát từ trường đồng nhất chỉ đạt $9\text{ cm}$. Do đó, cạnh trên của khung dây chịu tác dụng của một phần từ trường ngược chiều chưa được bù trừ hoàn toàn.
  3. Nhiễu nguồn nuôi chung (Common Power Supply Noise): Mạch đo sử dụng chung nguồn cấp với mạch công suất động cơ, gây ra dao động sụt áp nhỏ trên đường nguồn của IC INA125P, dẫn đến nhiễu giá trị điện áp analog tại chân $A0$.

Hướng cải tiến tương lai

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        LỘ TRÌNH NÂNG CẤP KỸ THUẬT (ROADMAP)                       |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Phần cứng từ trường: Sử dụng lõi thép kỹ thuật điện (Silic/Sắt non chuyên dụng) |
|    nhằm tập trung từ thông và thu hẹp khe hở cực để đạt từ trường đều lý tưởng.   |
| 2. Tối ưu hóa cơ cấu đo: Thu nhỏ chiều cao khung dây xuống 4x4 cm để nằm gọn       |
|    100% trong không gian từ trường đồng nhất của nam châm.                         |
| 3. Xử lý tín hiệu: Thiết kế tầng nguồn cách ly quang học (Optocoupler) và mạch lọc|
|    thông thấp chủ động (Active Low-pass Filter) chống nhiễu nguồn cho INA125P.    |
| 4. Phần mềm máy tính: Phát triển ứng dụng GUI riêng trên Python/C# (WPF) kết nối  |
|    trực quan, tự động fit đồ thị và xuất báo cáo PDF chuẩn hóa.                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Đối tượng hưởng lợi

  • Học sinh THPT (Lớp 11 & Ôn thi Quốc Gia/STEM): Được tiếp cận phương pháp học tập trực quan tương tác cao, nắm vững bản chất vector của lực từ và quy tắc bàn tay trái thông qua đồ thị thời gian thực.
  • Giáo viên Vật lý: Sở hữu công cụ giảng dạy trực quan hóa hiện đại, tiết kiệm thời gian chuẩn bị thí nghiệm biểu diễn trên lớp từ 20 phút xuống dưới 3 phút.
  • Sinh viên & Kỹ sư Sư phạm Kỹ thuật: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật ghép nối cảm biến nhạy cao, lập trình ngắt vi điều khiển và xử lý tín hiệu tương tự trong cơ điện tử y sinh / đo lường.
  • Nhà nghiên cứu Thiết bị Giáo dục: Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm về thiết kế thiết bị số hóa giá rẻ, thúc đẩy phong trào tự tạo đồ dùng dạy học công nghệ số trong trường phổ thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai và nạp code cho hệ thống là gì?

Cần máy tính cá nhân cài đặt Arduino IDE phiên bản 1.8.x trở lên, driver chip nạp cổng nối tiếp CH340, thư viện LiquidCrystal_I2C.h và Wire.h. Nguồn điện cung cấp cho toàn mạch là nguồn Adapter AC-DC hoặc máy biến áp $12\text{V} - 2\text{A}$ cho động cơ và $5\text{V} - 1\text{A}$ ổn áp cho vi điều khiển.

2. Tại sao đồ thị lực từ vẫn chuẩn dạng Sin dù sai số độ lớn $B$ còn cao?

Đồ thị thực nghiệm tuân theo chính xác quy luật hàm sin vì cơ cấu góc quay của Encoder và sự biến thiên hình học của góc $\alpha$ giữa vector $\vec{B}$ và dòng điện $\vec{I}$ diễn ra chuẩn xác tuyệt đối trên mặt phẳng cơ khí. Sai số độ lớn chỉ xuất phát từ độ không đồng nhất của độ lớn cảm ứng từ $B$ dọc theo chiều cao khung dây, không làm biến dạng quy luật phụ thuộc góc.

3. Có thể thay thế vi điều khiển Arduino Nano bằng ESP32 hoặc STM32 được không?

Hoàn toàn được. ESP32 hoặc STM32F103C8T6 mang lại ưu thế lớn hơn nhờ bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải 12-bit (cho độ mịn lực từ cao hơn gấp 4 lần so với ADC 10-bit của Arduino Nano) và tích hợp sẵn kết nối không dây Wi-Fi/Bluetooth để truyền dữ liệu trực tiếp lên smartphone hoặc dashboard web.

4. Cách thức bảo trì hệ thống tiếp điểm cổ góp và chổi than định kỳ?

Sau khoảng 50 - 100 giờ vận hành, cần vệ sinh bề mặt 2 vành đồng cổ góp bằng cồn Isopropyl Alcohol (IPA) để tẩy sạch muội than ma sát, đồng thời kiểm tra lực căng lò xo chổi than nhằm đảm bảo tiếp xúc liên tục, tránh hiện tượng tia lửa điện nhỏ gây nhiễu cảm biến.

5. Chi phí đầu tư và thời gian hoàn vốn cho phòng thí nghiệm trường học?

Với chi phí tự gia công chế tạo dưới 1.000.000 VNĐ, thiết bị chỉ bằng 1/15 giá thành sản phẩm nhập khẩu tương đương từ các hãng thiết bị giáo dục quốc tế. Hiệu quả nâng cao chất lượng giảng dạy STEM và khả năng tái sử dụng bền bỉ qua nhiều niên khóa mang lại giá trị hoàn vốn giáo dục ngay trong năm học đầu tiên.

Kết luận

Đề tài khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Lâm Anh Phi đã nghiên cứu và chế tạo thành công Bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng ứng dụng vi điều khiển Arduino Nano và cảm biến lực Loadcell. Dự án khẳng định tính khả thi vượt trội trong việc ứng dụng công nghệ cơ điện tử và vi điều khiển giá rẻ để hiện đại hóa trang thiết bị dạy học môn Vật lý.

Những đóng góp kỹ thuật cốt lõi bao gồm: cơ cấu quay tự động 360 độ sử dụng cổ góp tiếp điện liên tục, mạch khuếch đại analog nhạy cao INA125P ghi nhận biến thiên lực millinewton theo thời gian thực, và quy trình thực nghiệm số hóa đồng bộ góc - lực kiểm chứng trực quan định luật Ampère $F = NBIL\sin\alpha$.

Mô hình thiết bị không chỉ phục vụ đắc lực cho công tác đổi mới phương pháp giảng dạy Vật lý 11 THPT theo định hướng giáo dục STEM, mà còn mở ra hướng phát triển các module thí nghiệm tự động hóa thế hệ mới cho các trường phổ thông và đại học trên cả nước.