( TẠP CHÍ KHOA HỌC Trường ĐHSP TPHCM ) ( Nguyễn Thành Phúc và tgk ) ISSN 1859 3100 TẠP CHÍ KHOA HỌC KHOA HỌC GIÁO DỤC Tập 16, Số 4 (2019) 81 89 JOURNAL OF SCIENCE EDUCATION SCIENCE Vol 16, No 4 (2019)[.]
ĐẠI HỌCHỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH TẠPTRƯỜNG CHÍ KHOA ISSN: 1859-3100 HO CHI MINHJOURNAL CITY UNIVERSITY EDUCATION OFOFSCIENCE KHOA HỌC GIÁO DỤC Tập 16, EDUCATION SCIENCE Vol Số (2019): 81-89 16, No (2019): 81-89 Email: tapchikhoahoc@hcmue.edu.vn; Website: http://tckh.hcmue.edu.vn ỨNG DỤNG CẢM BIẾN LỰC VÀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO ĐỂ THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT HỆ SỐ MA SÁT Nguyễn Thành Phúc, Quách Uy Lập, Ngơ Minh Nhựt*, Nguyễn Lâm Duy * Khoa Vật lí – Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Tác giả liên hệ: Ngô Minh Nhựt – Email: nhutnm@hcmue.edu.vn Ngày nhận bài: 09-10-2018; ngày nhận sửa: 25-10-2018; ngày duyệt đăng: 24-4-2019 TĨM TẮT Bộ thí nghiệm kháo sát hệ số ma sát thiết kế dựa việc sử dụng vi điều khiển Arduino cảm biến lực Với khả giao tiếp với máy vi tính thơng qua kết nối bluetooth, liệu thực nghiệm ghi nhận cách liên tục nhanh chóng; biểu diễn đươc quá trınh ̀ chuyển tiếp giưã lưc ma sát nghı̉ ma sá t trươt Từ đó, người sử dụng tính hệ số ma sát nghỉ hệ số ma sát trượt hai bề mặt vật liệu với độ sai biệt nhỏ 10% so với thí nghiệm có thị trường Bợ thı́ nghiêm sinh viêc góp phần hơ trợ giá o viên và hoc da và hoc kiến thức về lưc ma sá t chương trình Vât lí lớ p 10 trung hoc y Từ khóa: cảm biến lực, hệ số ma sát, kết nối Bluetooth phô thông Mở đầu Trong dạy học Vật lí, thí nghiệm đóng vai trị quan trọng trình hình thành củng cố kiến thức, góp phần rèn luyện kĩ năng, thái độ tư thực nghiệm cho học sinh Tuy nhiên, việc sử dụng thí nghiệm giảng dạy cịn hạn chế Cụ thể chương trình Vật lí lớp 10 THPT – phần Cơ học, giảng dạy kiến thức lực ma sát giáo viên thường mô tả tượng, kiểm chứng thí nghiệm khơng có đầy đủ dụng cụ thí nghiệm độ xác thí nghiệm khơng cao, dẫn đến sai số phép đo lớn Ở thị trường nước, thí nghiệm khảo sát lực ma sát phương pháp mặt phẳng nghiêng Công ti Cổ phần Sách Thiết bị Trường học sản xuất (2018) sử dụng rộng rãi trường trung học phổ thơng, nhiên thí nghiệm cịn bộc lộ nhiều hạn chế sai số phép đo phụ thuộc nhiều vào người làm thí nghiệm, việc thu thập kết thời gian, không cho thấy trình chuyển từ ma sát nghỉ sang ma sát trượt Ở thị trường ngồi nước, số thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát hãng thiết bị Leybold (2018), Phywe (2018) sản xuất ứng dụng phương pháp mặt phẳng nghiêng, số khác lại ứng dụng phương pháp sử dụng lực kế gắn vật kéo vật theo phương nằm ngang Tuy nhiên, thí nghiệm khơng biểu diễn q trình chuyển đổi ma sát nghỉ ma sát trượt, việc thực thí nghiệm địi hỏi người sử dụng phải có khả thực nghiệm tốt Trong đó, thí nghiệm khảo sát lực ma sát hãng Pasco (2018) sản xuất thí nghiệm Lee A Polycapou thiết kế có khả cập nhật giá trị lực ma sát tự động lên máy vi tính, tiện TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 16, Số (2019): 8189 lợi cho việc quan sát kết thí nghiệm (6, tr 757) Tuy nhiên, thiết kế Lee A Polycapou lại phức tạp, sử dụng cảm biến lực theo ba phương truyền động vi cấp nên việc tìm kiếm thiết bị, vật tư thị trường Việt Nam khó khăn; thí nghiệm hãng Pasco có thiết kế đơn giản giá thành cao, trang bị rộng rãi trường phổ thơng Ngồi ra, việc đổi phương pháp dạy học ứng dụng khoa học – công nghệ vào giảng dạy nhu cầu cấp thiết (Dương Xuân Quý, 2010, tr 10-18) Đối với môn Vật lí, việc ứng dụng thí nghiệm kết nối với máy vi tính xu tất yếu việc đổi phương pháp dạy và học Cụ thể cơng trình nghiên cứu Hồng Văn Huệ (2012), Mai Hoàng Phương (2016, tr 68-75) Nguyễn Huỳnh Duy Khang (2016, tr 128-137): tác giả nghiên cứ u, sử dụng vi điều khiển, cảm biến thiết kế thí nghiệm kết nối với máy vi tính; giúp cho việc đo đạc xử lí số liệu nhanh chóng dễ dàng Vì vậy, nghiên cứu tập trung ứ ng dung vi điều khiển Arduino cảm biến lực để chế tạo thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát biểu diễn q trình chuyển đổi lực ma sát nghỉ qua ma sát trượt Đồng thời phương pháp đĩa xoay mà sử dụng để khảo sát hệ số ma sát phương pháp mới, chưa áp dụng thí nghiệm ngồi nước Hơn nữa, thí nghiệm sử dụng thiết bị có nước nên dễ dàng tìm vật dụng để sửa chữa Nội dung nghiên cứu Dựa sở xác định phương pháp nghiên cứu, đối tượng phạm vi nghiên cứu cụ thể, chúng tơi thiết kế thí nghiệm theo bước, minh họa Hình 1: Hình Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 2.1 Mơ hình khảo sát hệ số ma sát Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát chế tạo dựa ý tưởng sau: Hình Mơ hı̀ nh thı́ nghiêm khả o sá t ̣ số ma sá t TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Nguyễn Thành Phúc tgk Bộ thí nghiệm khảo sat́ lực ma sát xây dựng ý tưởng Hình Mơ hıǹ h bao gồm đı troǹ gắn với đôn g cơ, vật giữ bề mặt đĩa trịn và nối mơt a với cảm biến lực sơi dây Khi đĩa tròn quay, lực ma sát xuất hiên giữa bề măt vât và đıã ma sat́ đo thông qua đo lực căng dây nhờ cả m biến lưc̣ Hê ̣ số ma viêc Lưc sá t đươc bề măt vâ và đươ tính thơng qua giá tri ma sát Vi điều khiển Arduino tı́ch t đıa c ̣lưc hợp Hệ thống điều khiển trung tâm có vai trò thu nhân giá tri c̣ ảm biến và điều lưc khiển đơn g 2.2 Phần cứng Hình Một số phận thí nghiệm: đĩa trịn nặng (1), cần lực kim loại (2), cảm biến lực (3), trục động (4), hệ thống chân đế thí nghiệm (5), động DC giảm tốc 24V (6), bọt khí (7) Phần cứng thí nghiệm bao gồm đĩa tròn nặng (1) gắn với trục động (4) giảm tốc DC 24V, cảm biến lực CZL-635-3133 1kg với giới hạn đo 10N với sai số 0,01N (3) gắn cố định đế thí nghiệm cần lực kim loại (2) nối vào cảm biến lực Để đo hệ số ma sát nghỉ, ma sát trượt hai vật A B bất kì, vật liệu A phải cắt thành hình trịn đặt lên đĩa trịn nặng, vật liệu B giữ chặt cần lực Khi hệ thống hoạt động, cảm