Ứng Dụng Vi Điều Khiển Arduino Và Cảm Biến Lực Trong Nghiên Cứu

Luận văn tốt nghiệp kỹ thuật nghiên cứu tốt nghiệp vật lý ứng dụng vi điều khiển arduino và cảm biến lực chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực, điều tra thực trạng, phân tích số

• 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 Trong Nghiên Cứu Lực Từ
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.2. LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN THẲNG
• 1.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG CẦN KIỂM CHỨNG, ĐO ĐẠC
• 1.4. VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO NANO
• 1.4.1. Lịch sử hình thành Arduino
• 1.4.2. Cấu tạo vi điều khiển Arduino Nano CH340
• 1.4.3. Chức năng mạch Arduino Nano CH340 trong mô hình
• 1.4.4. Các thông số kỹ thuật nổi bật của Arduino Nano CH340
• 1.5. CẢM BIẾN LỰC (LOADCELL)
• 1.6. IC KHUẾCH ĐẠI ĐO LƯỜNG INA125P
• 1.7. MỘT SỐ LINH KIỆN KHÁC
• 1.7.1. Động cơ điện một chiều
• 1.7.2. Mạch tạo dao động sử dụng IC NE555
• 2. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Vi Điều Khiển Arduino Trong Nghiên Cứu Lực Từ

Vi điều khiển Arduino đã trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu khoa học, đặc biệt là trong lĩnh vực vật lý. Việc ứng dụng vi điều khiển Arduino trong nghiên cứu lực từ không chỉ giúp nâng cao hiệu quả thí nghiệm mà còn tạo ra những mô hình thực tiễn dễ dàng hơn cho học sinh. Nghiên cứu lực từ là một phần quan trọng trong chương trình vật lý, giúp học sinh hiểu rõ hơn về các hiện tượng vật lý xung quanh. Sự kết hợp giữa cảm biến lực và vi điều khiển Arduino mở ra nhiều cơ hội mới cho việc giảng dạy và nghiên cứu.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Vi Điều Khiển Arduino

Arduino ra đời vào năm 2005 tại Italia, nhằm phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu. Sự phát triển của công nghệ vi điều khiển đã tạo ra nhiều phiên bản khác nhau, trong đó Arduino Nano là một trong những phiên bản phổ biến nhất.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Lực Từ Trong Vật Lý

Nghiên cứu lực từ giúp học sinh hiểu rõ hơn về các khái niệm vật lý trừu tượng. Việc thực hiện thí nghiệm với cảm biến lực giúp minh họa rõ ràng hơn về các hiện tượng này.

II. Vấn Đề Trong Nghiên Cứu Lực Từ Với Các Phương Pháp Truyền Thống

Các phương pháp truyền thống trong nghiên cứu lực từ thường gặp nhiều khó khăn. Việc thực hiện thí nghiệm thủ công đòi hỏi nhiều thời gian và công sức. Hơn nữa, việc xử lý số liệu và vẽ đồ thị cũng tốn nhiều thời gian. Những hạn chế này đã dẫn đến nhu cầu cần có một giải pháp hiệu quả hơn, đó chính là việc ứng dụng vi điều khiển Arduino.

2.1. Hạn Chế Của Các Phương Pháp Thí Nghiệm Truyền Thống

Các phương pháp thí nghiệm truyền thống thường yêu cầu thao tác thủ công, dễ dẫn đến sai sót. Việc này không chỉ làm giảm độ chính xác mà còn tốn nhiều thời gian.

2.2. Nhu Cầu Cải Tiến Trong Nghiên Cứu Lực Từ

Cần có những cải tiến trong phương pháp thí nghiệm để nâng cao độ chính xác và hiệu quả. Việc sử dụng vi điều khiển Arduino có thể giải quyết những vấn đề này.

III. Phương Pháp Sử Dụng Vi Điều Khiển Arduino Trong Nghiên Cứu Lực Từ

Việc sử dụng vi điều khiển Arduino trong nghiên cứu lực từ mang lại nhiều lợi ích. Các thí nghiệm có thể được tự động hóa, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác. Hệ thống có thể ghi nhận và xử lý dữ liệu một cách nhanh chóng, từ đó giúp giáo viên và học sinh dễ dàng hơn trong việc phân tích kết quả.

3.1. Cách Thiết Kế Mạch Điện Sử Dụng Arduino

Mạch điện sử dụng Arduino cần được thiết kế sao cho phù hợp với các cảm biến và linh kiện khác. Việc này đảm bảo rằng các tín hiệu được ghi nhận chính xác và nhanh chóng.

