2925 5537 2 pb 4292

TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION JOURNAL OF SCIENCE Tập 18, Số (2021): 784-792 ISSN: 2734-9918 Vol 18, No (2021): 784-792 Website: http://journal.hcmue.edu.vn Bài báo nghiên cứu * NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO THỜI GIAN, KHOẢNG CÁCH VÀ LỰC BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN ESP8266 KẾT HỢP CỔNG QUANG ĐIỆN, CẢM BIẾN VL53L0X VÀ CẢM BIẾN LỰC Nguyễn Thành Phúc, Phan Vũ Hồi Linh, Nguyễn Hồng Long, Ngơ Minh Nhựt, Nguyễn Tấn Phát, Nguyễn Lâm Duy* Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Tác giả liên hệ: Nguyễn Lâm Duy – Email: duynl@hcmue.edu.vn Ngày nhận bài: 10-12-2020; ngày nhận sửa: 12-3-2021;ngày duyệt đăng: 24-4-2021 * TÓM TẮT Bài báo trình bày việc nghiên cứu thiết bị sử dụng vi điều khiển NodeMCU ESP8266 để đo đạc thời gian, khoảng cách lực cách ghi nhận xử lí tín hiệu từ cổng quang điện, cảm biến khoảng cách VL53L0X cảm biến lực với sai số tương đối nhỏ 1,6%; 4,4% 3,6% Thiết bị cung cấp nhiều chức đo đạc chuyên biệt, liệu ghi nhận, lưu trữ biểu diễn thông qua chương trình điều khiển kết nối với máy vi tính thông qua công nghệ kết nối không dây Bluetooth Thiết bị sử dụng để hỗ trợ giáo viên trình giảng dạy kiến thức động học, động lực học chất điểm dao động chương trình giáo dục phổ thơng mơn Vật lí năm 2018 từ hướng đến phát triển lực vật lí cho học sinh Từ khóa: thiết bị; cảm biến lực; giao diện điều khiển; cảm biến VL53L0X; NodeMCU ESP8266; cổng quang điện Giới thiệu Các kiến thức Cơ học như: động học, động lực học, dao động sóng… chiếm tỉ lệ lớn (26,1%) quan trọng chương trình giáo dục phổ thơng mơn Vật lí năm 2018 (Ministry of Education and Training, 2018) Các thí nghiệm định lượng xác đóng vai trị quan trọng việc hình thành khái niệm, quy luật định luật vật lí, địi hỏi giáo viên cần thực hiện, biểu diễn giảng giải cho học sinh Trong Cơ học, thời gian, khoảng cách lực ba đại lượng vật lí quan trọng dùng để xác định đại lượng kéo theo khác vận tốc, gia tốc hay động lượng Khoảng cách thường xác định thước chia vạch thơng qua vị trí vật xét so với vật làm mốc Để đo thời gian, thiết bị đồng hồ đo thời gian số 92XGD1HA (Book and Educational Equipment Joint Stock Company of Ho Chi Minh City, 2020) trang bị sử dụng rộng rãi nhiều trường trung học phổ thông địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh Cite this article as: Nguyen Thanh Phuc, Phan Vu Hoai Linh, Nguyen Hoang Long, Ngo Minh Nhut, Nguyen Tan Phat, & Nguyen Lam Duy (2021) Fabricating a device to measure time, distance and force by using microcontroller ESP8266 with photoelectric gate, distance sensor VL53l0x and force sensor Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, 18(5), 784-792 784 Nguyễn Thành Phúc tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM nói riêng nước nói chung Thiết bị có đo đạc thời gian chế độ khác với độ xác đến 0,001s Lực xác định trực tiếp lực kế lò xo Tuy nhiên, lực kế lò xo có độ xác khơng cao Độ bền lực kế phụ thuộc vào ngưỡng đàn hồi lò xo, vượt giới hạn đàn hồi, lực kế không cịn xác Với mong muốn tối ưu hóa thiết bị nhằm gọn nhẹ, linh hoạt ứng dụng rộng rãi nhiều thí nghiệm khác nhau, việc chế tạo thiết bị tích hợp khả đo đạc giá trị thời gian, khoảng cách lực cần thiết Ngày nay, nhằm đổi phương pháp dạy học Vật lí, việc sử dụng ứng dụng khoa