biến lực thu giá trị lực ma sát vật A B thơng qua cần lực Để đo đạc xác, ổn định đĩa trịn phải quay đều, khơng bị đảo giúp bề mặt hai vật làm thí nghiệm ln tiếp xúc với Chính vậy, phần cứng thí nghiệm phải sử dụng đĩa trịn nặng Động giảm tốc DC 24V (6) với lực kéo phát động lớn gắn với trục động nối với đĩa trịn nặng góp phần làm quay đĩa tròn liên tục với tốc độ ổn định Việc sử dụng cần lực kim loại nhằm giữ phương lực ln vng góc với cảm biến suốt q trình hai vật trượt lên nhau, giúp cho kết đo đạt ổn định, hạn chế sai số Ngoài ra, hệ thống chân đế thí nghiệm (5) cịn có ốc tinh chỉnh độ cao thí nghiệm, bọt khí (7) để cân thí nghiệm, giúp việc đo đạc xác TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 16, Số (2019): 8189 2.3 Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển ghi nhận giá trị từ cảm biến lực, điều khiển động chiều DC 24V Trên hệ thống điều khiển cịn có nút nhấn hình LCD để điều chỉnh việc tiến hành thí nghiệm hiển thị kết cách trực tiếp Ngồi ra, kết cịn hiển thị giao diện máy vi tính nhờ vào phương thức truyền nhận Bluetooh hệ thống điều khiển với máy tính Sơ đồ khối hệ thống điều khiển biểu diễn Hình Hình Hệ thống điều khiển (trái) sơ đồ khối hệ thống điều khiển (phải) • Vi điều khiển Arduino Nano Vi điều khiển Arduino Nano viết lập trình ngơn ngữ C thơng qua phần mềm Arduino IDE có chức thu nhận, xử lí tín hiệu từ cảm biến lực, giao tiếp với Bluetooth HC-05 để tương tác với người sử dụng thông qua giao diện viết riêng cho thí nghiệm này, nhận lệnh điều khiển từ người sử dụng thông qua nút nhấn để điều khiển động hoạt động, hiển thị kết lên hình LCD Bên cạnh vi điều khiển Arduino Nano sử dụng giá thành rẻ, thơng dụng thị trường Việt Nam, có kích thước nhỏ gọn nên dễ dàng lắp đặt • Cảm biến lực CZL-635-3133 1kg Cảm biến đo lực thiết bị dùng để chuyển đổi lực trọng lượng thành tín hiệu điện Các tín hiệu điện truyền đến vi điều khiển Arduino Nano Do thiết kế nhỏ gọn với kích thước 52,2 × 12,7 × 12,7mm, giới hạn đo 10N, sai số 0,01N (RobotShop, 2011, tr 2) xác nên cảm biến lực CZL-635-3133 1kg đáp ứng yêu cầu thí nghiệm • Bluetooth HC-05 Trong nghiên cứu này, thiết bị bluetooth HC-05 sử dụng để truyền nhận liệu từ Hệ thống điều khiển máy tính cá nhân Đây thiết bị cho phép giao tiếp sóng radio băng tần 2,4 đến 2,480 GHz với tầm thu phát tối đa 10 m (ITead Studio, 2010, tr.1) Thiết bị có hai trạng thái hoạt động: Master-Slave Trạng thái Slave chế độ mặc định, thiết bị bluetooth khác tìm kết nối với bluetooth chế độ Ở trạng thái Master: bluetooth tự động tìm kiếm giao tiếp với bluetooth khác chế độ Slave TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Nguyễn Thành Phúc tgk Hình Arduino Nano (a), Cảm biến lực CZL-635-3133 1kg (b) Bluetooth HC-05 (c) 2.4 Giao diện giao tiếp máy vi tính Hình giao diện giao tiếp vi điều khiển máy tính viết tảng ngơn ngữ Labview Giao máy tı́nh cung cấp số chứ c điều khiển ghi đo diên môt viêc số công cu Bên can h đo,́ cać số đo Hệ thống điều khiển truyền lên liêu liêu hiển thi ̣ tự động ở trang hiển thi.