3.2. Lập Trình Arduino Để Tự Động Hóa Thí Nghiệm

Lập trình Arduino cho phép tự động hóa quá trình thí nghiệm. Các giá trị lực từ có thể được ghi nhận và hiển thị trên màn hình LCD, giúp người dùng dễ dàng theo dõi.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Vi Điều Khiển Arduino Trong Nghiên Cứu Lực Từ

Việc ứng dụng vi điều khiển Arduino trong nghiên cứu lực từ đã mang lại nhiều kết quả tích cực. Các thí nghiệm không chỉ trở nên chính xác hơn mà còn dễ dàng hơn trong việc thực hiện. Hệ thống có thể ghi nhận dữ liệu một cách tự động, giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho giáo viên và học sinh.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Từ Các Thí Nghiệm

Các thí nghiệm đã cho thấy sự phụ thuộc của lực từ vào cường độ dòng điện và góc lệch. Những kết quả này phù hợp với lý thuyết vật lý đã được chứng minh.

4.2. Tác Động Đến Quá Trình Giảng Dạy Vật Lý

Việc sử dụng vi điều khiển Arduino trong giảng dạy giúp học sinh hứng thú hơn với môn học. Các thí nghiệm trở nên sinh động và dễ hiểu hơn.

V. Kết Luận Về Ứng Dụng Vi Điều Khiển Arduino Trong Nghiên Cứu Lực Từ

Ứng dụng vi điều khiển Arduino trong nghiên cứu lực từ đã mở ra nhiều cơ hội mới cho giáo dục. Việc tự động hóa thí nghiệm không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn giúp tiết kiệm thời gian. Tương lai của nghiên cứu lực từ sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Lực Từ

Nghiên cứu lực từ sẽ tiếp tục được cải tiến với sự phát triển của công nghệ. Việc ứng dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao chất lượng giáo dục.

5.2. Khuyến Khích Sử Dụng Công Nghệ Trong Giáo Dục

Khuyến khích giáo viên và học sinh sử dụng vi điều khiển Arduino trong các thí nghiệm sẽ giúp nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chương trình Vật lí 11 Trung học Phổ thông (THPT), mảng kiến thức về từ trường chiếm một tỉ trọng lớn nhưng có tính chất trừu tượng cao, đòi hỏi trực quan hóa thông qua các thiết bị thí nghiệm thực hành. Trên thực tế, nhiều trường THPT đã được trang bị các 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, Công ty TNHH Ngày Chủ Nhật (SUNDAY) hoặc Công ty Pasco (Mỹ) sản xuất. Mặc dù các bộ dụng cụ này nhỏ gọn và dễ sử dụng, người dạy và người học vẫn phải tiến hành thao tác đo hoàn toàn thủ công, đòi hỏi sự tỉ mỉ, đồng thời khâu xử lý số liệu và vẽ đồ thị biểu diễn mất nhiều thời gian.

Năm 2016, đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên của nhóm tác giả Trần Trọng Tân và Nguyễn Khánh tại Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã bước đầu khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng bằng hệ thống cân điện tử. Tuy nhiên, mô hình này vẫn chưa tự động hóa được việc thay đổi góc lệch giữa véc-tơ cảm ứng từ và đoạn dây dẫn mang dòng điện, khả năng kết nối máy tính, hiển thị dữ liệu và tương tác với người dùng còn nhiều hạn chế.

Từ thực tiễn trên, khóa luận tốt nghiệp ngành Sư phạm Vật lý của tác giả Lê Lâm Anh Phi tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

1. Thiết kế và chế tạo một bộ thí nghiệm hoàn chỉnh vừa có thể thao tác thủ công, vừa có khả năng khảo sát tự động tương tác từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện.
2. Tích hợp vi điều khiển Arduino Nano CH340, cảm biến lực (loadcell), IC khuếch đại INA125P, cảm biến góc quay encoder và động cơ DC giảm tốc để tự động hóa quá trình thay đổi góc lệch $\alpha$ và đo đạc đồng thời các đại lượng.
3. Xuất và truyền dữ liệu đo đạc trực tiếp lên màn hình LCD cũng như máy vi tính để thuận tiện cho việc xử lý số liệu, vẽ đồ thị kiểm chứng với mô hình lý thuyết của chương trình Vật lí 11 THPT.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng đặt trong từ trường đều, cùng hệ thống cơ - điện tử phục vụ đo đạc tự động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát sự phụ thuộc của lực từ vào góc quay $\alpha$ ($0^\circ - 360^\circ$), cảm ứng từ $B$ và cường độ dòng điện $I$ ($0 - 2\text{ A}$) qua khung dây $4 \times 10\text{ cm}$ gồm 200 vòng dây trong môi trường phòng thí nghiệm.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Khóa luận vận dụng lý thuyết lực từ (lực Ampere) trong chương trình Vật lí 11. Khi một đoạn dây dẫn thẳng có chiều dài $l$, mang dòng điện $I$ đặt trong từ trường đều $\vec{B}$, lực từ $\vec{F}$ tác dụng lên phần tử dòng điện có điểm đặt tại trung điểm đoạn dây, phương vuông góc với véc-tơ chiều dài $\vec{l}$ và $\vec{B}$, chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái và độ lớn được xác định bởi: $$F = BIl\sin\alpha$$ Trong đó $\alpha$ là góc hợp bởi véc-tơ cảm ứng từ $\vec{B}$ và véc-tơ phần tử dòng điện $\vec{I}$. Khi xét khung dây gồm $N$ phần tử dòng điện giống nhau, công thức tổng quát là: $$F = NBIl\sin\alpha$$ Theo lý thuyết, khi $B$, $I$, $l$ và $N$ cố định:

• Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ $F$ theo góc $\alpha$ có dạng đường hình sin.
• Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ $F$ theo $\sin\alpha$ có dạng một đường thẳng đi qua gốc tọa độ với hệ số góc bằng tích số $NBIl$.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp các phương pháp nghiên cứu sau:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu chương trình Vật lí 11, các tài liệu kỹ thuật về vi điều khiển AVR/Arduino, nguyên lý mạch cầu Wheatstone của cảm biến lực và các mạch điện tử đo lường.
• Phương pháp thiết kế và chế tạo kỹ thuật: Thiết kế kết cấu cơ khí bằng vật liệu gỗ; thiết kế mạch in điện tử bằng phần mềm OrCAD; lập trình điều khiển nhúng trên nền tảng Arduino IDE bằng ngôn ngữ C/C++.
• Phương pháp thực nghiệm vật lý: Khảo sát phân bố không gian cảm ứng từ bên trong nam châm chữ U theo lưới tọa độ 3 chiều ($x, y, z$); tiến hành đo đạc thực nghiệm lực từ theo góc quay và xử lý số liệu bằng các phần mềm chuyên dụng (Mathematica 11.3, Microsoft Excel, Origin).

---

Thiết kế và chế tạo hệ thống thực nghiệm

Hệ thống thiết bị được chia thành ba khối chính: hệ thống cơ học, hệ thống đo lường - điều khiển điện tử và hệ thống cung cấp nguồn/chỉnh lưu.

1. Kết cấu cơ học và truyền động

• Khung vỏ: Được gia công bằng gỗ nhằm đảm bảo độ cứng vững, giảm thiểu rung lắc và triệt tiêu ảnh hưởng của hiện tượng nhiễm từ lên kết quả đo.
• Nam châm điện chữ U: Cấu tạo từ lõi sắt uốn chữ U quấn dây đồng cách điện. Để cấp nguồn liên tục cho cuộn dây trong khi nam châm quay tròn $360^\circ$ mà không bị xoắn dây, hệ thống sử dụng hai cổ góp bằng đồng đặt đồng trục cách điện với nhau, tiếp xúc với nguồn điện thông qua hệ thống chổi than.
• Cơ cấu truyền động: Sử dụng động cơ điện một chiều (DC) tích hợp hộp giảm tốc. Động cơ truyền động qua hệ thống bánh răng gồm 1 bánh chủ động (22 răng), 2 bánh trung gian thụ động (22 răng) và 1 bánh răng lớn gắn trên trục nam châm (51 răng). Tỉ số truyền được xác định: $$\text{Tỉ số truyền} = \frac{51}{22} \approx 2{,}32$$ Điều này giúp giảm tốc độ quay của nam châm, đảm bảo quá trình lấy mẫu diễn ra ổn định.
• Cảm biến vị trí: Lắp đặt một đĩa encoder quang học gắn đồng trục để đọc góc quay $\alpha$ và một công tắc hành trình để gửi tín hiệu ngắt về vi điều khiển, xác lập vị trí gốc $\alpha = 0^\circ$.

2. Hệ thống mạch điện tử và vi điều khiển

Mạch điện tử được thiết kế trên phần mềm OrCAD và gia công mạch in hoàn chỉnh trong phòng thí nghiệm.

