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.