ứng dụng robot pha chế hóa chất trong phòng học bộ môn trường trung học phổ thông

CUỘC THI “SÁNG TẠO STEM PHỤC VỤ THÀNH PHỐ THÔNG MINH SI4SC” “STEM INNOVATION FOR SMART CITY” BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Dự án dự thi: Ứng dụng robot pha chế hóa chất trong phòng họ

CUỘC THI “SÁNG TẠO STEM PHỤC VỤ THÀNH

PHỐ THÔNG MINH SI4SC”

“STEM INNOVATION FOR SMART CITY”

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Dự án dự thi:

Ứng dụng robot pha chế hóa chất trong phòng học

bộ môn trường trung học phổ thông

MỤC LỤC

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU

1.2 Câu hỏi nghiên cứu/giả thuyết khoa học 4

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

CHƯƠNG II.TỔNG QUAN

2.1.2 Vai trò, ý nghĩa của giáo dục STEM trong trường phổ thông 6

2.2 Sơ lược các sản phẩm tương tự trong nước và nước ngoài 7

CHƯƠNG III THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG

3.1 Sơ đồ tổng quát mô tả nguyên lý hoạt động toàn hệ thống Robot 7

3.2.1 Bộ điều khiển Robot 3 trục, bộ hút hóa chất và IO 7

3.2.2 Phần cứng các module sensor 8

3.3 Thiết kế Fimware và phần mềm 9

3.3.1 Fimware các MCU Arduino UNO 9

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

4.4 Mẫu số liệu thực tế và sai số 13

CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện và hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này, chúng em đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ, quan tâm, động viên từ thầy cô, bạn bè và gia đình Vấn

đề nghiên cứu khoa học cũng được hoàn thành dựa trên sự tham khảo, học tập kinh nghiệm từ các kết quả nghiên cứu có liên quan, các sách, báo chuyên ngành của nhiều tác giả ở các trường Đại học, các tổ chức nghiên cứu, tổ chức chính trị…Đặc biệt hơn nữa là sự cộng tác của cán bộ giáo viên các bộ môn có liên quan đến giáo dục STEM của trường THPT Trần Quốc Tuấn và sự giúp đỡ, tạo điều kiện về vật chất và tinh thần từ phía gia đình, bạn bè

Trước tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến giáo viên hướng dẫn, cảm ơn cô

đã giúp đỡ chúng em trong quá trình hoàn thành đề tài, và cũng gửi lời cảm ơn đến các cựu học sinh của nhà trường học về chuyên ngành Tự động hóa và Công nghệ thông tin để giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này

Chúng em xin trân trọng cám ơn Lãnh đạo nhà trường cùng toàn thể quý thầy

cô giáo công tác trong trường đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, giúp

đỡ chúng em trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tuy có nhiều cố gắng, nhưng đề tài nghiên cứu này không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em kính mong quý thầy cô, các chuyên gia, những nhà khoa học, những người quan tâm đến đề tài, gia đình và bạn bè tiếp tục có những ý kiến đóng góp, giúp đỡ góp ý kiến cho đề tài được hoàn thiện hơn

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Nhằm giúp cho học sinh áp dụng các kiến thức khoa học, công nghệ, kĩ thuật

và toán học để giải quyết một số vấn đề thực tiễn, Bộ GDĐT đã chỉ đạo tổ chức dạy học giáo dục STEM trong trường phổ thông theo hướng tiếp cận liên môn và

tổ chức Cuộc thi Xây dựng Thiết bị dạy học số lần thứ I năm 2022 để khơi dậy ý thức chủ động, sáng tạo xây dựng thiết bị dạy học số nhằm nâng cao chất lượng dạy và học

