ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KỸ THUẬT CHO HỌC SINH: BAO CAO hệ thống bấm chuông giành quyền trả lời nhanh

Mạch được thiết kế sao cho khi một đội đã bấm nút chuông thì ngay lập tức chuông của đội đó sẽ kêu và đèn của đội đó sẽ sáng, khi đó các đội còn lại dù có bấm nút chuông của đội mình đi nữa thì chuông của đội đó vẫn không kêu và đèn của đội đó không sáng, 4 giây sau kể từ khi chuông của một đội kêu thì các đội còn lại mới có khả năng nhất nút chuông để chuông đội mình kêu.

Trang 1

MỤC LỤC

A PHẦN CHUNG 2

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2

II Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2

III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

III.1 Mục tiêu chung 2

III.2 Mục tiêu cụ thể 3

III GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

IV.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết 3

IV.2 Phương pháp thực nghiệm, bao gồm: 3

V NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

V.1 Các linh kiện điện tử có liên quan đến mạch nghiên cứu 4

V.2 Mạch bấm chuông trả lời nhanh 15

VI NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI 19

B KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 19

I Kết quả nghiên cứu 19

II Thảo luận 22

C KẾT LUẬN KHOA HỌC 22

D TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

Trang 2

A PHẦN CHUNG.

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.

Hàng năm, các trường thường tổ chức các cuộc thi trong những dịp lễ hội,ngày kỷ niêm như gày thành lập trường, ngày nhà giáo Việt Nam 20/11, ngàythành lập Đoàn 26/3 Trong các cuộc thi đó thường có phần thi giành quyền trảlời nhanh Thông thường các đội sẽ dùng tay hoặc phất cờ để đưa ra tín hiệugiành quyền trả lời Tuy nhiên trong một số trường hợp nếu các đội giơ tay hoặcphất cờ quá nhanh (gần như cùng một lúc), mắt thường khó mà phát hiện đượcđội nào nhanh hơn đội nào, điều này gây lúng túng cho Ban tổ chức khi phảiđưa ra quyết định đội được giành quyển trả lời, nếu quyết định sai sẽ làm mấtquyền lợi cho đội chơi và gây ra tâm lý không tốt ở các đội chơi với nhau, gâymất tập trung và điều này ảnh hưởng lớn tới kết quả của các đội chơi Vì vậy,cần thiết phải có một thiết bị có thể giúp Ban tổ chức phân biệt được đội giànhđược quyền trả lời sớm nhất, tạo ra tính công bằng giữa các đội chơi Từ nhữnglý do trên, đội chúng em đã chọn đề tài nghiên cứu và chế tạo sản phẩm “Hệthống bấm chuông giành quyền trả lời nhanh”

II Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.

Nếu đề tài được nghiên cứu và chế tạo thành công sẽ hỗ trợ đắc lực choBan tổ chức trong các cuộc thi có phần thi giành quyền trả lời nhanh, tạo tínhcông bằng cho các đội chơi

III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.

III.1 Mục tiêu chung.

Nghiên cứu tạo ra sản phẩm có thể phát hiện được đội giành được quyềntrả lời nhanh hơn mà mắt thường không thể phát hiện được

Mạch điện đơn giản, có kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, dễ sử dụng, giáthành thấp, không giới hạn các đội chơi

Trang 3

III.2 Mục tiêu cụ thể.

Mạch được thiết kế sao cho khi một đội đã bấm nút chuông thì ngay lập tứcchuông của đội đó sẽ kêu và đèn của đội đó sẽ sáng, khi đó các đội còn lại dù cóbấm nút chuông của đội mình đi nữa thì chuông của đội đó vẫn không kêu vàđèn của đội đó không sáng, 4 giây sau kể từ khi chuông của một đội kêu thì cácđội còn lại mới có khả năng nhất nút chuông để chuông đội mình kêu

III GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU.

Đề tài được nghiên cứu trong phạm vi kiến thức của học sinh ở cấp trunghọc phổ thông, sử dụng các kiến thức vật lý và các linh kiện điện tử được họctrong môn Công nghệ lớp 12, không sử dụng kiến thức lập trình vi điều khiển

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

IV.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.