Bộ phận / Linh kiện	Thông số & Đặc tính kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Arduino Nano CH340	Vi xử lý ATmega328P-AU 8-bit, 16 MHz, 14 chân Digital (6 chân PWM), 8 chân Analog 10-bit.	Trung tâm điều khiển, đọc tín hiệu cảm biến, tính toán và xuất dữ liệu.
Cảm biến lực (Loadcell)	Cầu điện trở biến dạng Wheatstone ($R_1, R_2, R_3, R_4$).	Đo biến dạng cơ học tương ứng với lực từ tác dụng lên khung dây.
IC khuếch đại INA125P	IC khuếch đại đo lường vi sai với điện áp tham chiếu chính xác.	Khuếch đại trực tiếp tín hiệu analog biên độ nhỏ từ Loadcell đưa về chân A0 của Arduino.
Mạch đa hài IC NE555	Mạch tạo xung vuông điều chỉnh chu kỳ $T = \ln 2 \cdot C \cdot (R_1 + R_2)$.	Điều chế độ rộng xung để điều khiển tốc độ quay của động cơ DC.
Relay điện từ	Công tắc chuyển mạch đóng/ngắt điều khiển bằng dòng điện.	Nhận lệnh từ chân D8 của Arduino để đóng/ngắt nguồn động cơ DC.
Encoder quang học	Cặp diode phát - thu quang kèm đĩa đục lỗ.	Xuất xung về chân D2 để đếm và chuyển đổi thành giá trị góc quay $\alpha$.
Màn hình LCD 1602 + I2C	Màn hình 16 ký tự $\times$ 2 dòng, giao tiếp qua 2 dây SDA (A4) và SCL (A5).	Hiển thị các thông số lực, góc quay và trạng thái chế độ đo.
Hệ thống nút bấm	Gồm các nút: TARE (D6), UP (D9), DOWN (D10), START (D11), OFFSET (D12).	Giao tiếp người dùng, điều chỉnh danh mục, reset lực và thiết lập gốc tọa độ.
Hệ đồng hồ & biến trở	2 ampe kế (0 - 2 A, ĐCNN 0,1 A), 2 biến trở, 2 công tắc đảo cực.	Điều chỉnh và đo cường độ/chiều dòng điện qua nam châm và qua khung dây.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích vai trò của phương pháp thực nghiệm trong giảng dạy bộ môn Vật lý, đặc biệt là phần Từ trường trong chương trình Vật lí 11 THPT. Tác giả tổng hợp, so sánh ưu điểm và nhược điểm của các bộ thí nghiệm hiện có trên thị trường (Công ty Cổ phần Sách và Thiết bị trường học TP.HCM, Sunday, Pasco) và đề tài nghiên cứu cân điện tử của nhóm sinh viên Trần Trọng Tân - Nguyễn Khánh (2016). Từ việc chỉ ra hạn chế về tính thủ công, thiếu tính năng tự động xoay góc và bất tiện trong thu thập dữ liệu đồ thị, tác giả xác lập tính cấp thiết của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Tác giả trình bày hệ thống lý thuyết về lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện theo định luật Ampere, xây dựng các dạng đồ thị chuẩn theo lý thuyết ($F - \alpha$ dạng sin và $F - \sin\alpha$ dạng tuyến tính). Tiếp đó, chương 2 đi sâu vào cấu tạo, nguyên lý vận hành của các linh kiện điện tử cấu thành mô hình: kiến trúc vi điều khiển Arduino Nano CH340, nguyên lý cầu Wheatstone của cảm biến lực Loadcell, cơ chế khuếch đại analog của IC INA125P (so sánh ưu thế tốc độ với module HX711), nguyên lý động cơ DC kết hợp IC NE555 tạo xung PWM, tính toán tỉ số truyền hệ bánh răng ($i = 2{,}32$), cấu tạo encoder quang học và giao thức truyền thông I2C cho màn hình LCD 1602.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình chế tạo phần cứng, thử nghiệm và phân tích dữ liệu thực nghiệm:

• Thiết kế phần cứng: Hoàn thiện khung cơ học, hệ chổi than - cổ góp, sơ đồ nguyên lý mạch điện và quy trình 7 bước đấu nối các module chức năng.
• Khảo sát từ trường nam châm điện chữ U: Khảo sát phân bố cảm ứng từ trong không gian hình hộp $12 \times 10 \times 9\text{ cm}$ giữa hai bản cực bằng đầu dò 3 trục ($x, y, z$) với lưới chia $1\text{ cm}^3$. Dữ liệu được vẽ thành đồ thị 3D trên Mathematica 11.3, xác định vùng không gian đặt khung dây chịu lực ($5 \times 5 \times 1\text{ cm}$).
• Quy trình đo lực từ: Thiết lập 8 bước tiến hành đo ở 2 chế độ (Mode 2: đo tự động ghi nhớ dữ liệu; Mode 3: hiển thị dữ liệu lên màn hình LCD hoặc truyền qua cổng nối tiếp Serial Monitor sang máy tính).
• Phân tích kết quả thực nghiệm: Xây dựng các đồ thị $F(\alpha)$ và $F(\sin\alpha)$ tại các mức cường độ dòng điện khác nhau ($I_{\text{nam châm}} = 0{,}5\text{ A}; 1{,}0\text{ A}$ và $I_{\text{khung dây}} = 0{,}5\text{ A}; 1{,}0\text{ A}$). Tính toán hệ số góc thực nghiệm qua Microsoft Excel và đối chiếu lại độ lớn cảm ứng từ $B$.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm chính kèm số liệu

• Đặc trưng phân bố từ trường: Kết quả đo quét 3D cho thấy từ trường giữa hai bản cực không hoàn toàn đều ở toàn bộ không gian nhưng tương đối đồng đều tại vùng trung tâm ($5 \times 5 \times 1\text{ cm}$). Do khung dây dẫn có hai cạnh nằm ngang đặt ở hai độ cao khác nhau ($z = 5\text{ cm}$ và $z = 14\text{ cm}$) chịu hai lực từ ngược chiều nhau, lực tổng hợp đo được bởi Loadcell là hiệu độ lớn: $$\Delta F = NI(B_{\text{dưới}} - B_{\text{trên}})l\sin\alpha$$