Từ chủ trường trên chúng em đã tập trung tìm hiểu các môn học liên quan đến Giáo dục STEM (Toán, Vật lý, Hoá học, Sinh học, Công nghệ và Tin học) Trong các môn học có liên quan đến Giáo dục STEM thì môn Hoá học có những vấn đề rất cần phải giải quyết thông qua thiết bị dạy học số để thay thế con người trong khi thực hành những thí nghiệm hoá học có tính chất nguy hiểm, nhiều rủi ro, không an toàn đối với giáo viên và học sinh, đồng thời tiết kiệm hoá chất hao hụt trong quá trình thực nghiệm so với con người

Xuất phát từ căn cứ đã nêu em đã chọn môn Hoá học làm đối tượng để nghiên cứu, tìm hiểu các bài thực hành hoá học trong chương trình lớp 10, 11, 12 gồm x bài thí nghiệm, trong đó các thí nghiệm em nhận thấy có 02 công việc rất cơ bản, thường xuyên phải thao tác là pha chế và phân chia hoá chất Đây là 02 công việc

có thể ứng dụng robot để giải quyết Đó là lý do lựa chọn thực hiện đề tài Ứng dụng robot pha chế hóa chất trong phòng học bộ môn trường trung học phổ thông

1.2 Vấn đề/Câu hỏi nghiên cứu/ giả thuyết khoa học

- Làm sao để ứng dụng robot thực hiện thí nghiệm nguy hiểm, độc hại mà không ảnh hưởng tới sức khỏe của giáo viên và học sinh?

- Làm sao để phân tích, quan sát dữ liệu của các thí nghiệm theo thời gian thực để làm tư liệu trực quan giúp học sinh, giáo viên học tập, giảng dạy thực tế?

- Làm thế nào để giáo viên có thể tự điều khiển robot thực hiện thí nghiệm bằng một chương trình đơn giản?

- Làm thế nào để làm một phần mềm dành cho người Việt, dễ sử dụng, bằng ngôn ngữ Tiếng Việt?

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu nguyên tắc pha chế và phân chia hoá chất để từ đó xác định cách thức thực hiện của Thiết bị dạy học số cần tạo

Xác định những thành phần phần cứng của thiết bị: phần cứng có sẵn để sử dụng lại từ những thiết bị cũ và những phần cứng phải gia công thực hiện

Tạo thiết bị dạy học số thực hiện 02 nhiệm vụ pha chế và phân chia hoá chất Tìm hiểu phần mềm nguồn mở để điều khiển thiết bị dạy học số đó

Kiểm thử thiết bị để đưa ra kết luận và hướng phát triển

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Trong đề tài này chúng em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp lý thuyết: nghiên cứu các thí nghiệm hoá học để tìm nguyên tắc pha chế và phân chia hoá chất; tính toán sai số trong quá trình robot thực hiện để đối sánh với thí nghiệm thực hiện bằng tay

- Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức của mình kết hợp với sự hướng dẫn của các thầy cô, chúng em bắt đầu xây dựng robot, lập trình phần mềm điều khiển và chạy thử robot bằng nước màu dựa trên phương pháp chồng màu để mô phỏng hóa chất

- Phương pháp đối chiếu: so sánh giữa kết quả lý thuyết và thực nghiệm để làm

rõ các dự đoán trong lý thuyết, kỹ thuật và công nghệ

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Nghiên cứu các thí nghiệm hoá học để tìm nguyên tắc pha chế và phân chia hoá chất

+ Nghiên cứu thiết bị CNC để lựa chọn thiết bị CNC có số trục phù hợp với nhiệm

vụ cần thực hiện

+ Phần mềm điều khiển: nghiên cứu học tập ngôn ngữ C/C++ để viết phần mềm điều khiển, dữ liệu mã nguồn mở candle2, giao diện đồ họa trực quan, thân thiện với người sử dụng

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của nhà trường (giảng dạy, nghiên cứu) + Nghiên cứu thực hiện một số chi tiết tại các cơ sở gia công cơ khí chính xác + Lựa chọn thiết bị CNC có số trục cơ bản tối đa là 3 trục