học, cơng nghệ q trình giảng dạy quan tâm nghiên cứu Nhiều nhóm nghiên cứu ứng dụng tự động hóa để cải thiện làm thí nghiệm nhằm mục đích cho việc đo đạc, xử lí biểu diễn số liệu cách nhanh chóng, Một số nghiên cứu kể đến (Nguyen et al., 2020; Nguyen et al., 2018; Ngo et al., 2018) Bài báo nghiên cứu sử dụng vi điều khiển ESP8266, cảm biến lực, cổng quang điện cảm biến khoảng cách VL53L0X để thiết kế thiết bị thí nghiệm học có khả đo đạc lực, thời gian, khoảng cách cách tự động nhanh chóng Thiết bị kết nối với máy vi tính thơng qua kết nối Bluetooth để truyền nhận liệu từ thiết bị sử dụng để giảng dạy nhiều nội dung kiến thức phần Cơ học Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Mơ hình thiết bị Hình Mơ hình hệ thiết bị thí nghiệm học Hình mơ tả tổng quan mơ hình thiết bị, đó, đại lượng thời gian, khoảng cách lực đo đạc cổng quang điện, cảm biến lực cảm biến khoảng cách VL53L0X Các giá trị đo đạc từ cảm biến xử lí vi điều khiển NodeMCU ESP8266 thể lên hình LCD Người dùng tùy chọn điều khiển thiết bị thí nghiệm thơng qua nút nhấn chương trình điều khiển máy vi tính kết nối với thiết bị thí nghiệm thông qua Bluetooth 2.2 Vi điều khiển NodeMCU ESP8266 Vi điều khiển NodeMCU ESP8266 sử dụng thí bị thí nghiệm số ưu điểm bật giá thành rẻ, có kích thước nhỏ gọn, có mã nguồn mở nên dễ dàng cho việc xây dựng chương trình giao tiếp với thiết bị ngoại vi 785 Tập 18, Số (2021): 784-792 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Hình Vi điều khiển Node MCU ESP8266 2.3 Cổng quang điện Hình Cổng quang điện Cổng quang điện sử dụng để đo thời gian từ xác định đại lượng khác vận tốc gia tốc Cổng quang điện có hình chữ U, bao gồm nguồn phát ánh sáng (hồng ngoại khả kiến) đầu thu có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện Khi có vật chắn ngang cổng quang, điện áp cổng quang điện chuyển đổi trạng thái từ dẫn sang khơng dẫn tín hiệu xử lí vi điều khiển ESP8266 để tính tốn thời gian xảy kiện 2.4 Cảm biến khoảng cách VL53L0X Hình Cảm biến khoảng cách VL53L0X Một cải tiến thiết bị thí nghiệm báo so với sản phẩm hành việc khảo sát khoảng cách vật Thiết bị sử dụng cảm biến VL53L0X để đo khoảng cách dựa phương pháp ToF (Time of Flight) Cảm biến phát chùm tia hồng ngoại hướng đến đối tượng đo phản xạ ngược lại đầu thu Khoảng cách từ cảm biến tới vật thể tính tốn dựa vào độ chênh lệch thời gian tín hiệu phát tín hiệu thu Trong nghiên cứu này, cảm biến VL53L0X lựa chọn kích thước nhỏ gọn, tiêu hao lượng, khoảng cách đo cảm biến từ lên tới 120 cm tùy thuộc loại vật liệu phản xạ môi trường hoạt động 786 Nguyễn Thành Phúc tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM 2.5 Cảm biến lực hệ thống khuếch đại tín hiệu vi sai Hình (a) Cảm biến lực YZC131-1kg; (b) Mạch khuếch đại vi sai INA125P Trong thiết bị này, cảm biến lực sử dụng thay cho lực kế lò xo để đo đạc giá trị lực tác dụng lên vật Cảm biến lực có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu thành tín hiệu điện Với ổn định, giá thành rẻ, độ nhạy 1mV/V, kích thước 52,2 x 12,27 x 12,7 mm nhỏ gọn thông dụng thị trường nên cảm biến lực YZC131-1kg chúng tơi sử dụng cho mục đích nghiên cứu Vì tín hiệu điện đầu cảm biến lực nhỏ nên mạch khuếch đại vi sai INA125P có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu để vi điều khiển Node MCU thu nhận xử lí Giới hạn đo cảm biến lực hệ thống