• Đồ thị lực từ thực nghiệm: Các đồ thị thực nghiệm $F - \alpha$ thu được đều có dạng hình sin rõ rệt và đồ thị $F - \sin\alpha$ có dạng đường thẳng đi qua gốc tọa độ, hoàn toàn phù hợp với mô hình lý thuyết. Khi cường độ dòng điện qua khung dây tăng gấp đôi từ $I_{\text{khung dây}} = 0{,}5\text{ A}$ lên $1{,}0\text{ A}$, lực cực đại $F_{\max}$ ghi nhận được cũng tăng xấp xỉ 2 lần.

• Đối chiếu số liệu hệ số góc và cảm ứng từ: Dữ liệu khớp hàm tuyến tính trên Microsoft Excel cho phép xác định hệ số góc của đồ thị $F - \sin\alpha$:

$I_{\text{nam châm}}\text{ (A)}$	$I_{\text{khung dây}}\text{ (A)}$	Phương trình đường hồi quy	Hệ số góc thực nghiệm
$0{,}5$	$0{,}5$	$y = 27{,}461x$	$27{,}461$
$0{,}5$	$1{,}0$	Số liệu thực nghiệm đồ thị 3.14b	Tỉ lệ thuận theo dòng điện
$1{,}0$	$0{,}5$	Số liệu thực nghiệm đồ thị 3.15b	Tăng theo cảm ứng từ
$1{,}0$	$1{,}0$	Số liệu thực nghiệm đồ thị 3.15b	Giá trị cực đại lớn nhất

Khi kiểm chứng giá trị cảm ứng từ tính toán từ hệ số góc so với giá trị đo trực tiếp bằng đầu dò, ở mức dòng $I_{\text{nam châm}} = 0{,}5\text{ A}$, sai số tương đối giữa hai phương pháp đạt mức $42{,}89%$ và giảm dần khi tăng cường độ dòng điện qua nam châm và khung dây.

2. Đóng góp của đề tài

• Chế tạo thành công thiết bị dạy học tích hợp công nghệ nhúng, tự động hóa hoàn toàn phép đo khảo sát lực từ theo góc quay $\alpha$ với độ phân giải góc chính xác từ encoder.
• Khắc phục triệt để hiện tượng xoắn dây cấp nguồn khi nam châm quay tròn liên tục nhờ cơ chế cổ góp chổi than đôi.
• Rút ngắn thời gian xử lý số liệu trong giờ học thông qua khả năng trích xuất dữ liệu trực tiếp sang Microsoft Excel hoặc Origin để vẽ đồ thị kiểm chứng tức thì.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

1. Độ đồng đều của từ trường: Lõi sắt nam châm bị nhiễm từ không đều dẫn đến cảm ứng từ giữa hai bản cực có sự chênh lệch giữa các vị trí không gian.
2. Nhiễu tín hiệu đo lường: IC khuếch đại đo lường INA125P sử dụng chung đường nguồn nuôi với toàn bộ mạch điện tử điều khiển, gây ra hiện tượng sụt áp và nhiễu tín hiệu analog đưa về vi điều khiển.
3. Sai số cơ khí khi định vị: Việc cân chỉnh mặt phẳng khung dây tại vị trí góc mốc $\alpha = 0^\circ$ ban đầu chưa đạt độ chính xác tuyệt đối.
4. Kích thước khung dây: Vùng khảo sát từ trường bằng đầu dò giới hạn ở độ cao trục $z \approx 9\text{ cm}$, trong khi chiều cao thực tế của khung dây là $10\text{ cm}$, khiến một phần khung dây nằm ngoài vùng không gian đã khảo sát cảm ứng từ, dẫn đến sai số giữa phép đo lực và tính toán lý thuyết.
5. Phần mềm giao diện: Thiết bị chưa được tích hợp một phần mềm giao diện máy tính độc lập chuyên dụng để tự động nhận dạng cổng COM, thu thập và tự động vẽ đồ thị thời gian thực mà vẫn phải thông qua Serial Monitor của Arduino IDE.

Hướng phát triển đề xuất

• Thay thế vật liệu lõi nam châm bằng lõi sắt non chuyên dụng để tăng cường độ đồng đều của từ trường.
• Tách riêng mạch cấp nguồn nuôi cho khối cảm biến và IC khuếch đại INA125P nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu tín hiệu đo lực.
• Cải tiến cữ gá cơ khí để chuẩn hóa vị trí góc $0^\circ$ của khung dây.
• Điều chỉnh kích thước khung dây dẫn nhỏ hơn để đảm bảo nằm hoàn toàn trong vùng từ trường đồng nhất đã được định chuẩn.
• Xây dựng phần mềm máy tính có giao diện trực quan nhằm tự động thu thập số liệu, khớp hàm và vẽ đồ thị trực tiếp phục vụ trực quan hóa bài giảng.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên và giảng viên ngành Sư phạm Vật lý, Sư phạm Kỹ thuật: Tham khảo phương pháp xây dựng, số hóa thiết bị thí nghiệm thực hành phục vụ chương trình Vật lý phổ thông.
• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơ điện tử: Tham khảo giải pháp thiết kế mạch đo lường tín hiệu nhỏ từ Loadcell sử dụng INA125P kết hợp Arduino, kỹ thuật điều khiển động cơ DC bằng IC 555/PWM và cơ chế truyền động cổ góp quay liên tục.
• Giáo viên Vật lý THPT: Nắm bắt quy trình thực nghiệm và phương pháp khai thác đồ thị $F(\alpha)$, $F(\sin\alpha)$ để đổi mới phương pháp dạy học bài Lực từ trong chương trình Vật lí 11.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ thí nghiệm giải quyết vấn đề cấp nguồn cho nam châm quay liên tục mà không bị xoắn dây bằng cách nào?

Tác giả thiết kế ngõ cấp điện của nam châm gồm hai cổ góp bằng đồng đặt đồng trục với trục quay của nam châm và cách điện với nhau. Nguồn điện ngoài được kết nối với hệ thống chổi than cố định tì vào hai cổ góp này, giúp duy trì cấp điện liên tục và ổn định cho cuộn dây nam châm trong suốt quá trình quay tròn $360^\circ$.

2. Vì sao đề tài lựa chọn IC khuếch đại INA125P thay vì module chuyển đổi ADC 24-bit HX711 thông dụng?

Module HX711 thực hiện chuyển đổi tín hiệu analog từ loadcell sang tín hiệu số (digital) 24-bit trước khi truyền dữ liệu về Arduino, quá trình chuyển đổi này làm chậm tốc độ cập nhật dữ liệu khi động cơ đang quay. IC INA125P khuếch đại trực tiếp tín hiệu analog với điện áp tham chiếu chính xác và đưa thẳng về chân analog A0 của Arduino, giúp tốc độ ghi nhận giá trị lực diễn ra nhanh và liên tục hơn.

3. Tỉ số truyền của hệ thống bánh răng dẫn động nam châm được xác định ra sao?

Cơ cấu truyền động sử dụng bánh răng sơ cấp gắn trên trục động cơ DC có 22 răng và bánh răng thứ cấp gắn trên trục nam châm điện có 51 răng (truyền qua 2 bánh trung gian 22 răng). Tỉ số truyền được tính bằng $51 / 22 \approx 2{,}32$, có nghĩa khi động cơ DC quay được xấp xỉ 2,32 vòng thì nam châm điện mới quay được 1 vòng, giúp giảm tốc độ quay và tăng lực kéo.

4. Tại sao giá trị lực ghi nhận bởi cảm biến lực thực chất là hiệu độ lớn của hai lực từ?

Khung dây dẫn hình chữ nhật ($4 \times 10\text{ cm}$) có hai cạnh nằm ngang đặt vuông góc với từ trường ở hai độ cao khác nhau ($z = 5\text{ cm}$ và $z = 14\text{ cm}$). Do dòng điện chạy qua hai cạnh này có chiều ngược nhau, theo quy tắc bàn tay trái, hai cạnh sẽ chịu hai lực từ có phương thẳng đứng nhưng ngược chiều nhau. Vì vậy, cảm biến lực Loadcell đo được hợp lực tác dụng lên toàn bộ khung dây chính là hiệu độ lớn giữa lực từ ở cạnh dưới và lực từ ở cạnh trên ($\Delta F$).

5. Người sử dụng có thể vận hành bộ thí nghiệm theo những chế độ nào?

Hệ thống cung cấp hai chế độ:

• Chế độ thủ công: Arduino đọc giá trị từ Loadcell và encoder rồi hiển thị trực tiếp lên màn hình LCD 1602 để người học ghi chép và vẽ đồ thị thủ công trên giấy.
• Chế độ tự động: Khi nhấn nút START, hệ thống chuyển sang Mode 2 để tự động quay nam châm, đo đạc và lưu trữ dữ liệu vào bộ nhớ; sau đó chuyển sang Mode 3 để xuất toàn bộ mảng dữ liệu qua Serial Monitor của Arduino IDE, cho phép đưa vào Microsoft Excel hoặc Origin để vẽ đồ thị kiểm chứng tự động.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Lâm Anh Phi đã chế tạo thành công bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng ứng dụng vi điều khiển Arduino Nano CH340 và cảm biến lực Loadcell. Thiết bị đã tự động hóa quy trình xoay góc lệch $\alpha$, đo đạc đồng thời lực từ và xuất dữ liệu thực nghiệm để kiểm chứng dạng đồ thị hình sin $F(\alpha)$ và đường thẳng $F(\sin\alpha)$ theo đúng lý thuyết Vật lí 11 THPT. Mặc dù vẫn còn sai số do từ trường chưa tuyệt đối đều và nhiễu nguồn analog, công trình mang lại giá trị thực tiễn cao trong việc đổi mới và nâng cao chất lượng thiết bị dạy học thực nghiệm môn Vật lý.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỎNG 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 đạy và học. Trong chương trình Vật Lý 11 Trung học Phỏ thông (THPT), từ trường chiém ti 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 dé mô tả và giảng giải cho học sinh.