+ Chỉ dùng 1 trục để gắn bộ hút/nhả hoá chất

1.6 Kế hoạch nghiên cứu

Tháng 6/2023 – 7/2023 Lên ý tưởng cho đề tài, tìm và mua các linh kiện

cần thiết – Tìm hiểu ngôn ngữ C/C++

Tháng 7/2023 – 8/2023 Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Arduino, tiến hành chạy thử từng thành phần của robot trên động cơ

bước

Tháng 8/2023 – 9/2023 - Tìm hiểu QTCreator để viết giao diện GUI, học song hành với ngôn ngữ C/C++ và thực hành trên

Arduino

Tháng 9/2023 – 10/2023 - Đặt lắp ráp robot, lắp ráp mạch điện điều khiển - Tiếp tục học ngôn ngữ lập trình C/C++ và thực

hành chạy gcode trên các động cơ bước

Tháng 10/2023 – 11/2023 - Hoàn thiện phần cứng của robot - Nghiên cứu và phát triển giao diện phần mềm

Tháng 11/2023 – thời điểm

hiện tại

- Phát triển phần mềm hoàn thiện, thử chạy thí nghiệm

- Hoàn thành robot, đi dây cho các thành phần bên trong robot

CHƯƠNG II TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về CNC

Hiện nay trên thị trường hầu hết các máy CNC có số trục từ 3 đến 5 trục

• Loại 3 trục: dùng di chuyển theo hướng X, Y, Z

• Loại 4 trục: bổ sung khả năng xoay để gia công các chi tiết phức tạp hơn

• Loại 5 trục: Bổ sung khả năng nghiêng để gia công các chi tiết, công việc phức tạp

Vấn đề cần giải quyết đã đề xuất trong dự án này phải cần có máy CNC với

số trục là 4 trục để thực hiện Giải pháp lựa chọn là tìm máy CNC 3 trục và thiết

kế thêm 1 trục làm trục bơm hút Giải pháp này làm giảm chi phí mua thiết bị, cũng như dễ tìm kiếm thiết bị đã qua sử dụng có bán trên thị trường

Vấn đề khó cần giải quyết là thiết kế bộ bộ hút, nhả hóa chất (trục thứ 4 của robot) và phần mềm điều khiển Robot hoạt động

Nếu thành công thì mang lại hướng nghiên cứu mới trong việc chế tạo thiết bị dạy học số phù hợp mô hình giáo dục STEM và mang tính thực tiễn góp phần phục vụ hoạt động dạy và học trong nhà trường

2.2 Sơ lược sản phẩm tương tự nước ngoài

2.2.1 Tên sản phẩm

Máy pha loãng của doanh nghiệp EvoLabs, có thể thực hiện hai chức năng trong phòng thí nghiệm, đảm bảo thiết bị có khả năng hút dung dịch nước vào ống nghiệm và sau đó pha loãng mẫu để phân tích

Dữ liệu từ 10ml mẫu không cần làm sạch: 300 mẫu/ giờ - 60 mẫu/ đợt

2.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của sản phầm

- Ưu điểm: thông minh, dễ sử dụng, tránh gây độc hại cho con người, độ chính xác cao

- Nhược điểm: cơ khí còn thô sơ, chưa đẹp; Thiết bị chế tạo còn to, gồ ghề; Bo mạch đơn giản, chưa có bảo vệ tín hiệu tốt; phần mềm đơn giản, chưa tối ưu Giá thành cao

CHƯƠNG III THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG

3.1 Sơ đồ tổng quát mô tả nguyên lý hoạt động toàn hệ thống Robot

Hình1 Sơ đồ tổng quát mô tả nguyên lý hoạt động

3.2 Thiết kế phần cứng

3.2.1 Bộ điều khiển Robot 3 trục, bộ hút hóa chất và IO :

Hình 2 Sơ đồ khối phần cứng

3.2.2 Phần cứng các module sensor

Các module sensor được đặt hàng gia công mạch và firmware theo các thông

số và khung dữ liệu đặt ra có thông số như sau:

Động cơ bước (Step Motor) Động cơ bước mini mặt bích 57mm,

1.2Nm, 57HS56 :

- Là động cơ bước có tuổi thọ cao, chạy

êm, không nóng

- Điều khiển chính xác góc quay, tiếng

ồn thấp

- Dùng nhiều trong các máy cnc mini, máy khắc laser, máy tự động hóa loại nhỏ

- Là động cơ bước 2 pha, bước góc 1.8

độ Trục động cơ D=6.35mm hoặc D=8mm, rãnh then

- Kích thước động cơ: Mặt bích 57mmx57mm, chiều dài thân 56mm Chịu tải 3A, moment xoắn 1.2Nm, 4 dây, trọng lượng 680g

Bộ nguồn AC/DC (AC/DC Power

Source)

- Điện áp ngõ ra : 24 V dc

- Dòng điện ngõ ra : 14.6A

- Công suất định mức : 350W

- Số ngõ ra : 1

- Điện áp ngõ vào : 100 – 240 V ac

- Cách gắn : Gắn trực tiếp

- Vỏ bọc : Vỏ kim loại

- Dài : 212mm

- Rộng : 112.5mm

- Cao : 50mm

- Hiệu suất : 86%

- Nhiệt độ max : +60°C

- Nhiệt độ min : -20°C

Driver động cơ bước (Step Motor

Driver)

- Model: Rtelligent micro-stepping R57 Driver

- Điện áp sử dụng: 24 ~ 48VDC

- Dòng điện ngõ ra tối đa: Max 5A

- Các tùy chỉnh vi bước: 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128; or 1/5, 1/10, 1/20, 1/25, 1/40, 1/50, 1/100, 1/125

- Các tùy chỉnh dòng điện: 1.0A, 1.5A, 2.0A, 2.5A, 3.0A, 3.7A, 4.3A, 5.0A

- Giảm độ nóng motor bằng công nghệ PID current control algorithm

- Dùng bộ DSP-32 bit để điều khiển

- Xung điều khiển:

PULSE/DIRECTION & CW/CCW

- Tích hợp công nghệ tự động căn chỉnh phù hợp với động cơ

- Pulse filtering: 2MHz digital signal filter

- Tương thích mức tín hiệu TTL 5VDC và tích hợp Opto cách ly giao tiếp với mạch điều khiển

- 15 selectable resolutions, up to 25,000 steps/rev

- Sử dụng cho động cơ 2 Phase và 4 Phase

- Bảo vệ Ngắn mạch, Quá áp, dòng, nhiệt độ tích hợp

- Kích thước: 4.65 X 2.97 X 1.30 inches; 10 oz

- CE, ROHS certified

3.3 Thiết kế Firmware và phần mềm

3.3.1 Firmware GRBL MCU STM32F103C8T6

Sử dụng phần mềm Arduino IDE miễn phí của hãng Arduino và bộ thư viện Arduino để lập trình code cho thiết bị chủ thu thập dữ liệu, bộ GRBL và bộ

điều khiển bộ hút nhả hóa chất

Hình 3 Lưu đồ thuật toán MCU GRBL

3.3.2 Sơ đồ khối tổng quan:

Hình 4 Sơ đồ khối tổng quan

- Dùng Python để viết code cho phần mềm lập trình Robot chạy vị trí bằng kéo thả Blocks và xuất G-code

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

4.1 Môi trường thử nghiệm

4.1.1 Môi trường thí nghiệm:

- Phòng thí nghiệm Hóa học Trường THPT Trần Quốc Tuấn, TP Quảng Ngãi, tỉnh Quảng Ngãi