khuếch đại tín hiệu vi sai 10 N sai số 0,01 N phù hợp với nhiều mục đích thí nghiệm khác 2.6 Chương trình điều khiển Chương trình điều khiển xây dụng dựa ngơn ngữ lập trình Labview nhằm phục vụ tương tác người dùng với nhiều thí nghiệm khác nhau, có thiết bị học Chương trình điều khiển thu nhận liệu khoảng cách, lực, thời gian biểu diễn vùng hiển thị Nhờ thiết kế đơn giản, dễ sử dụng, người dùng kết nối, thu nhận liệu với thiết bị, bao gồm số chức như: tìm kiếm kết nối với thiết bị thí nghiệm thơng qua phương thức bluetooth, vẽ xuất ảnh đồ thị dạng file PNG, lưu liệu dạng file excel… Hình Giao diện tương tác Kết thảo luận 787 Tập 18, Số (2021): 784-792 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM 3.1 Thiết bị thí nghiệm học hồn chỉnh Hình Hệ thiết bị thí nghiệm học hồn chỉnh Thiết bị hồn chỉnh mơ tả Hình 7, bao gồm hộp hiển thị, cổng quang điện, cảm biến lực, cảm biến khoảng cách nam châm điện Hộp hiển thị làm nhựa có chức bảo vệ mạch điện phía Mặt trước hộp hiển thị (1) chứa hình LCD 16x2 (2) để hiển thị kết đo hệ thống nút nhấn (3) cho phép người dùng điều chỉnh chế độ đo, bật/tắt nam châm điện việc quan sát kết thí nghiệm Mặt sau hộp hiển thị (10) bao gồm tám cổng USB (9) để kết nối cảm biến bao gồm: cổng A, B để gắn cổng quang điện; D1 D2 để gắn hai cảm biến khoảng cách; F1 F2 để gắn hai cảm biến lực; NC để kết nối với nam châm điện Cổng quang điện thiết kế có cấu trúc hình chữ U, đầu chứa LED thu hồng ngoại, đầu cịn lại có laser diode Laser diode giúp cho người sử dụng dễ dàng xác định vị trí vật chắn cổng để khảo sát thời gian xác hơn, chẳng hạn trường hợp viên bi rơi qua cổng quang điện Cảm biến lực hệ thống khuếch đại vi sai (5) chế tạo vỏ nhôm mica tăng chắn độ bền; móc sắt gắn với đầu cảm biến lực phù hợp cho việc treo, gắn vật thể Cảm biến khoảng cách (7) đặt hộp nhựa khoét hai lỗ cho đầu thu, phát cảm biến laser diode (6) Phương ánh sáng laser diode đặt song song với phương thu/phát hồng ngoại cảm biến góp phần giúp người dùng định hướng xác vật thể cần đo khoảng cách, tránh việc lệnh phương khảo sát dẫn đến sai số thực nghiệm Bên cạnh đó, nam châm điện (8) kết hợp thiết bị học nhằm phục vụ cho việc hút/nhả vật mang từ tính, đó, vận dụng để thả vật thí nghiệm rơi tự 3.2 Khảo sát độ ổn định độ xác hệ thiết bị thí nghiệm học Sau chế tạo, hệ thiết bị thí nghiệm học đánh giá độ tính xác ổn định thơng qua số thí nghiệm khảo sát 3.2.1 Khảo sát cổng quang điện Nhằm đánh giá độ ổn định xác, chúng tơi thiết kế thí nghiệm so sánh kết đo đạc thời gian chắn cổng quang điện hệ thiết bị học với hệ đo đồng hồ số Counter/Timer U21005 hãng thiết bị 3B Scientific Thí nghiệm lắp đặt 788 Nguyễn Thành Phúc tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Hình 8, hệ đĩa trịn xoay (2) điều khiển tốc độ, đĩa có gắn thước có bề rộng 2cm Cổng quang điện thiết bị thí nghiệm học (5) cổng quang điện Counter/Timer U21005 (4) đặt cách tâm đĩa tròn khoảng cách nhau, đĩa tròn quay, thước đĩa chắn hai cổng quang điện Khi thay đổi tốc độ quay đĩa tròn xoay, kết đo thời gian cổng quang điện cho giá trị khác tương ứng So sánh hai khoảng thời gian chắn cổng hai hệ thiết bị, độ ổn định xác đánh giá thơng qua độ sai biệt kết đo hệ thí nghiệm học với hệ Counter/Timer U21005 Hình Thí nghiệm khảo sát độ xác cổng quang điện hệ thiết bị học với đồng hồ đo số Counter/Timer U21005 