Hiện nay, đã có nhiều bộ thi 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 phô thông. Bộ thi nghiệm đo lực từ, cảm ứng từ do Công ty Cô 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) (e, đ) sản xuất {3]. Cụ thê ở phần Từ trường, nhiều trường THPT được trang bị bộ thí nghiệm khảo sát lực từ và cảm ứng tir do Công ty Cé phan Sách vả Thiết bị trưởng học TP.

Hồ Chí Minh (hình I.1a) và công ty TNHH Ngày Chủ Nhật (SUNDAY, hình 1.1b) sản xuất để giảng day các kiến thức vẻ từ trường trong chương trình Vật Lý 11. Ngoai ra, có thẻ kê 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 thê thực hiện thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thăng tại lớp học nhờ ưu điểm nhỏ gọn và dé sử dụng. Tuy nhiên, các thí nghiệm phải thực hiện thủ công nên đòi hỏi thao tác ti mi va can thận, việc xử lý số liệu và vẽ 46 thị biéu diễn cũng tốn nhiều thời gian.

Bộ thí nghiệm đo lực từ bằng hệ thông cân điện tử của nhóm sinh viên Trần Trọng Tân và Nguyễn Khánh - Khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm TP.Hà Chi Minh [4]. Bên cạnh đó, đề tài nghiên cứu khoa học “B6 thí nghiệm do 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. Hỗ Chí Minh (hình 1.2) cũng đã khảo sat lực từ tác dụng lên dong điện thăng đặt trong từ trường theo cường độ dong điện qua đây dan thing, theo góc lệch giữa cường độ dòng điện và cảm ứng từ cho kết qua đáng tin cậy. Tuy nhiên, bộ thí nghiệm này chưa thé tự động hoá việc thay đôi góc lệch giữa cường độ dong điện và cảm ứng tir, 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 thé thao tác thí nghiệm thủ công, vừa khảo sát tự động và chính xác tương tác từ trên dong điện thăng và cập nhật các giá trị lực từ lên máy tính dé dễ dang xử lý, vẽ đồ thị kiểm chứng với lí thuyết, tôi chọn thực hiện đề tài “Ung dụng vi điều khiến Arduino và cảm biến lực chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thăng phục vụ giảng dạy Vật Lý 11 THPT” làm khoá luận tốt nghiệp của mình. CƠ SỞ LÝ THUYET Nhằm mục đích đo đạc lực tương tác từ giữa nam châm điện và dòng điện thăng, đồng thời khảo sát sự phụ thuộc của lực tương tác này theo góc lệch giữa cảm ứng từ và dòng điện thăng một cách tự động. tôi sử dung vi điều khién, kết hợp cảm biến lực (Loadcell) và một số vi mạch điện tử khác dé 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 = MBIHsinœArduino Nano, cảm biến lực, IC khuếch đại đo lường INA125P, động co DC tích hợp bộ giảm tốc va encoder, IC tạo đao động 555, relay và hệ thống bánh răng truyền chuyên động.

Lực từ tác dụng lên dong điện thang đặt trong từ trường 2. Công thức Khi một dây dẫn thăng có chiều dai /, mang dong điện I dat trong tử trường đều B, thi phan tử dong điện Ii sẽ chịu tác dụng của lực từ tác dụng lên đây din mang dong điện. Lực từ F có điểm đặt tại trung điểm MỊM:, có phương vuông góc với ï và B, có chiều tuân theo quy tắc ban tay trái và có độ lớn được xác định bởi: F = Bilsina (1) trong đó a là góc tạo bởi B và 7. Nếu lực từ F tác dụng lên N phần tử dòng điện I/ thì độ lớn của F được xác định theo công thức: F = NBIlsina (2) Hình 2.

Sơ đồ thé hiện lực từ tác dụng lên một đoạn đây dẫn thăng có dòng điện chạy qua. Đồ thị Theo công thức (1) ta thấy rằng, khi cảm ứng từ B và chiều dài đoạn dây dan là có định thì đồ thị biểu diễn moi liên hệ giữa lực từ F và góc ơ có dạng hình sin như hình 2. Nếu ta biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ và sinơ thì đồ thị có đạng một đường thăng đi qua gốc toạ độ như hình 2.00 sinơ (b) theo lý thuyết. Các đại lượng cần kiểm chứng, đo đạc Mô hình thí nghiệm được thiết kế nhằm kiêm chứng công thức (2) bằng cách đo giá trị lực tương tác từ Ê giữa từ trường có cảm ứng từ B và N đoạn đây dẫn thăng theo các giá trị cường độ dòng điện I chạy qua day dan và góc œ khác nhau.