Nghiêm cứu các linh kiện điện tử, các loại mạch điện cơ bản trong sách vàtrên hệ thống internet

IV.2 Phương pháp thực nghiệm, bao gồm:

IV.2.1 Thực nghiệm thăm dò, tìm hiểu các nghiên cứu có liên quan đến đềtài

Thông qua hệ thống internet chúng tôi đã tìm thấy một số mạch có liênquan đến đề tài nghiên cứu của nhóm

a “Mạch chuông dùng cho đố vui để học” của thầy giáo Thanh (mail:thanh.nuocoa@gmail.com), giáo viên trường PTDTT Nước Oa – Bắc Trà My –tỉnh Quảng nam (dtnt-nuocoa.edu.vn/tai /4-mch-chuong vui hc-t-lam-d-thc-hin.html) Trong bài viết của mình thầy giáo Thanh cũng đã đưa ra một số nhậnxét về mạch của mình:

+ Bộ chuông này thiết kế mạch đơn giản chỉ dùng 4 relay, sử dụng cho 4đội chơi

+ Vì đây là mạch điện sử dụng nguồn 220V nên rất nguy hiểm cho ngườisử dụng nếu bị hở mạch bất kì chỗ nào

Trang 4

+ Bộ chuông của thầy Thanh có thêm một nút ngắt chuông đặt riêng ở bànBan tổ chức, Ban tổ chức phải bấm nút để ngắt chuông, điều này tương đốiphức tạp.

+ Và theo nhận định của đội chúng tôi thì bộ chuông của thầy Thanh, dothầy sử dụng relay cơ do vậy sự phản ứng của hệ thống với các tình huống sẽchậm vì relay là thiết bị tác động chậm

b “Bộ bấm chuông đèn trò chơi game Show” của công ty điện tử MinhDanh, địa chỉ 102 - Quang Trung - Tăng Nhơn Phú B - Q.9 - TP.HCM Giớithiệu trên trang web youtube.com http://www.youtube.com/watch?v=G94jsyJV_eI) vào ngày 28/3/2013 Theo sự giới thiệu của Công ty điện tửMinh Danh thì đây là hệ thống bấm chuông sử dụng lập trình vi điều khiển, đây

là kiến thức mà học sinh THPT chưa được tiếp cận

c “Chuông đố vui” của Công ty Điện tử chuông việt(https://sites.google.com/site/chuongdovui/) sử dụng tối đa được 6 đội chơi vàcũng sử dụng kiến thức lập trình vi điều khiển Hệ thống chuông tương đối cồngkềnh

IV.2.2 Thực nghiệm định lượng

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, chúng tôi đã tiế hành vẽ sơ đồ mạch Chạythử nghiệm mạch trên phần mềm Crocodile Physis 605, đo đạc điều chỉnh cácsố liệu Xây dựng vật mẫu, chạy thử, đo đạc, điều chỉnh các số liệu trên vậtmẫu Khi mạch đã chạy ổn định, tiến hành ráp hệ thống mạch cụ thể, cho hệthống mạch chạy thử nghiệm, đo đạc, điều chỉnh các thông số lần cuối

V NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.

V.1 Các linh kiện điện tử có liên quan đến mạch nghiên cứu.

V.1.1 Nghiên cứu về Diot.

Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòngđiện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính

Trang 5

thường, điốt Zener, LED Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là mộtkhối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N.

Điốt chỉ dẫn điện theo một chiều từ a-nốt sang ca-tốt Theo nguyên lý dòngđiện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dòng điệnqua điốt theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặtở a-nốt một điện thế cao hơn ở ca-tốt Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều vớiđiện áp tiếp xúc (UTX) Như vậy muốn có dòng điện qua điốt thì điện trường doUAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: UAK > UTX Khi đó mộtphần của điện áp UAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V),phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua điốt

Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược ctốt sang nốt Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu điốt bị phân cực ngược với hiệu điệnthế lớn Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ μA) và thường không cần quantâm trong các ứng dụng công nghiệp Mọi điốt chỉnh lưu đều không dẫn điệntheo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (VBR là ngưỡng chịu đựngcủa Diode) thì điốt bị đánh thủng, dòng điện qua điốt tăng nhanh và đốt cháyđiốt Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây:

a Dòng điện thuận qua điốt không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (donhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xácđịnh)

- Điện áp phân cực ngược (tức UAK) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánhthủng của điốt, cũng do nhà sản xuất cung cấp)

* Tìm hiểu về điốt 1N4007:

Trang 6

Diot 14007 có thông số kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp như sau: VBR

=1000V, IFMAX = 1A, UAK = 1.1V khi IF = IFMAX

* Các xác định chân của diot

Cách đo dùng đồng hồ đo, và đặt thang đo ở chế độ đo Diot, sau đó kẹp hai quevào hai chân Diot, đảo chiều hai que đo lại với nhau ta thấy trên đồng hồ, có ,một chiều không lên và một chiều có chỉ số tăng lên khi đó với đồng hồ vạ năngchỉ thị bằng kim thì cực nối với que đen là anot, cực nối với que đỏ là ktot

V.1.2 Nghiên cứu về SCR.

SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN (có 3 nối PN) Như tên gọi tathấy SCR là một diode chỉnh lưu được kiểm soát bởi cổng silicium Các tiếpxúc kim loại được tạo ra các cực Anod A, Catot K và cổng G

Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều VAA vào SCR như hình sau một dòngđiện nhỏ IG kích vào cực cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và catot K dẫnphát khởi dòng điện anod IA qua SCR lớn hơn nhiều Nếu ta đổi chiều nguồnVAA (cực dương nối với catod, cục âm nối với anod) sẽ không có dòng điệnqua SCR cho dù có dòng điện kích IG Như vậy ta có thể hiểu SCR như mộtdiode nhưng có thêm cực cổng G và để SCR dẫn điện phải có dòng điện kích IGvào cực cổng

Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dòng IG không cần lớn và chỉcần tồn tại trong thời gian ngắn Khi SCR đã dẫn điện, nếu ta ngắt bỏ IG thìSCR vẫn tiếp tục dẫn điện, nghĩa là ta không thể ngắt SCR bằng cực cổng, đâycũng là một nhược điểm của SCR so với transistor

Trang 7

Người ta chỉ có thể ngắt SCR bằng cách cắt nguồn VAA hoặc giảm VAAsao cho dòng điện qua SCR nhỏ hơn một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR)gọi là dòng điện duy trì IH.

* Cách xác định chân của SCR

Cầm hai que đo của đồng hồ vạ năng hiểm thị bằng kim, để ở chế độ đođiện trở và đặt ở thang đo x100 Đo lần lượt từng cặp chân khi nào thấy kimđồng hồ chỉ khác không thì que đỏ nối chân Gate, que đen nối chân Katot Châncòn lại là Anot

* Tìm hiểu các thông số của SCR có ký hiệu: MCR 100-06

- UAK max = 400 (v)

- Với UAK = 7 (v) thì IGK = 0,2 (mA)

- IAK max = 15 (mA)

V.1.3 Nghiên cứu Relay.

Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điềukhiển sự làm việc của mạch điện động lực

Trang 8

Relay là thiết bị điện tử có thời gian tác động chậm Thời gian tác động(ttđ): Là thời gian kể từ thời điểm cung cấp tín hiệu cho đầu vào, đến lúc cơ cấuchấp hành làm việc Với rơle điện từ là quãng thời gian cuộn dây được cung cấpdòng (hay áp) cho đến lúc hệ thống tiếp điểm đóng hoàn toàn (với tiếp điểmthường mở) và mở hoàn toàn (với tiếp điểm thường đóng)

Với mỗi loại relay khác nhau thì thời gian tác động là khác nhau, với relayđiện từ thì thời gian này là từ 2 đến 20 ms (http://ptth-phanchutrinh-phuyen.violet.vn/present/same/entry_id/8505591)

V.1.4 Tìm hiểu về Tranzitor.

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mốitiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếughép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược về phương diện cấu tạoTransistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau

Trang 9

Cấu tạo Transistor

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi

là cực gốc ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độtạp chất thấp

Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát(Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector)viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P )nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị chonhau được

* Ký hiệu & hình dáng Transistor

Transistor công xuất nhỏ Transistor công xuất lớn

* Tìm hiểu về Tranzitor C1815

Transistor C1815 là transistor thuộc loại transistor NPN

Các thông số do nhà sản suất đưa ra:

Hệ số khuếch đại: hFE = 400, UC max = 50V, IC max = 150mA

Trang 10

Sơ đồ chân của transistor C1815:

* Mạch sử dụng tranzitor C1815 có tác dụng đóng ngắt như Relay

* Nguyên tắc hoạt động

- Khi không có dòng kích thích chân B, transistor không dẫn nên dòng điệntừ chân C không chạy qua chân E mà chạy ra Vout (Giống với trường hợp relaychưa được cấp điện)

- Khi có dòng điện kích thích vào chân B, transistor được kích thích nêndẫn điện, toàn bộ dòng điện từ chân C được dẫn qua chân E về cực am củanguồn Lúc này không có dòng điện ra ở chân Vout nữa (Giống với trường hợprelay được cấp điện)

- Transistor đóng vai trò như một khoá điện tử đóng mở mạch với tốc độnhanh (10-9s-10-6s) (Theo luận văn tốt nghiệp của Lê Trần Vĩnh Phúhttp://luanvan.net.vn/luan-van/khoa-luan-van-de-dieu-khien-cac-linh-kien-dien-

Trang 11

tu-cong-suat-dung-trong-viec-dieu-chinh-toc-do-dong-co-25210/), do vậy khảnăng đóng mở mạch nhanh hơn nhiều so với relay.

* Áp dụng các côg thức tính toán đối với transistor

Ic : dòng tải chân C ; Ic = (Vcc - Vcesat)/ Rc (1)

Vcsat : điện áp Vce khi BJT dẫn bảo hòa ~0.3V Rc : điện trở tải chân C

Ib = Ic / hFE (2)

Rb = ( Vin - Vbe )/Ib (3)

trong đó :

Ib : dòng phân cực chân B

hFE : hệ số khuyếch đại dòng của BJT

Vbe : ngưỡng điện áp Vbe ~0.7V

Với Vcc = 12V, Ic = 15mA, Vin = 11,3V ta tính được R3 = 800Ω, R4 =300kΩ

V.1.5 Tìm hiểu về LED.

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là

các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giốngnhư điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bándẫn loại n

Đối với led thường thì điện áp sử dụng thường là:

- Với led dỏ: 1.4 - 1.8v

- Led xanh, vàng các loại: 2.2 - 2.8v

Trang 12

- Dòng của led thường thì thấp khoảng 7 - 10mA.

Đối với led siêu sáng:

- Đỏ, vàng: 2.2 -2.4v

- Xanh các loại: 3.2 -3.4v

- Trắng: 4.0 - 4.4v

- Dòng điện led siêu sáng là 17 - 20mA

Đối với một số loại led 4 chân thường là 35 đến 50mA

Các loại led công suất cao thì có thể từ 135 đến 700mA

* Các mắc led vào điện áp 12V

Để tính toán số led và giá trị điện trở chúng ta có một số quy ước sau:

V = điện áp nguồn

Vl = điện áp trên led ( điện áp của 1 led)

Vr = điện áp trên điện trở

I = dòng điện = dòng điện qua led

n = số led

R = giá trị điện trở phải mắc

Ở đây chúng ta đang tính cho cách mắc nối tiếp

R    chọn điện trở 660

- Mắc nối tiếp 03 led xanh vào nguồn 11,3 V, giá trị điện trở cần mắc là:

11,3 3*3 153,3

0.015

R    chọn điện trở 180

V.1.6 Chuông Bingbong.

Trang 13

Chuông bingbong do công ty TNHH Phú Gia sản xuất(http://baotromhongngoai.com/), sử dụng điện xoay chiều 220V với công suất0.3W Mạch sử dụng tụ, điện trở, diốt để chuyển từ 220V AC về 5V DC, sửdụng diot zener và tụ hoá để ổn định điện áp.

Với yêu cầu của đề án là dùng nguồn 12V DC Do vậy, chúng tôi đã gỡphần mạch xoay chiều chỉ giữ lại phần mạch một chiều 5V DC và sử dụng 8diot mắc nối tiếp để giảm điện áp từ 12V xuống còn khoảng 5V (sụt áp trê mỗidiot là 0,7V), điện áp 5V DC này được đưa qua diot zener và tụ (để ổn áp) rồiđưa vào mạch chuông

V.1.7 Mạch định thời gian.

Là mạch cho phép điều khiển thời gian dòng điện chạy qua một mạch nàođó

* Sơ đồ mạch như sau:

Dùng điện áp 220v AC Dùng điện áp 12v DC

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	11,19 MB