Công ty thiết bị 3B Scientific (1) Hộp hiển thị, (2) Hệ đĩa tròn xoay điều khiển tốc độ, (3) Đồng hồ đo số Counter/Timer U21005, (4) Cổng quang điện Counter/Timer, (5) Cổng quang điện hệ thiết bị thí nghiệm học Sau tiến hành khảo sát tương ứng với khoảng thời gian khác nhau, số liệu thời gian hai cổng quang biểu diễn Bảng Bảng Kết thí nghiệm khảo sát giá trị thời gian hai hệ cổng quang độ sai biệt Lần 10 11 Thời gian cổng quang hệ thí nghiệm học (ms) 3,84 4,48 5,01 5,58 6,15 6,94 7,23 8,41 9,48 10,95 11,97 Thời gian cổng quang Counter/Timer U21005 (ms) Độ sai biệt 3,88 4,47 5,09 5,57 6,18 7,05 7,26 8,44 9,55 11,04 12,02 1,03 0,22 1,6 0,18 0,49 1,6 0,41 0,36 0,73 0,82 0,42 δ Lần (%) 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 789 Thời gian cổng quang hệ thí nghiệm học (ms) 13,57 15,19 18,74 20,59 25,55 32,17 49,17 56,12 75,53 88,12 Thời gian cổng quang Counter/Timer U21005 (ms) Độ sai biệt 13,61 15,28 18,72 20,53 25,59 31,97 48,57 55,38 74,33 87,38 0,29 0,59 0,11 0,29 0,16 0,62 1,2 1,3 1,6 0,84 δ (%) Tập 18, Số (2021): 784-792 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Từ Bảng 1, sai biệt thiết bị cổng quang Counter/Timer U21005 nhỏ với sai biệt lớn 1,6% Điều có nghĩa thời gian chắn cổng đo cổng quang hệ thí nghiệm học tương đồng với thời gian đo cổng quang Counter/Timer U21005 Dựa kết khảo sát, cổng quang điện hệ thí nghiệm học hoạt động ổn định hiệu quả, có độ xác cao 3.2.2 Khảo sát cảm biến khoảng cách Thí nghiệm khảo sát độ cảm biến khoảng cách xếp Hình Do phản xạ vật liệu khác nên thí nghiệm này, bề mặt vật thể có khảo sát có dán decal phản quang hỗ trợ phản xạ ánh sáng cảm biến tốt Số liệu đo đạc hiển thị giao diện tương tác Tiến hành khảo sát nhiều khoảng cách khác nhau, độ Hình Thí nghiệm khảo sát độ xác xác hệ cảm biến xác định từ cảm biến khoảng cách (1) Vật thể có gắn decal chênh lệch khoảng cách đo từ cảm phản quang, (2) cảm biến khoảng cách, (3) biến khoảng cách đo thước Sau Giao diện tương tác, (4) Hộp hiển thị trình tiến hành đo đạc, ta có đồ thị sau: Hình 10 Đồ thị biểu diễn sai số phần trăm tương đối khoảng cách đo từ cảm biến so với khoảng cách thực theo giá trị khoảng cách Dựa đồ thị Hình 10, khoảng cách nhỏ 40mm, cảm biến cho kết sai số lớn, khác hồn tốn giá trị thực, xem cận cảm biến khoảng cách Khi khoảng cách lớn 40mm, cảm biến cho kết xác với sai số tương đối 4,4% Trong vùng khảo sát từ 40mm tới 1200mm, khoảng cách tăng, sai số tương đối có xu hướng giảm dần Tuy nhiên, khoảng cách khảo sát lớn 1200mm sai số tương đối cảm biến bắt đầu tăng dần, cận cảm biến Do đó, phản quang decal, cảm biến cho kết tương đối xác vùng hoạt động từ 40mm tới 1200mm với sai số tương đối 4,4% 790 ... U21005 (ms) Độ sai biệt 13,61 15 ,28 18, 72 20,53 25 ,59 31,97 48,57 55,38 74,33 87,38 0 ,29 0,59 0,11 0 ,29 0,16 0, 62 1 ,2 1,3 1,6 0,84 δ (%) Tập 18, Số (20 21): 784-7 92 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP... 0, 42 δ Lần (%) 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 789 Thời gian cổng quang hệ thí nghiệm học (ms) 13,57 15,19 18,74 20 ,59 25 ,55 32, 17 49,17 56, 12 75,53 88, 12 Thời gian cổng quang Counter/Timer U21005... 7 ,23 8,41 9,48 10,95 11,97 Thời gian cổng quang Counter/Timer U21005 (ms) Độ sai biệt 3,88 4,47 5,09 5,57 6,18 7,05 7 ,26 8,44 9,55 11,04 12, 02 1,03 0 ,22 1,6 0,18 0,49 1,6 0,41 0,36 0,73 0,82