Cảm ứng từ B được xác định bằng cách sử dụng một đầu dò từ trường dé xác định độ lớn cảm ứng từ tạo ra boi một nam châm điện chữ U. Lực từ F được xác định thông qua một cảm biến lực (Loadcell). Giá trị cường độ dong điện I va góc @ được xác định lần lượt bởi ampe kế và encoder. Góc œ tạo bởi phương cảm ứng từ B và phương dong điện I được thay đổi tự động bằng cách xoay nam châm điện quanh một trục thăng đứng.

Tất cả các thiết bị, linh kiện điện tử nhằm xác định các thông số trên được trình bảy bên dưới. bộ thí nghiệm còn cho phép người dùng thay đôi cường độ đòng điện qua khung đây dẫn nhằm khảo sát đồ thị với những giá trị I khác nhau. Vi điều khiến Arduino Nano 2. Lịch sử hình thành Arduino ra đời tại thị tran 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 đi 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) va sơ đồ chân (b) [5]. Arduino Nano CH340 là một trong những phiên ban nhỏ gon nhất của dong vi điều khiên Arduino, có kích thước 18,54 x 43,18mm, sử dung dòng vi xử ly §biLATmega32§ — AU.

Nó có 14 chan Digital (từ chân DO đến chân D13), 8 chân Analog (từ chan 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 mach Arduino Nano CH340 trong mô hình Đặc điểm nỗi bật của Arduino là KIT phát triển trên nên tang chip AVR, hỗ trợ đa chức nang, trên Arduino cỏ san các chân căm, tích hợp mạch nap, có các 9 công giao tiếp,.[6] So với các dòng vi điều khiển khác như PIC, AVR, STM, Arduino được hỗ trợ hệ thông 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 nên 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 thé dé dang sử dụng. Các thông số kỹ thuật nôi bật của Arduino Nano CH340. ĐẶC TÍNH THONG SO KY THUẬT Vị xử lý ATmega328P — AU họ 8 - bit IC nap và giao tiếp UART CH340 Dién ap hoat dong 5V-DC Tân sô hoạt động 16 MHz Mức điện áp giao tiếp GPIO TTL SV-DC ‘Dong toi đa mỗi chân /O 40mA Số chân Digital -14 chân, trong đó có 6 chân PWM S6 chân Analog 8 chân (độ phân giải 10 bit) Dong ra tôi đa (5V) 500mA Dòng ra tối da (3.3V) -50mA Bộ nhớ Bộ nhớ Flash là 32KB Bộ nhớ SRAM là 2KB Bộ nhớ EEPROM là IKB Chức năng các chân Digital Có 14 chan Digital (từ DO đên DI3) được sử dụng làm chân nhập xuất tín hiệu số, trong đó: + 6 chân D3, D5, D6, D9, DII có chức năng cấp xung PWM (8 bit). + 4 chân giao tiếp SPI: DIO (SS), DII (MOSI), D12 (MISO), D13 (SCK).

4 Chức năng các chân Analog -Có 8 chân Analog (từ AO đến A7), với độ phân giải mỗi chân là 10 bit (0 — 1023), các chân nảy dùng đề đọc tín hiệu điện áp 0 — 5V (mặc định). Trong đề tài khóa luận này, dòng vi điều khién Arduino Nano CH340 được sử là vì chức năng cua nó tương tự Arduino Uno R3 — dong Arduino thông dụng nhất hiện nay, nhưng có ưu điểm nhỏ gọn hơn và dé tích hợp vào bảng mạch điều khiên. Cụ thé Arduino Nano CH340 thực biện các chức năng sau: + Chân Analog A0 đọc tin hiệu điện áp từ ngõ ra của IC khuếch đại đo lường INA125P; thông qua một hàm biến đôi, tín hiệu điện áp này sẽ được biến đôi thành giá trị của lực tác dụng lên cảm biến. + Chân A4 va A5 giao tiếp với màn hình LCD1602 - I2C.

+ Chân D2 đọc tín hiệu xung từ encoder dé xác định góc quay của nam châm điện. + Chân D3 đọc tín hiệu đóng/ngắt của công tắc hành trình dé xác định vị trí chọn làm mốc của góc a. + Chân D6 nhận tin hiệu từ nút nhắn TARE — mặc định giá trị lực từ tại thời điểm nhắn nút có giá trị bằng 0. + Chân D9 và D10 nhận tín biệu từ nút nhắn UP và DOWN đề chuyên đồi các danh mục hiên thị trên man hình LCD.