BỘ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM ĐO TỪ TRƯỜNG VÀ LỰC TỪ TÓM TẮT Bộ dụng cụ thí nghiệm đo từ trường và lực từ sử dụng cảm biến Hall để đo từ trường phát ra từ nam châm điện và một cảm biến trọng lực để đo lục hút của nam châm. Độ lớn của từ trường sẽ được điều khiển bằng biến trở sau khi có kết quả đo sẽ được hiển thị lên lcd và dữ liệu được đưa lên mongodb. Bộ vỏ thí nghiệm sẽ được vẽ bằng phần mềm Solidwork sau đó in 3D phần vỏ và đấu dây mang tính thẩm mỹ nhất. MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 4 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 4 1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 4 1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4 1.5 DỰ KIẾN KẾT QUẢ 4 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 5 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG 5 2.1.1 Khối nguồn 5 2.1.2 khối chuyển điện áp 6 2.1.3 Khối cảm biến 8 2.1.4 Khối hiển thị 11 2.1.5 Khối xử lí trung tâm 13 2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ TỔNG QUÁT 15 2.3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 15 2.3.1 Thiết kế mạch đồng 15 2.3.2 Thiết kế hộp thí nghiệm 17 CHƯƠNG 3. GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN 20 3.1 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 20 3.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN 21 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM 22 4.1 TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM 22 4.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 22 4.3 KẾT LUẬN THỰC NGHIỆM 26 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN 26 5.1 ƯU ĐIỂM 26 5.2 NHƯỢC ĐIỂM 27 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 27 TÀI LIỆU KHAM KHẢO 27 PHỤ LỤC 28 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ dùng để sử dụng trong môi trường giáo dục, sử dụng cảm biến từ trường và cảm biến cân định lượng để đo độ lớn từ trường phát ra từ nam châm điện và độ lớn lực từ mà nam châm điện tác dụng lên một vật nặng có cấu tạo từ sắt. Sau khi các cảm biến đọc được giá trị thì sẽ được đưa lên web sever để hiển thị và luu trữ thông tin của bộ thí nghiệm. 1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài Ứng dụng vi điều khiển tích hợp mulde wifi ESP32 trong bộ thí nghiệm để điều khiển các thiết bị cảm biến và kết nối với MongoDB sau khi cảm biến đọc giá trị có thể gửi dữ liệu lên web sever khi bộ thí nghiệm hoạt động. 1.3 Đối tượng nghiên cứu Vi điều khiển tích hợp module wifi ESP32. Cảm biến từ trường, cảm biến cân định lượng và màn hình hiển thị LCD. Thuật toán kết nối, điều khiển nối ESP32 với các cảm biến và kết nối với MongoDB. 1.4 Phạm vi nghiên cứu Đề tài được ứng dụng trong lĩnh vực giáo dục và với mục đích nghiên cứu giảng dạy cho các trường trung học phổ thông. Giới hạn cảm biến đo từ trường từ 500uT đến 500Ut. Giới hạn cảm biến cân định lượng từ 0kg đến 1kg. 1.5 Dự kiến kết quả Bộ thí nghiệm sẽ mang tính thẩm mỹ cao, hoạt động một cách tự động và ổn định. Có thể giám sát thống số khí bộ thí nghiệm hoạt động gián tiếp qua web sever. Hệ thống sẽ cho ra kết quả chính xác lên đến 90% vì độ chính xác sẽ được điều chỉnh bằng các hàm toán học thông qua phần mềm Matlab. CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 2.1.1 Khối nguồn Chức năng : cấp nguồn 12V Linh kiện sử dụng chính : nguồn adapter 12V Thông số kỹ thuật : Đầu vào 100 240VAC 5060 hz 0.5A Đầu ra 12VDC 2A Sơ đồ nguyên lý : 2.1.2 khối chuyển điện áp Chức năng : chuyển đổi nguồn 12VDC sang 5VDC Linh kiện sử dụng chính : XL7015 Thông số kỹ thuật : XL7015 Điện áp đầu vào 5 80 VDC Điện áp đầu ra 5 20 VDC Dòng diện đầu ra 0.1 0.6 A Tần số dao động 120 180 KHz Sơ đồ nguyên lý :
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
G IỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ dùng để sử dụng trong môi trường giáo dục, sử dụng cảm biến từ trường và cảm biến cân định lượng để đo độ lớn từ trường phát ra từ nam châm điện và độ lớn lực từ mà nam châm điện tác dụng lên một vật nặng có cấu tạo từ sắt Sau khi các cảm biến đọc được giá trị thì sẽ được đưa lên web sever để hiển thị và luu trữ thông tin của bộ thí nghiệm.
M ỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Ứng dụng vi điều khiển tích hợp mulde wifi ESP32 trong bộ thí nghiệm để điều khiển các thiết bị cảm biến và kết nối với MongoDB sau khi cảm biến đọc giá trị có thể gửi dữ liệu lên web sever khi bộ thí nghiệm hoạt động.
Đ ỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Vi điều khiển tích hợp module wifi ESP32.
Cảm biến từ trường, cảm biến cân định lượng và màn hình hiển thị LCD.
Thuật toán kết nối, điều khiển nối ESP32 với các cảm biến và kết nối vớiMongoDB.
P HẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài được ứng dụng trong lĩnh vực giáo dục và với mục đích nghiên cứu giảng dạy cho các trường trung học phổ thông.
Giới hạn cảm biến đo từ trường từ -500uT đến 500Ut.
Giới hạn cảm biến cân định lượng từ 0kg đến 1kg.
D Ự KIẾN KẾT QUẢ
Bộ thí nghiệm sẽ mang tính thẩm mỹ cao, hoạt động một cách tự động và ổn định.
Có thể giám sát thống số khí bộ thí nghiệm hoạt động gián tiếp qua web sever Hệ thống sẽ cho ra kết quả chính xác lên đến 90% vì độ chính xác sẽ được điều chỉnh bằng các hàm toán học thông qua phần mềm Matlab.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
S Ơ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG
Linh kiện sử dụng chính : nguồn adapter 12V
Thông số kỹ thuật : Đầu vào 100 - 240VAC
Chức năng : chuyển đổi nguồn 12VDC sang 5VDC Linh kiện sử dụng chính : XL7015
Hình 2.2 sơ đồ nguyên lý adapter
Hình 2.3 hình ảnh thực tế adapter Điện áp đầu vào 5 - 80 VDC Điện áp đầu ra 5 - 20 VDC
Tần số dao động 120 - 180 KHz
Chức năng : xác định từ trường từ nam châm điện
Linh kiện sử dụng chính : SS49E và LM393
Hình 2.4 sơ đồ nguyên lý XL7015
Hình 2.5 mạch thực tế XL7015
LM393 Điện áp cung cấp đơn 2 - 36 V Điện áp cung cấp kép 1 - 18 V
Dải điện áp đầu vào 2 - 36 V
Dòng tiêu thụ 0.5 mA (điện áp đơn)
1 mA (điện áp kép) Điện áp đầu ra 1,4 V
Dòng điện đầu ra tối đa 20 mA
Nhiệt độ hoạt động -25 - 85 độ C
SS49E Điện áp cung cấp đầu vào 3 - 6.5 V
Dòng điện cung cấp Max 8 mA
Dòng đầu ra Min 1 mA
Thời gian đáp ứng 3 uS Điện áp đầu ra 2.25 - 2.75 V Độ nhạy 1.6 - 2.0 mV/G
2) Cảm biến cân định lượng
Chức năng : xác định từ trường từ nam châm điện
Linh kiện sử dụng chính : HX711 và Load cell
Hình 2.6 sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến đo từ trường
Hình 2.7 mạch thực tế cảm biến đo từ trường
LM393 Điện áp cung cấp đầu vào 2.6 - 5.5 V
Chế độ chung đầu vào AGND+1.2 - AVDD-1.3 V
Mã hóa dữ liệu đầu ra 800000-7FFFFF HEX
Dòng tiêu thụ Max 1.5 Ma Độ phân giải 24 bit ADC Độ phân giải điện áp 40 mA
Tốc độ lấy mẫu 10 - 80 SPS (tùy chỉnh)
Load cell Điện áp cung cấp đầu vào 5 V
Nhiệt độ hoạt động -20 - 65 độ C
Trở kháng cách li 2000 M Ω Độ lệch tuyến tính 0.05 % Độ cân bằng điểm không ±0.1%RO
Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhạy 0.003 %RO/độ C
Nhiệt độ ảnh hưởng đến điểm không 0.02 %RO/độ C
Chức năng : hiển thị kết quả đo được từ cảm biến
Linh kiện sử dụng chính : LCD1602 và I2C
Hình 2.8 sơ đồ nguyên lý cảm biến cân
Hình 2.9 mạch thực tế cảm biến cân
LCD1602 Điện áp cung cấp đầu vào 2.7 - 5.5 V
Nhiệt độ hoạt động -30 - 75 độ C Điện áp cực đại 7 V Điện áp cực tiểu -0.3 V Điện áp ra mức cao > 2.4 V Điện áp ra mức thấp < 0.4 V
Dòng điện cấp nguồn 350 – 600 uA
I2C Điện áp cung cấp đầu vào 2.5 - 6 V
Hỗ trợ loại màn hình LCD1602, 1604, 2004 Địa chỉ mặc định 0x27 hoặc 0x3f
Hình 2.10 sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị
2.1.5 Khối xử lí trung tâm
Chức năng : điều khiển toàn mạch và kết nối với cơ sở dữ liệu
Linh kiện sử dụng chính : ESP32 NodeMCU
ESP32 NodeMCU Điện áp cung cấp 5 VDC từ cổng Micro USB
Hỗ trợ giao diện UART/SPI/SDIO/PWM/I2S/IR/ADC/
Hình 2.11 mạch thực tế mạch hiển thị
Hình 2.12 sơ đồ chân ESP32s
T HIẾT KẾ MÔ HÌNH
Thành phần Kích thước Đơn vị
Cảm biến từ trường (Hall-SS49E) 36 x 15 mm
Mạch tăng áp (XL7015) 44 x 16 mm
Hình 2.14 sơ đồ nguyên lý tổng quát
Hình 2.16 sơ đồ mạch đồng Hình 2.15 sơ đồ chân trên protues
2.3.2 Thiết kế hộp thí nghiệm
Hình 2.18 thân hộp thí nghiệm
Hình 2.19 nắp hộp thí nghiệm
Hình 2.21 ống dây nam châm điện Hình 2.22 sản phẩm mô phỏng
GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN
H OẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Cấp nguồn từ adapter 12V đi qua mạch giảm áp còn 5V.
ESP32 nhận được điện áp bắt đầu hoạt đông : kết nối với wifi, cơ sở dữ liệu và điều khiển LCD1602, biến từ trường và cảm biến cân định lượng.
Cảm biến từ trường và cảm biến cân định lượng hoạt động đo từ trường từ nam châm điện, đo khối lượng vật nặng.
Dữ liệu sau khi cảm biến đo được sẽ hiển thị lên LCD1602 và được gửi lên cơ sở dữ liệu trên MongoDB.
Hình 2.23 sản phẩm thực tế
Bật công tắc cho dòng điện 12V vào nam châm lúc này từ trường bị thay đổi và nam châm sẽ hút vật nặng làm thay đổi thông số lúc đầu.
Các cảm biến sẽ đo lại thông số, hiển thị lên LCD1602 và gửi lên cơ sở dữ liệuMongoDB sau khi thay đổi.
L ƯU ĐỒ GIẢI THUẬT TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN
Cấp nguồn vào hệ thống ESP32 hoạt động và kết nối với wifi.
Cảm biến cân định lượng lúc này đang trong quá trình cân bằng điểm 0.
Cảm biến từ trường đã đo được từ trường tại vị trí chính nó là 35-45 uT vì từ trường của trái đất tác động lên cảm biến (từ trường trái đất dao động trong khoảng 25-65 uT).
Sau khi các cảm biến hoạt động và đo được giá trị ban đầu thì hiển thị lên màn hình LCD
Cùng lúc đó ESP32 kết nối với cơ sở dữ liệu MongoDB và đưa giá trị đo được lên MongoDB.
Treo vật nặng vào cảm biến cân định lượng và tiến hành đọc giá trị của vật nặng và hiển thị lên màn hình LCD.
Nhấn nút cho dòng diện chạy qua cuộn dây tạo thành nam châm điện.
Lúc này độ lớn từ trường đọc từ cảm biến từ đã tahy đổi lớn hơn và kéo vật nặng về phía nam châm.
Vật nặng treo trên cảm biến cân định lượng bị nam châm hút kéo mạnh hơn làm cho thanh biến trở load cell biến dạng nhiều hơn và đọc giá trị lớn hơn vật nặng ban đầu. Sau khi cả hai biến trở đọc giá trị mới và hiển thị lên LCD thì dữ liệu được gửi lên MongoDB.
Quá trình lặp lại khi thay đổi vật nặng hoặc nguồn đầu vào.
Hình 3.1 lưu đồ giải thuật
THỰC NGHIỆM
T IẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM
Bước 2 : ESP32 kết nối wifi và cơ sở dữ liệu.
Bước 3 : các cảm biến đọc giá trị ban đầu.
Bước 4 : hiển thị lên lcd và đưa dữ liệu ban đầu lên cơ sở dữ liệu.
Bước 5 : Treo vật nặng vào cảm biến cân và hiển thị số đo lên lcd.
Bước 6 : kích dòng diện đi qua cuộn dây làm thay đổi từ trường của nam châm điện và hút vật nặng dính vào nam châm.
Bước 7 : đưa số đo đọc được của cảm biến lên lcd và cơ sở dữ liệu.
Bước 8 : ngưng kích nam châm điện thông số trở về ban đầu.
K ẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Sau khi cấp nguồn cho bộ thí nghiệm ta nhận thấy rằng bộ thí nghiệm chưa hoạt động lập tức do ESP32 đang kết nối với wifi và cơ sở dữ liệu.
Sau khi kết nối wifi và cơ sở dữ liệu thì các cảm biến và lcd hoạt động
Hình 4.1 cấp nguồn cho bộ thí nghiệm
Hình 4.2 ESP32 đã kết nối wifi và cơ sở dữ liệu
Treo vật nặng vào cảm biến cân định lượng Đối chiếu kết quả đo được của cảm biến và số liệu chuẩn
Hình 4.3 tiến hành cân vật nặng
Hình 4.4 đối chiếu khối lượng vật nặng
Kích điện qua cuộn dây thành nam châm điện hút vật nặng xuống và làm thay đổi từ trường đồng thời tác động vào cảm biến cân làm thay đôi giá trị
Ngưng kích điện qua nam châm và các thông số trở về ban đầu
Hình 4.6 ngưng kích áp cho cuộn dây của nam châm điện Hình 4.5 kích điện áp qua cuộn dây của nam châm điện
Dữ liệu được gửi lên mongodb
K ẾT LUẬN THỰC NGHIỆM
Hộp thí nghiệm được thiết kế bằng phần mềm solidwork và được in 3D chuẩn từng milimet, lắp đặt dễ dàng mang lại tính thẩm mỹ cao.
Các cảm biến hoạt động tốt với độ nhạy cao và số đo được cân bằng với kết quả chuẩn bằng các hàm phương trình của matlab.
Các thông số đo được từ cảm biến sẽ cập nhật liên tục lên cơ sở dữ liệu mongodb.