̣ Đồng thờ i, giao diên má y tı́nh cò n cho pheṕ ngườ i dùng điều chı̉nh đông cơ, cảm biến lực Ngồi ra, chương trình giao tiếp lưu trữ thông số ghi nhận được, vẽ đồ thị xuất liệu file excel Hình Giao diện chương trình máy vi tính cá nhân Kết nghiên cứu 3.1 Bố trí thí nghiệm đo hệ số ma sát Ở thí nghiệm này, chúng tơi thực việc khảo sát hệ số ma sát nghỉ, ma sát trượt bề mặt vật đồng đĩa mica Thí nghiệm bố trí Hình TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Nguyễn Thành Phúc tgk Hình Thı́ nghiêm đo ̣ sớ ma sá t TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 16, Số (2019): 8189 Khi hệ thống vận hành, đĩa tròn mica quay làm xuất lực ma sát tác dụng lên vật đồng Giá trị lực ma sát cảm biến đo cập nhật lên giao diện máy tính 3.2 Kết thí nghiệm đo hệ số ma sát Đồ thị lực ma sát theo thời gian biểu diễn có dạng Hình Hình Đờ thi ma sá t theo thờ i gian ̣ lưc Đồ thị lực ma sát theo thời gian (Hình 8) chia làm hai giai đoạn Giai đoạn một: Giá tri ̣lực ma sát tăng dần từ đến giá trị cực đại Giai đoạn hai: Lực ma sát giảm giá trị, thăng giáng xung quanh giá trị Ở giai đoạn một, đĩa tròn mica quay, vật đồng chưa trượt đĩa mica chịu tác dụng lực ma sát nghı̉ Lực ma sát nghỉ tăng dần đến giá tri ̣cực đại, vật đồng bắt đầu trượt Hệ số ma sát nghı̉ tính thơng qua mơt giá tri ̣lực ma sát nghỉ cực đại Ở giai đoạn hai, vật đồng trượt đĩa mica nên chịu tác dụng lực ma sát trượt Lấy trung bình tất giá trị lực ma sát giai đoạn để tìm giá trị lực ma sát trượt trung bình Từ đó, tìm hệ số ma sát trượt Tiến hành thí nghiệm nhiều lần, thu Bảng số liệu và khảo sát hệ số ma sát nghỉ hệ số ma sát trượt giữa chất liêu đồng và mica sau: Bả ng Đo ̣ số ma sá t nghı̉ bằng phương phá p quay đıa Lần đo Fn _ max (N ) µn ∆µn Khối lượng vật m = 0,4995 kg; Gia tốc g = 9,8m / s2 1,60 1,65 1,78 0,35 0,33 0,34 0,36 0,00 0,02 0,01 0,01 1,73 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 16, Số (2019): 81Lấy trung bı̀nh các giá trị ̣số ma sát nghı̉, ta thu µn89 = 0, 35 Lấy trung bı̀nh đô ̣ sai biêṭ hệ số ma sá t nghỉ lần đo, ta co ∆µn = 0, 01 Vậy giá tri ̣ ̣ số ma sá t nghỉ giữ a vât phaṕ quay la:̀ µn = 0, 35 ± 0, 01 đıa đồng và đıa mica đo đươc theo phương TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Bả ng Đo ̣ số ma sá t trươt bằng phương phá p đıa Khối lượng vật m = 0,4995 kg; Gia tốc Lần đo Nguyễn Thành Phúc tgk quay g = 9,8m / s2 Ft (N ) 1,56 1,43 1,58 1,58 µt ∆µt 0,32 0,29 0,32 0,32 0,02hê ṣ ố ma sát 0,01 giữa vật đồng va0,01 ̀ mica Xử lı́ số liêu tương 0,01 tự trên, thu đươc trươt đıa theo phương pháp quay: µt = 0, 31± 0, 01 đıa Để kiểm tra tính ổn định thí nghiệm, ta so sánh kết quả hệ số ma sát nghỉ hệ số ma sát trượt mica với nặng đo đươc theo phương pháp đĩa quay vơí phương pháp mặt phẳng nghiêng đo đươc Hình Bợ thı́ đo ̣ sớ ma sá t theo phương phá p phẳng nghiêng nghiêm măt Tai Phò ng Thı́ Vâ lı́ phô thông – Trườ ng ho Sư TPHCM t Đai c pham nghiêm Tiến hành đo ̣ số ma sá t nghı̉ và ̣ số ma sá t giữa bề măt vâ liê đồng và t u trươt mica theo phương phaṕ măt phẳng nghiêng, ta thu kết qua:̉ phương phaṕ măt Giá tri ̣ ̣ số ma sá t nghı̉ giữ a bề măṭ đồng và mica đo đươc phẳng nghiêng µn = 0, 33 ± 0, 01 Giá trị hệ số ma sat́ trươt giưa bề măt đồng va mica đo ̃ ̀ đươc phương pháp măt TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Nguyễn Thành Phúc tgk phẳng nghiêng µt = 0, 32 ± 0, 01 la:̀ Nhận xét: Độ sai biêt hệ số ma sát nghỉ đo từ thí nghiệm so với hệ số ma sát nghỉ đo theo phương pháp mặt phẳng nghiêng 𝛿𝛿 = 6,1% Độ sai biêt hệ số ma sát trượt đo từ thí nghiệm so với hệ số ma sát trượt đo theo phương pháp mặt phẳng nghiêng 𝛿𝛿 = 3,1 % Do đó , kết quả đo đươc từ hai phương phaṕ nà y tương đồng vớ i Đồ thi lư ma sat́ theo thơì gian thu đươc phương phaṕ đıa xoay (Hı̀nh 8) cho thấy rõ phu c thuô vào ma sát nghı̉ vào ngoai lưc, nó tăng dần theo ngoai lư tác dun g và đến c c đat lưc mô giá tri ̣ đa tù y vaò ban̉ chất bề tiếp xuć Ngoaì ra, dưa cać kết quả thu t i măt cưc 10 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 16, Số (2019): 8189 nhâ đươc, ta thấy ṣ ố ma sát nghı lớn ṣ ố ma sát trươt có giá tri ̣gần ̉ n Chı́nh vı̀ vây , chương trı̀nh phổ thông, người ta coi chúng Kết luận Việc sử dụng cảm biến lực với cơng nghệ bluetooth thí nghiệm cho thấy tiện lợi giao tiếp vi điều khiển máy tính; rút ngắn thời gian đo đạc thu nhận số liệu, thao tác thực thí nghiệm dễ da ̀ng Bên canh đó, các kết quả thu nhận tốt với độ sai biệt nhỏ 10% Vı̀ vây , thí nghiệm ứng dụng để dạy thí nghiệm biểu diễn lớp tiết thực hành phịng thí nghiệm Vật lí trường THPT; giúp cho học sinh có nhìn trực quan kiến thức, qua tạo hứng thú mang lại hiệu dạy học cao Bộ thí nghiệm đáp ứng tiêu chí giá thành rẻ, tiết kiệm chi phí phù hợp với khả tài Việt Nam Tuy nhiên, để tối ưu hoá viêc lắp đăt cá c duṇ g cu ̣ thı́ , ̣ thống điều khiể n nghiêm cần hiệu chỉnh, sửa chữa và gia công mạch in để quá trıǹ h thưc tối ưu hiê thı́ n nghiêm đươc Tuyên bố quyền lợi: Các tác giả xác nhận hồn tồn khơng có xung đột quyền lợi TÀI LIỆU THAM KHẢO Công ty Cổ phần Sách Thiết bị Trường học (08/9/2018) Xá c đinh ̣ số ma sá t Khai thác từ https://www.stb.com.vn/vi/thia-t-ba-thpt/vat-li-thpt/xac-dinh-he-so-ma-sat.html Dương Xuân Quý (2010) Vấn đề sử dụng thiết bị thí nghiệm vật lí trường phổ thơng thực trạng giải pháp Tạp chí Thiết bị giáo dục, 61, 10-18 Hoàng Văn Huệ, Phùng Việt Hải, Nguyễn Thị Thanh Hương (2012) Nghiên cứu chế tạo cảm biến thí nghiệm ghép nối với máy vi tính dạy học vật lí trường phơ thơng Đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Trường Đại học Tây Nguyên Mai Hồng Phương Ngơ Minh Nhựt (2016) Thiết kế cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng Định luật II III Newton Tạp chí Khoa học Đại học Sư phạm Hà Nội, 61, 68-75 Nguyễn Huỳnh Duy Khang, Nguyễn Tấn Phát, Nguyễn Lâm Duy (2016) Ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A cảm biến điện tử để chế tạo thí nghiệm có tương tác với máy tính nhằm phát huy tính tích cực, sáng tạo hoạt động dạy học định luật thực nghiệm chất khí lí tưởng Tạp chí Khoa học Đại học Sư phạm Hà Nội, 61, 128-137 Chul-Hee Lee, Andreas A.Polycarpou (2007) Static Friction Experiments and Verification of an Improved Elastic-Plastic Model Including Roughness Effects Journal of Tribology, 129, 754-760 LD Didactic (07/9/2018) Determining the coefficient of static friction using the inclined plane Retrieved from: https://www.leybold-shop.com/physics/physicsexperiments/ 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Nguyễn Thành Phúc tgk mechanics/forces/inclined-plane/determining-the-coefficient-of-static-friction-using-theinclined-plane/vp1-2-5-2.html PHYWE Systeme GmbH (07/7/2018) Coeficient of friction Retrieved from: https://www.phywe.com/en/coefficient-of-friction.html PHYWE Systeme GmbH (09/7/2018) Sliding friction as a function of the weight and area of bearing Retrieved from: https://www.phywe.com/en/sliding-friction-as-a-function-of-theweight-and-area-of-bearing.html#tabs2 Pasco, (23/8/2018) Sliding Friction Experiment Retrieved from: https://www.pasco.com /prodCatalog/EX/EX-5508_sliding-friction experiment/index.cfm RobotShop (2011) Datasheet 3133 - Micro Load Cell (0-5 kg) - CZL635, ITead Studio (2010) HC-05 Bluetooth to Serial Port Module, THE APPLICATION OF FORCE SENSOR AND ARDUINO MICROCONTROLLER IN DESIGNING AN APPARATUS EXAMINING THE FRICTIONAL COEFFICIENT Nguyen Thanh Phuc, Quach Uy Lap, Ngo Minh Nhut*, Nguyen Lam Duy * Ho Chi Minh City University of Education Corresponding author: Ngo Minh Nhut – Email: nhutnm@hcmue.edu.vn Received: 09/10/2018; Revised: 25/10/2018; Accepted: 24/4/2019 ABSTRACT An apparatus examining the frictional coefficient is based on Arduino microcontroller and force sensor With the ability to communicate with the laptop via a bluetooth connection, the experimental data can be recorded continuously and rapidly; represents the transition between static frictional force and sliding frictional force Because of this, the user can calculate the static frictional coefficient and sliding frictional coefficient of two surfaces made of any materials with an inaccuracy of less than 10% compared to the apparatus on the market It supports the teacher and his pupils in teaching and learning frictional force in grade 10 high school Physics programme Keywords: Force sensor, frictional coefficient, bluetooth connection 12 ... xử lí số liệu nhanh chóng dễ dàng Vì vậy, nghiên cứu tập trung ứ ng dung vi điều khiển Arduino cảm biến lực để chế tạo thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát biểu diễn trình chuyển đổi lực ma sát nghỉ... sai biêt hệ số ma sát nghỉ đo từ thí nghiệm so với hệ số ma sát nghỉ đo theo phương pháp mặt phẳng nghiêng