- Nhiệt độ phòng thí nghiệm: 25-26oC

=> Điều kiện tương đối tốt để thực hiện thí nghiệm

4.1.2 Cấu hình máy tính thực hiện thí nghiệm:

- Laptop ASUS TUF Gaming F15

- Chip i5-11400H

- RAM 8.00 GB, ROM SSD 512GB

- HĐH Windows 11 Home 64-bit

4.2 Kịch bản thử nghiệm

4.2.1 Pha loãng H₂SO₄ trong phòng thí nghiệm Hóa học:

Yêu cầu: Pha loãng được 40ml H2SO4 2M từ dung dịch H2SO4 98%

Thiết bị và dụng cụ

- Robotpha chế hóa chất; becher (cốc); kính bảo hộ; găng tay; ống nghiệm; đũa thủy tinh

- Dụng cụ đo thể tích: Bình định mức, ống đong, pipet,

Hóa chất: nước cất; H2SO4 98%

Quy tắc an toàn

Sulfuric acid gây bỏng khi rơi vào da, do vậy khi sử dụng cần tuân thủ quy tắc:

- Sử dụng găng tay, đeo kính bảo hộ, mặc áo thí nghiệm

- Cầm dụng cụ chắc chắn, thao tác cẩn thận

- Không tì, đè chai đựng acid lên miệng cốc, ống đong khi rót acid

- Sử dụng lượng acid vừa phải, lượng acid còn thừa phải thu hồi vào lọ đựng

- Không được đổ nước vào acid đậm đặc

Thực nghiệm:

Mục tiêu: Cần pha loãng 40ml dung dịch H2SO4 2M từ dung dịch H2SO4 98%

Tiến hành pha loãng:

Chuẩn bị 3 cốc có dán nhãn: (1) H2SO4 2M; (2) H2SO4 98%; (3) nước cất Cho dung dịch H2SO4 98% và nước cất lần lượt vào cốc (2) và cốc (3) Lập trình để robot tiến hành pha trộn theo đúng nguyên tắc pha loãng sulfuric acid, đầu tiên hút 35,5 mL nước nước cất ở cốc (3) cho vào cốc (1), sau đó hút 4,5 mL H2SO4

98% từ cốc (2) cho từ từ vào cốc (1)

Kết quả:

Robot đã tiến hành pha loãng thành công 40 mL dung dịch H2SO4 2M như mong muốn

4.2.2 Phân chia lượng hóa chất

Ví dụ: Phân chia 1 lọ ancohol ra 4 lọ cho 4 nhóm thực hành thí nghiệm điều chế

este

Yêu cầu : Phân chia 20ml ancohol ra cho 4 nhóm, mỗi nhóm 5ml để thực hành thí nghiệm điều chế este

Trang thiết bị :

- Ancol (ethanol, methanol)

- Sulfuric Acid (H₂SO₄)

- Dụng cụ đun nấu (bình đun, bếp, nồi đun, ống sinh hàn)

- Dụng cụ an toàn (kính bảo hộ, găng tay hóa học, khẩu trang, áo phản quang)

Điều chế:

Các este thường được điều chế bằng cách đun sôi hỗn hợp gồm ancohol và acid

carboxylic, có acid H₂SO₄ đặc làm xúc tác (Phản ứng este hóa)

𝑹𝑪𝑶𝑶𝑯 + 𝑹′𝑶𝑯 𝑹𝑪𝑶𝑶𝑹′ + 𝑯𝟐𝑶 Tuy nhiên, có 1 số este không điều chế được bằng phương pháp này mà nó có

phương pháp điều chế riêng, ví dụ : Vinyl axetat (CH3 COOCH=CH 2 ) được

điều chế bằng phản ứng cộng hợp giữa acid acetic và acetylene

𝑪𝑯𝟑𝑪𝑶𝑶𝑯 + 𝑪𝑯 𝑪𝑯𝒕°,𝒙𝒕→ 𝑪𝑯𝟑𝑪𝑶𝑶𝑪𝑯=𝑪𝑯𝟐

4.3 Kết quả thử nghiệm

Hoạt động 1 : Pha hóa chất

Mục tiêu: Pha 40ml dung dịch H2SO4 2M từ H2SO4 98%

𝑪

𝑴= 𝑪%.𝟏𝟎.𝒅𝑴 {

𝑪 𝑴∶𝑵ồ𝒏𝒈 độ𝒎𝒐𝒍𝒍 𝑪%:𝑵ồ𝒏𝒈 độ 𝒑𝒉ầ𝒏 𝒕𝒓ă𝒎 𝒅:𝑲𝒉ố𝒊 𝒍ượ𝒏𝒈 𝒓𝒊ê𝒏𝒈(𝒈/𝒄𝒎𝟑 𝑪

𝑴= 𝟗𝟖.𝟏𝟎.𝟏,𝟖𝟒𝟗𝟖 =𝟏𝟖,𝟒(𝒎𝒍)

𝑪𝟏𝑴 𝑽𝟏 = 𝑪𝟐𝑴 𝑽𝟐

𝟏𝟖, 𝟒 𝑽𝟏 = 𝟐 𝟒𝟎

𝑽

𝟏= 𝟐.𝟒𝟎𝟏𝟖,𝟒 = 𝟒,𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒 = 𝟒,𝟓(𝒎𝒍)

𝑽𝑯𝟐𝑶= 𝟒𝟎 − 𝟒,𝟓 = 𝟑𝟓,𝟓(𝒎𝒍)

- Tính theo công thức trên, để pha được 40ml H2SO4 2M thì ta cần 4,5ml H2SO4

98% và 35,5ml nước

- Sau khi cho robot chạy thí nghiệm bằng nước màu, em nhận được kết quả đong bằng ống nghiệm như hình trên

Hạn chế kĩ thuật :

- Trong pha chế vì chỉ sử dụng một robot (để tiết kiệm chi phí đầu tư) để pha chế 2

hóa chất nên chấp nhận việc hóa chất bị lẫn vào nhau (phần còn dư trong đầu hút sau khi hút hóa chất)

4.4 Mẫu số liệu thực nghiệm và tính toán sai số

Trong nghiên cứu này, chúng em đã tiến hành đo lường dung tích của mẫu sử dụng bằng ống đong Để đánh giá độ chính xác của các phương pháp này, chúng

em đã tính toán sai số của phương pháp đo như sau:

• Mẫu số liệu thực nghiệm:

Dữ liệu được thu thập từ 10 lần thực nghiệm, với mỗi lần đo, chúng em ghi nhận dung tích được đo bằng ống đong Dưới đây là mẫu số liệu đã thu thập:

đo

Robot Ống đong (ml)

Tính độ lệch chuẩn của mẫu số liệu :

Sử dụng công thức dưới đây để tính độ lệch chuẩn :

Độ 𝑙ệ𝑐ℎ 𝑐ℎ𝑢ẩ𝑛 = √∑ (𝑥𝑛 𝑖 − 𝑥̅)2

1

𝑛 − 1

- 𝑥𝑖 là giá trị của lần đo thứ i

- 𝑥 là giá trị trung bình của n lần đo

- n là số lần đo

Dựa theo mẫu số liệu:

Độ 𝑙ệ𝑐ℎ 𝑐ℎ𝑢ẩ𝑛 = √(4,8 − 4,94)

2 + (4,9 − 4,94) 2 + ⋯ + (4,8 − 4,94) 2

10 − 1

= √0,020 + 0,002 + ⋯ + 0,020

9

= √0,164

9 = √0,018 ≈ 0,135 (𝑚𝑙)

- Căn cứ vào giá trị tính toán độ lệch chuẩn thì có thể nói sai số trong khi thực

hiện của thiết bị còn khá cao nên cần phải cải tiến ở phiên bản tiếp theo

- So với con người làm bằng tay thì sai số này chấp nhận được vì khi thực hiện bằng tay thi sai số rất lớn và lượng hao hụt hóa chất nhiều trong trình pha và phân

chia hóa chất

CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1 Kết luận

Từ những nghiên cứu về phần mềm và lý thuyết, cũng như kết quả của thí nghiệm đã trình bày, nhóm chúng em xin đưa ra kết luận: