Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm Vật lý: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ cảm biến đo gia tốc và lực sử dụng trong dạy học Vật lí trung học phổ thông

Do những khó khăn trong khảo sát các đại lượng tứcthời như lực, gia tốc, vận tốc nên giáo viên thường thuyết trình, diễn giảng và đưa ra côngthức cho học sinh công nhận, chưa chú trọng đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

ThS MAI HOÀNG PHƯƠNG

Thành phó Hồ Chí Minh — 2016

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp đỡ

dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắtđầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp

đỡ của quý Thay Cô, gia đình và bạn bè Bằng tat cả lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lờicảm ơn đến quý Thầy Cô Khoa Vật lí Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ ChíMinh, những người đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báo cho em trong suốt thời

ø1an em học tại trường.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất của mình đến Thầy Mai Hoàng Phương,người đã rất nhiệt tình, tận tâm, chu đáo, cung cấp những kiến thức và hướng dẫn em thựchiện đề tài này Thầy là người truyền cho em niềm đam mê, yêu thích khám phá Vật lí,truyền cho em lòng yêu nghề giáo cao quí mà minh đang theo đuôi

Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Lâm Duy, người đãtận tình hướng dẫn về mặt kỹ thuật dé em hoàn thành tốt luận văn này Em cũng xin cam

ơn Thầy Nguyễn Huỳnh Duy Khang và Thầy Nguyễn Tan Phát, những người đã luôn ởbên cạnh động viên, hướng dẫn và hỗ trợ những lúc em gặp khó khăn khi thực hiện luậnvăn này Em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô giảng viên Khoa Vật Lý, trường Đạihọc Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh — những người đã trang bị cho em kiến thức hữuích giúp em hoàn thành luận văn này Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn

bè — những người đã luôn động viên, chia sẽ, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quí báutrong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 04 năm 2016

Sinh viên Ngô Minh Nhựt

18/98 0019m1 |

DANH MUC CAC BANG.W.Q ssssssssssessssssesessneecessnecessnnecessneessnusecesunesssnmcessnecssnneeesnieeessnneeessnseeesanseeesnnesesety VỊ DANH MỤC CÁC CHU VIET TẮTT ++2++t+2E+++22EE1122211112211112E11 2.11 t.trrrrrrri VII

069600 1

1 _ Tổng quan tình hình nghiên cứu - 2-2 ©£©S£+S£+SE+EE+EE+EE£EEE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE.1xEErkrei 1

2 Murcc (0ê) on e 2

3 Phương pháp nghiÊn CỨU - (+ 1x E111 910 10T Tu HH tệp 2

4 _ Đối tượng và phạm vi nghiên Cứu - ¿+ +++E+++E+£+E++E+E£EEt£EEtEEEEEEESEEtEEEEEEEEEESEkrrkrrkrrrvree 2

5 _ Nhiệm vụ nghiÊn CỨU - <1 ni nu TH Ti họ it 3

6 Những đóng góp của đề tài -:-©2+ + cx2 E211 2211211221121121112111111112112111112111211111 11.11 3 91019)/€80109959000.00625011155 4

1.1 TINH TÍCH CUC VA SÁNG TAO CUA HỌC SINH TRONG HỌC TẬP - 5+ 4

1.1.1 Tính tích cực của HS trong học tẬP - < c 111 TT HH cư 4

1.1.2 Tinh sáng tạo của HS trong học tẬP - c5 vn TH TH TH Hà HH Hà HH Thế 4

1.1.3 Phát huy tính tích cực và năng lực sáng tạo trong dạy học vật lí dựa trên phương pháp dạy học

1.2 THÍ NGHIỆM TRONG DAY HỌC VAT LÍ -5¿©2++t+EEE++tSEEEkrtEEkkrrtrkkrrrrrkrrrerriee 7

1.2.1 AI 00a co an cố 7

1.2.2 Vai trò của thí nghiệm trong tiến trình dạy học Vat lÍ - «6 «1xx ng net 8

1.2.3 Quy trình xây dựng và sử dung thí nghiệm trong dạy học vật lÍ «+ +s«+<s«+++2 9

1.3 GIỚI THIỆU VE BỘ THÍ NGHIỆM KET NÓI MAY TÍNH - :-ccccccccvecre 14

1.3.1 Vi điều khiển Atmega328P - 2-22 ©222Ek2EEE2EE221127121122112711211211111211 211cc 14

1.3.2 210 2102900)0)0)) 0000 sa 16

1.3.3 Chuẩn phát sóng radiO - ¿- «2° +©+£++£+EE£EE£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE11111121111 1111, 17 1.4 TONG QUAN VE CẢM BIEN 2£ 52 SESESEkSEE2EEE1211712121121171171111211 2111111 xe 19

1.4.1 Cảm biến do lực -2- 7s SESEEEEE 2 EEEEE71211211271271712121111 1111.11.1111 Ex 1e 19

1.4.2 Cảm biến đo gia tỐC 5 52 SSSE9SEEE2EEE19E1EE1211211211717121121111111171111 111111 1.0 20 1.4.3 Ky thuật lập trình bằng ngôn ngữ Liabview - 2© +£22++2E++Ex2Extrrxerxeerxerrrrrrrrs 23

CHƯƠNG 2: THIET KE VA CHE TẠO PHAN CỨNG CUA BỘ THÍ NGHIỆM . 26

2.3 THIẾT KE MACH PHAT SONG RADIO TRUYEN DU LIỆU -2- 2 2+s+zs+zs+ce2 32

PIN KNOL MQUON -›:¡-4334434 33

2.3.2 Khối xử lí tín hiệu từ cảm DIM eee esc essessesseseceessessesscsscetsatseesessesstsstseesesesstestsscaees 34

2.3.3 Vi điều khiển và phát sóng radio truyền dit liệu 2-2 + 52+s£+x+zx+rxerxezxecreee 34 2.4 MẠCH GIAO TIẾP MAY TÍNH VÀ BỘ THÍ NGHIỆM HOÀN CHỈNH - 35 CHƯƠNG 3: THIET KE GIAO DIEN DAY HỌC - 2-© £ £+SE+SEEE£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrrkrrkd 37

3.1 THIẾT KE GIAO DIỆN DẠY HỌC BANG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LABVIEW 37

3.1.1 Đọc dữ liệu từ phần cứng thông qua chuẩn giao tiếp nối tiếp : 2-¿55z£: 38 3.1.2 Kiểm tra và xử lí các tương tác người dùng trên giao diện dạy học -: 38 3.2 KET QUÁ THIET KE GIAO DIEN DAY HỌC 2-52 + E+EE+E+EEEEEEEEEEEErEerkerkerkereree 38

3.2.1 § 0.0 - 39

3.2.2 Bảng biểu và đồ thị -¿- 55-2222 E21221E21121121121171211211211111111111111 111111 cre 40

3.2.3 _ Thiết lập các thông số đọc dữ liệu - 2-2 5£ ©+£++£++E£EE£EEtEEEEEEEEEEEEEEerkerrkrrkrrkerkerree 41 3.2.4 Các bước thu thập dit liệu từ phần cứng - ¿2 2 + +£+E£+E£+E£+EE+ExtExezEe+zx+rxerxersee 41 CHƯƠNG 4: KHAO SAT VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CUA BO THÍ NGHIỆM 43

4.1 THÍ NGHIỆM CAC ĐỊNH LUẬT CƠ HOC 2 2 + S£2+£+EE+EE£EE£EEtEEezEErrxerxerreree 43

4.1.1 Mục đích thí nghiỆm (11 21 11 1121 v12 TT TH HH HH Hà HH Hư Hư 43

4.1.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 22- 2£ ©++++EE++EEE++EEEtEEE++EEveEEErtrxverxrrrrrrrrrrrre 44

4.2 BÀN LUẬN KET QUA VÀ CÁC Y TƯỞNG KHAI THAC BỘ THÍ NGHIỆM TRONG DAY

KET LUAN 0 57 TAI LIEU THAM KHAO Q vccccccsscssssssessessessecsscssessessvcssessessvssecssessesucssvesecsucsusssessssessuessesaessessseanessesseeseeaeees 60

1 _ Chức năng các chân vi điều khiển Atmega328P - ¿©22+SE+EE£EEtEEEE12EEE717121221 2212k cred 62

DANH MỤC CÁC HÌNH VE

Hình 1 1 Sơ đồ bộ cảm biến kết nối máy tính 2 2 2 + E+£E££E££E£+Ez2E+z£xerxeei 14Hình 1 2 Vi điều khiển Atmega3⁄28P 2-5 Sx9EE‡EE2 2E EEE121121511 2121211 cxeE 15Hình 1 3 Sơ đồ các chân Atmega328P 2-2 ¿St +x+EE#EEEEEEEEEE112121121 7111211 cxeC 15

Hình 1 4 Board Arduino UnO - s6 E611 1 10 019 ng 17Hình 1 5 Module nRFLO1 và sơ d6 các chân -:¿-2++t+vcvvvsrrxtrrrrrrrrrrrrrrrree 18Hình 1 6 Sơ đồ kết nối module nRFL0I với vi điều khiển Atmega 328P 18Hình 1 7 Mach cầu Wheastone và tắm strain Gauge .c.ccecsesssessesssessessesssesseessessessseesses 19Hình 1 8 Mach cầu Wheastone khi các strain gauge bị biến dạng -5:5¿ 20Hình 1 9 Nguyên lý đo gia tốc của cảm biến công nghệ MEMS - 5: 21Hình 1 10 Cảm biến đo gia tốc ADXL335 cccccscsssssssssessessessessesssessessessessessessessesssseseeseess 22

Hình 1 11 Front Panel (a) và Block Diagram (b) của một chương trình 24

Hình 1 12 Khối Block Diagram chương trình đọc dit liệu thông qua công COM 25

Hình 2 1 Sơ đồ bộ thí nghiệm kết nối máy tính bằng sóng radio -: 5:52 26Hình 2 2 Cảm biến đo lực (LoadcelÏ) ¿- se x+SEE£EE£E£EEEEEEEEEeEEEEeEErEeEkrkerkrrerkred 26Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lí mạch khéch đại dùng IC INA 125 .- -:z 27Hình 2 4 Đường cong chuan cảm biến lực là một đoạn thang tuyến tính 28Hình 2 5 Gia tốc trọng trường khi đặt cảm biến xoay theo các hướng khác nhau 30Hình 2 6 Chuẩn cảm biến gia tỐc ¿2 2 ©S©E‡EE£EE2EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrred 30Hình 2 7 Đường cong chuẩn của cảm biến gia tốc theo trục OX -. 2-2 s2 31Hình 2 8 Đường cong chuẩn của cảm biến gia tốc theo trục Oy -2-s- s2 32Hình 2 9 Sơ đồ nguyên lí mạch xử lí tín hiệu cảm biến và phát sóng radio tần số 2.4

Hình 2 10 Sơ đồ kết nối nRFL0I với vi điều khiển c-¿-cccc+cccxccsrcxvereee 34Hình 2 11 Sơ đồ kết nối nRFL01 với Ardunio uno -ccs++ccx+vsvvxvsrrverrrr 35Hình 2 12 Bộ cảm biến đo gia tốc và lực -:-©5¿©52+ 2+EE+EE+EEEEEEEEEEEEEEEExrrkrrkrree 35

Hình 2 13 Bộ thu sóng ra1O - - - - s2 E610 19101 1 910119019 Hà 35

Hình 3 1 Sơ đồ thuật toán chương trình giao điện trên máy tính -s:s¿ 37

Hinh 3 2 Giao dién day cu 39

Hình 3 3 Chức năng tìm ham tuyến 0:0 40Hình 3 4 Hộp thoại xuất file JPIEG 2-2 2® E+EE£+EEEE+EE2EE+EEEEESEEEEEEEEEEErrkrrkrred 40Hình 3 5 Sao chép dữ liệu từ bảng biểu sang chương trình bảng tính Excel 41

Hình 4 4 Đồ thị gia tốc — thời gian (a — t) trong thí nghiệm 2 . -2- ¿5z 48Hình 4 5 Bồ trí thí nghiệm 2.2 -¿- 2 +£©+£+EE+EE+EE£2EE£EEEEEEEEEESEEEEEEEEEEEE21222 2E 49Hình 4 6 Đồ thị gia tốc — thời gian (a — t) trong thí nghiệm 2.2 2-5: 49Hình 4 7 Đồ thị lực — thời gian (F - t) trong chuyên động nhanh dan đều 50Hình 4 8 Thí nghiệm dao động điều hòa 2: 2 2252 £+EE££E£EE£EzE+zEzzxerxered 51

Hình 4 9 Đồ thi F-t trong giao động điều hòa ¿2 2 2+SEcEEeEEeEErErEkrrkrrkrred 51 Hình 4 10 Đồ thị gia tốc — thời gian (a - t) trong dao động điều hda - 52 Hình 4 11 Đồ thị lực — gia tốc (F — a) trong dao động điều hòa -5-5¿ 52

Hình 4 12 Bồ trí thí nghiệm 5 ¿ 2 £SE9SE£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEE217171171.211 1.2 crk 53Hình 4 13 Bồ trí thí nghiệm va chạm đàn hOi c.ccecceccessessessessessessessessessessesseeseessessesseens 55Hình 4 14 Đồ thị vận tốc — thời gian (v — t) trong va chạm đàn 10) 55

DANH MỤC CÁC BANG

1.1 Cac đặc tính nổi bậc của vi điều khiển Atmega328P 151.2 Chức nang các chân cảm biến ADXL335 0 00cccccceeccceeecceeuecceuueceseueess 224.1 So sánh kết quả do vận tốc bằng bộ cảm biến và phương pháp dùng công quang

ADC: Analog Digital Converter — chuyền đổi tương tự sang số

DC : Direct Current — dòng điện một chiều

GV : Giáo viên

HS : Học sinh

IC : Integrated Circuit — mạch tích hợp

LabVIEW: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench - Phòng

thiét bi thi nghiém ao

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm gần gũi và gan liền với cuộc song Dovay, viéc day va thuc hanh thi nghiém vat li dong vai tro quan trong trong viéc hinh thanh

kiến thức, kỹ năng va phát triển tư duy cho học sinh THPT Tuy nhiên do những điều kiệnkhách quan cũng như thiếu thốn về dụng cụ thí nghiệm mà việc đưa thí nghiệm vật lí vàodạy học hay thực hành thí nghiệm vật lí ở các trường THPT còn nhiều khó khăn và hạnchế Đặc biệt là việc sử dụng các bộ thí nghiệm phần Động lực học — Vật lí 10 luôn gặpkhó khăn trong việc xác định các đại lượng như gia tốc, vận tốc và lực tác dụng, Cácphương pháp truyền thống như dùng cần rung điện, đồng hồ hiện số, lực kế thường chokết quả kém chính xác và việc thu nhận xử lí số liệu tốn nhiều thời gian, gây khó khăn

cho việc dạy và học của giáo viên, học sinh.

Hiện nay một số bộ thí nghiệm ghép nối với máy vi tính cùng với các phần mềm

xử lí số liệu thí nghiệm giúp cho việc mà việc đo đạc và xử lí số liệu thí nghiệm trở nênnhanh chóng và dễ dang hon Cu thể như các thiết bị ghép nối và các phần mềm tương

ứng cua Cassy, Phywe (Đức), Pasco, Vernier (Mỹ), Coach (Hà Lan) Tuy nhiên, các bộ

thí nghiệm này chủ do các hãng nước ngoài sản xuất nên giá thành tương đối cao, chươngtrình xử lí số liệu khó sử dụng nên khó trang bị rộng rãi trong dạy và học Vật lí ở Việt

Nam.

Trong chương trình Vật lí lớp 10, GV thường gặp nhiều khó khăn trong việc giảngdạy nội dung phần động lực học Do những khó khăn trong khảo sát các đại lượng tứcthời như lực, gia tốc, vận tốc nên giáo viên thường thuyết trình, diễn giảng và đưa ra côngthức cho học sinh công nhận, chưa chú trọng đến việc tổ chức hoạt động dạy học sử dụngthí nghiệm dé hình thành kiến thức cho học sinh Những khó khăn trên ảnh hưởng đếnviệc phát triển tư duy và tạo niềm tin vững chắc về kiến thức mà học sinh lĩnh hội Gầnđây, một số tác giả thuộc Đại học Tây Nguyên [1] đã nghiên cứu sử dụng nhiều loại cambiến dé chế tạo các thiết bi thí nghiệm vật lí phổ thông và ứng dụng trong giảng day phan

nhiên, các bộ thí nghiệm này thường có dây nối từ máy tính đến vật cần khảo sát làm cho

việc bồ trí thí nghiệm cồng kênh, phức tạp, dẫn đến kết việc thu thập số liệu từ cảm biến

kém chính xác.

Từ những lí do trên, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế,chế tạo bộ cảm biến đo gia tốc và lực sử dụng trong trong dạy hoc Vật lí THPT”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm cảm biến đo lực, cảm biến đo gia tốc và bộ kếtnối với máy vi tính tương thích dé tiến hành các thí nghiệm trong day học vật lí ở trườngphố thông theo hướng tăng cường hoạt động nhận thức tích cực và sáng tao của học sinh

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các tài liệu nguyên lý hoạt động củacác loại cảm biến, lý thuyết truyền nhận dữ liệu bằng sóng radio và lý luận phương pháp

dạy học vật lí THPT.

Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Nhờ giảng viên hướng dẫn đề xây dựng sơ đồ

và câu tạo bộ thí nghiệm.

Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát đặc tính cũng như hoạt động của của cảm

biến, truyền nhận dữ liệu giữa hai board mạch bằng sóng radio trên testboard, từ đó rút ra

ưu nhược điểm và thiết kế mạch hoàn chỉnh Làm thí nghiệm khảo sát, sau đó đánh giá sai

số tương đối, so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết và kết quả từ các bộ thí

nghiệm khác, đánh giá độ chính xác của bộ thí nghiệm.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đôi tượng nghiên cứu: Các cảm biên đo lường, kiên thức điện — điện tử cơ bản, vi

điều khiển AVR, ngôn ngữ lập trình Labview, các nội dung kiến thức vật lí THPT có sửdụng các bộ thí nghiệm ghép nối máy tính

5 Nhiệm vu nghiên cứu

Nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại và việc xây dựng, sử dụng các thiết bị thínghiệm theo hướng phát triển hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinhtrong dạy học vật lí ở trường phô thông

Nghiên cứu các loại cảm biến phục vụ cho việc đo đạc các đại lượng lực và gia

tốc: phạm vi do đạc, mức độ chính xác, phương thức hoạt động.

Nghiên cứu kiến thức điện - điện tử: ngôn ngữ lập trình Labview, bảng mạch điện

tử Arduino, vi điều khiển Atmega328P, module truyền nhận dự liệu bằng sóngradio nRFIO1: cách thức hoạt động, cách lập trình cho arduino và vi điều khiển,giao tiếp giữa hai bảng mạch thông qua sóng radio

Thiết kế giao điện day học trên máy vi tính

Thiết kế và chế tạo được bộ thí nghiệm sử dụng cho phần động lực học

Đánh giá bộ thí nghiệm nhằm rút ra được ưu nhược điểm của bộ thí nghiệm, từ đó

dé xuất hướng cải tiến phù hợp

Những đóng góp của đề tài

Thiết kế được giao diện dạy học trên máy vi tính

Thiết kế, chế tạo được bộ thí nghiệm cảm biến đo lực, gia tốc và bộ kết nối tương

thích.

Xây dung được 5 bài thí nghiệm: kiểm chứng định luật I, II, II Newton, kiểm

chứng dao động điêu hòa của con lac lò xo, kiêm chứng va chạm đàn hôi.

Các biểu hiện của tính tích cực trong học tập:

Tính tích cực trong hoạt động nhận thức của HS thé hiện ở những hoạt động cơ bắpnhưng quan trọng hơn là sự biểu hiện ở hoạt động trí tuệ: hai hình thức biểu hiện nàythường đi liền với nhau Có thể nêu những dấu hiệu của tính tích cực hoạt động trí tuệ như

sau:

— HS khao khát tự nguyện tham gia trả lời câu hỏi của GV, bổ sung câu trả lời của

bạn, thích được phát biểu ý kiến của mình về những van đề nêu ra

— HS hay nêu thắc mắc, đòi hỏi GV phải giải thích cặn kẽ những van đề GV trình

bày chưa đủ rõ.

— HS chủ động vận dụng linh hoạt những kiến thức kỹ năng đã học được dé nhận ra

van đề mới

— HS mong muốn đóng góp với thầy, với bạn những thông tin mới mẻ lấy từ những

nguồn thông tin khác nhau, có khi vượt ra ngoài phạm vi bài học

1.1.2 Tính sáng tạo của HS trong học tập.

Năng lực sáng tạo là khả năng tạo ra những giá trị mới về tinh thần, vật chất, tìm rakiến thức mới, giải pháp mới, công cụ mới, vận dụng thành công những hiểu biết đã cóvào hoàn cảnh mới Như vậy, sản phẩm của sự sáng tạo không thể suy ra từ cái đã biếtbằng cách suy luận logic hay bắt chước làm theo Năng lực sáng tạo gắn liền với kỹ năng,

kỹ xảo và von hiéu biét của chủ thê.

Trong bat cứ lĩnh vực hoạt động nào, càng thành thạo và có kiến thức sâu rộng thìcàng nhạy bén trong dự đoán, đề ra được nhiều dự đoán, nhiều phương án dé lựa chọn,càng tạo điều kiện cho trực giác phát triển Bởi vậy, không thé rèn luyện năng lực sáng

tạo tách rời, độc lập với học tập kiên thức vê một lĩnh vực nao đó.

1.1.3 Phát huy tính tích cực và năng lực sáng tạo trong dạy học vật lí dựa

trên phương pháp dạy học giải quyết vấn đề [1, tr.8 — 10]

Khái niệm dạy học giải quyết vấn đề:

Dạy học giải quyết vấn đề được hiểu theo nghĩa chung nhất là toàn bộ các hànhđộng như: tổ chức các tình huống có vấn dé, nêu ra vấn dé, chú ý những điều cần thiết

để HS giải quyết vấn đề, hướng dẫn, điều khiển việc giải quyết vấn dé của HS, kiểmtra cách giải quyết đó và cuối cùng lãnh đạo quá trình hệ thống hoá và cũng cố kiến

thức thu nhận được.

Dạy học giải quyết vấn đề có tác dụng phát huy hoạt động nhận thức một cáchtích cực của HS, giúp HS chiếm lĩnh được các tri thức khoa học sâu sắc, vững chắc vàvận dụng được các kiến thức đó vào các tình huống cụ thể Đồng thời đảm bảo sự pháttriển trí tuệ, phát triển năng lực sáng tạo của HS trong quá trình học tập Trong dạy họcgiải quyết vấn đề, khái niệm vấn đề dùng để chỉ một khó khăn, một nhiệm vụ nhận thức

mà người học không thé giải quyết được bằng vốn tri thức, kinh nghiệm sẵn có, nghĩa làkhông thể dùng tư duy tái hiện đơn thuần để giải quyết mà phải tìm tòi sáng tạo và khigiải quyết được thì người học đã thi nhận được kiến thức, kỹ năng mới

được hoạt động nhận thức tích cực của HS: đề xuất vấn đề và giải quyết vấn đề đã đềxuất.

Các pha của tiến trình dạy học giải quyết vấn đề:

Để phát huy đầy đủ vai trò tích cực của HS trong hoạt động cá nhân và thảoluận tập thể nham giải quyết van dé cũng như vai trò của GV trong việc tô chức, kiểmtra, định hướng các hoạt động đó thì với mỗi nhiệm vụ nhận thức cần phải được thực

hiện theo các pha:

— Pha thứ nhất: Chuyên giao nhiệm vụ, bất 6n hoá tri thức, phát biểu vấn dé

Trong pha này, GV giao cho HS một nhiệm vụ có tiềm ấn van đề Dưới sựhướng dẫn của GV, HS quan tâm đến nhiệm vụ đặt ra, sẵn sàng nhận và tự nguyệnthực hiện nhiệm vụ Trong quá trình giải quyết nhiệm vụ đó, quan niệm và giảipháp ban đầu của HS được thử thách và HS ý thức được khó khăn Lúc này van déđối với HS xuất hiện, dưới sự hướng dẫn của GV vấn đề đó được chính thức diễn

đạt.

— Pha thứ hai: Hoc sinh hành động độc lập, tích cực, trao đổi, tim tòi giải quyết van

dé Sau khi da phat biểu van đề, HS độc lập hoạt động, xoay sở dé vượt qua khókhăn Trong quá trình đó, khi cần, vẫn phải có sự định hướng của GV Trong quátrình tìm tòi giải quyết van dé, HS diễn đạt, trao đổi với người khác trong nhóm vềcách giải quyết van dé của minh và kết quả thu được, qua đó có thể chỉnh lí, hoànthiện tiếp Dưới sự hướng dẫn của GV, hành động của HS được định hướng phùhợp với tiến trình nhận thức khoa học và thông qua các tình huống thứ cấp khi cần.Qua quá trình dạy học, cùng với sự phát triển năng lực giải quyết vấn đề của HS,các tình huống thứ cấp sẽ giảm dan Sự định hướng của GV chuyên dan từ định

hướng khái quát chương trình hoá (theo các bước tuỳ theo trình độ của HS) tiệm

cận dần đến định hướng tìm tòi sáng tạo, nghĩa là GV chỉ đưa ra cho HS những gợi

ý sao cho HS có thé tự tìm tòi, huy động hoặc xây dựng những kiến thức và cáchthức hoạt động thích hop dé giải quyết nhiệm vụ mà họ đảm nhận GV cần phảinắm vững quy luật chung của quá trình nhận thức khoa học, logic hình thành cáckiến thức vật lí, những hành động thường gặp trong quá trình nhận thức vật lí,những phương pháp nhận thức vật lí phố biến để hoạch định những hành động,thao tác cần thiết của HS trong quá trình chiếm lĩnh một kiến thức hay một kỹ năng

xác định.

— Pha thứ ba: Tranh luận, thé chế hoá, vận dụng tri thức mới Trong pha này, dưới sự

hướng dẫn của GV, HS tranh luận, bảo vệ cái xây dựng được GV chính xác hoá,

bổ sung, thé chế hóa tri thức mới HS chính thức ghi nhận tri thức mới va vậndụng Tổ chức dạy học theo tiến trình trên, GV đã tạo điều kiện thuận lợi để HSphát huy sự tích cực hành động xây dựng kiến thức đồng thời cũng phát huy đượcvai trò tương tác của tập thể HS đối với quá trình nhận thức của mỗi cá nhân HS.Tham gia vào quá trình giải quyết van đề như vậy, hoạt động của HS đã được địnhhướng phỏng theo tiến trình xây dựng kiến thức trong nghiên cứu khoa học Như

vậy, kiến thức của HS được xây dựng một cách hệ thống và vững chắc, năng lực

sáng tao của HS từng bước được phát trién

1.2 THÍ NGHIEM TRONG DAY HỌC VAT LÍ

1.2.1 Thi nghiém vat li

Thí nghiệm vật li trong trường phổ thông là sự phản ánh phương pháp nghiên cứukhoa học trong việc nghiên cứu các hiện tượng vat lí, vì vậy chúng mang những yếu tố cơ

bản của thí nghiệm khoa học vật lí Nhờ các thí nghiệm vật lí, học sinh có được những

quan niệm cơ bản về phương pháp thực nghiệm khoa học [3, tr.26]

Thí nghiệm vật lí học tập được hiểu là sự tái tạo nhờ các dụng cụ đặc biệt các hiệntượng vật lí trên lớp học trong những điều kiện thuận tiện nhất để nghiên cứu chúng Vì

Là phương tiện thông tin học tập, thí nghiệm vật lí đồng thời là phương tiện trựcquan chính được sử dụng khi dạy học vật lí, cho phép hình thành ở học sinh những biểutượng cụ thể, phản ánh đúng đắn trong ý thức của học sinh các hiện tượng, quá trình vàcác định luật liên kết chúng.

Thí nghiệm vật lí nếu được tổ chức đúng sẽ là một phương tiện giáo dục các phamchất cá nhân cho học sinh, như tính kiên trì đạt được mục đích đặt ra, tính thận trọngtrong việc thu nhập các sự kiện và trong công việc sau này Phát triển ở học sinh các kỹnăng quan sát và rút ra trong các hiện tượng được nghiên cứu những dấu hiệu bản chat

1.2.2 Vai trò của thí nghiệm trong tiễn trình dạy học vật líThí nghiệm vật lí là cơ sở để xây dựng, chứng minh kiến thức vật lí

Thí nghiệm là phương tiện kích thích sự hứng thú học tập vật lí, tổ chức quá trình

học tập tích cực, tự chủ và sáng tạo của học sinh Trong quá trình thí nghiệm, học sinh

phải tiễn hành một loạt các hoạt động trí tuệ, thể chất như: thiết kế phương án, kế hoạchthí nghiệm, lập bảng giá trị đo, chọn dụng cụ bố trí và tiến hành thu thập xử lí kết quả thínghiệm, Chính vì vậy thí nghiệm là phương tiện hữu hiệu dé bồi dưỡng năng lực sáng

tạo cho học sinh [1, tr.11].

Thí nghiệm góp phần vào việc phát triển toàn diện của học sinh Việc sử dụng thínghiệm trong dạy học góp phan quan trọng vào việc hoàn thiện những phẩm chất và nănglực của học sinh, đưa đến sự phát triển toàn điện cho người học Trước hết, thí nghiệm làphương tiện nhằm góp phần nâng cao chất lượng kiến thức và rèn luyện kĩ năng, kĩ xảovật lí cho HS Nhờ thí nghiệm HS có thé hiểu sâu hon ban chất vật lí của các hiện tượng,định luật, quá trình được nghiên cứu và do đó có khả năng vận dụng kiến thức vào thực

tiễn của HS sẽ linh hoạt và hiệu quả hơn.

Thí nghiệm vật lí có thé sử dụng như phương tiện dé đề xuất vấn dé; dé cho học

sinh vận dụng, củng cô kiên thức, đê kiêm tra kiên thức vật lí của học sinh.

Thí nghiệm là phương tiện góp phần quan trọng vào việc giáo dục kĩ thuật tổnghợp cho học sinh Thí nghiệm là phương tiện tô chức các hình thức làm việc tập thể khácnhau, bồi dưỡng phẩm chất đạo đức của học sinh Một số thí nghiệm được phân công cho

một nhóm học tiễn hành do vậy đòi hỏi sự phân công phối hợp làm việc tự chủ của mỗi cá

nhân trong tập thé, vì vậy trong quá trình thí nghiệm đã diễn ra một quá trình bồi đưỡngcác phẩm chất đạo đức, xây dựng các chuân mực hành động tập thể

1.2.3 Quy trình xây dựng va sử dụng thí nghiệm trong day học vật lí

1.2.3.1 Qui trình xây dựng thí nghiệm

Quá trình xây dựng TN có thê được tiến hành theo các giai đoạn sau:

— Xác định nội dung kiến thức, kỹ năng mà học sinh cần có được trong quá trình

học tập.

— Xác định các TN cần tiến hành trong dạy học nội dung này

— Tìm hiểu tình hình thực tiễn để xác định được hiện nay đã có những thí nghiệm

nào đã được sử dụng? Việc tiễn hành các thí nghiệm này có những ưu nhượcđiểm gì? Có đáp ứng được các yêu cầu đã nêu trên không, nhất là yêu cầu đốivới việc dạy học phát huy tính tích cực, phát triển năng lực sáng tạo của họcsinh.

1 Giai đoạn nghiên cứu này đi đến kết luận: một số thí nghiệm đã có sẵn và đáp

ứng được các yêu cầu dạy học; một số khác chưa phát huy được vai trò củachúng với hoạt động nhận thức của HS khi sử dụng, cần cải tiến hoàn thiện;không có thí nghiệm nao dé tiến hành

2 Đối với trường hợp cần nghiên cứu cải tiến, hoàn thiện các TN đã có sẵn (nhưng

chưa đáp ứng nhu cầu dạy học) và nghiên cứu thiết kế, chế tạo TN mới thì trong

thuật và yêu cầu về mặt sư phạm.

3 Xây dựng thử TN, tiến hành nhiều lần các TN nhằm đảm bảo TN thành công

Sau đó, cần phân tích, đánh giá TN này dé điều chỉnh thiết kế sao cho TN có théđạt tối đa các yêu cầu về mặt khoa học — kỹ thuật và yêu cầu về mặt sư phạm

4 Đưa TN đã đề xuất vào thực nghiệm sư phạm dé tiép tục xác định những khó

khăn, hạn chế trong quá trình sử dụng nhằm bồ sung hoàn chỉnh TN

5 Sản xuất TN mẫu, soạn tài liệu hướng dẫn, trình Bộ giáo dục và đảo tạo duyệt

dé có thé sản xuất hàng loạt và trang bị cho các trường phổ thông

1.2.3.2 Quy trình sử dung TN trong day học vật lí [3, tr.29-30]

Giai đoạn 1: TN được sử dụng làm xuất hiện vấn đề cần nghiên cứu

Trong giai đoạn làm xuất hiện van đề cần nghiên cứu ở HS, GV có thé sử dụng TN

theo các bước sau:

Bước 1: GV mô tả hoàn cảnh thực tiên tạo nên một van đê lôi cuôn HS và yêu câu

HS dự đoán hiện tượng có thể xảy ra

Bước 2: GV làm một TN hoặc GV cho HS làm một TN đơn giản dé HS thấy được

hiện tượng xảy ra không phù hợp với dự đoán của mình.

Bước 3: GV hướng dẫn HS phát biéu vấn dé của bài học Căn cứ vào trình độ của

HS, vào nội dung bài học mà GV lựa chon va đưa ra mức độ thích hợp nhằm yêucầu HS tự lực phát biểu vấn đề của bài học

Giai đoạn 2: TN được sử dụng dé hỗ trợ việc đề xuất giả thuyết của HS

Trong giai đoạn này TN được sử dụng theo các bước sau:

Bước 1: GV yêu cầu HS đề xuất giả thuyết dé nêu nguyên nhân của van đề đã đượcphát biểu ở giai đoạn trước HS có thê đề xuất giả thuyết dựa trên một số gợi ý

như:

— Dựa vào sự liên tưởng tới một kinh nghiệm đã có.

— Dựa trên sự tương tự.

— Dựa trên sự xuất hiện đồng thời giữa hai hiện tượng mà dự đoán giữa chúng có

môi quan hệ nhân quả.

— Dựa trên nhận xét thấy hai hiện tượng luôn luôn biến đổi đồng thời, cùng tăng

hoặc cùng giảm mà dự đoán vê môi quan hệ nhân quả giữa chúng.

— Dựa trên sự thuận nghịch thường thây của nhiêu quá trình.

— Dự đoán về môi quan hệ định lượng.

Bước 2: Nêu HS vẫn không đề xuất được giả thuyết thì GV sẽ tiến hành một TN décung cấp thêm cho HS mối liên hệ giữa một số đại lượng trong hiện tượng đangnghiên cứu, giúp HS khái quát được những kết quả quan sát được để đưa ra dự

đoán.

Giai đoạn 3: TN được sử dụng dé kiểm tra giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả đượcsuy ra từ giả thuyết

1 Dé rút ra hệ quả từ giả thuyết, GV hướng dẫn HS suy luận lý thuyết Trong giai

đoạn này có thê không cần sử dụng TN

2 Trong đề xuất phương án TN kiểm tra giả thuyết hoặc hệ quả được suy ra từ giả

thuyết, HS phải suy nghĩ, tìm tòi dé tìm ra phương hướng giải quyết van đề

3 Trong giai đoạn này, GV nhất thiết phải sử dụng các TN Quy trình sử dụng TN

của GV trong giai đoạn này có thể theo các bước sau:

cho HS nhớ lại những kiến thức, kinh nghiệm có liên quan.

Bước 2: GV tô chức cho HS đề xuất các phương án TN đề kiểm tra giả thuyết hoặc

hệ quả suy ra từ giả thuyết

Bước 3: GV tổ chức cho HS trao đổi, phân tích tính khả thi của mỗi phương án và

chọn ra phương án có nhiêu triên vọng nhât.

Bước 4: GV hướng dẫn HS lựa chọn thiết bi TN, bố trí dụng cu TN, dự kiến tiếntrình TN GV bồ sung, điều chỉnh một số chi tiết cần thiết dé tăng thêm hiệu quảcủa thiết bị TN

Bước 5: GV tiễn hành TN trên thiết bị TN đã thiết kế Nếu việc tiến hành TNkhông đòi hỏi kỹ năng phức tạp thì GV có thé yêu cầu HS tự tiến hành TN, GV chi

giúp đỡ HS khi HS gặp khó khăn.

Giai đoạn 4: TN được sử dung trong giai đoạn vận dụng kiến thức

1 Dé HS có thé vận dụng được kiến thức một cách sáng tạo, làm cho kiến thức của

HS trở nên sâu sắc, bền vững, GV có thể giao cho HS những nhiệm vụ đòi hỏiphải sử dụng TN theo cách sau:

Cách 1: GV giao cho HS nhiệm vu sử dụng thiết bi TN đã được sử dung dé tiếnhành TN khác hoặc phải sử dụng thiết bị TN có sẵn dé tiến hành TN

Cách 2: GV giao cho HS nhiệm vụ chế tạo dụng cụ TN va tiễn hành TN với nó

2 Trong hai cách sử dụng TN ở giai đoạn vận dụng kiến thức, GV có thể tổ chức

hoạt động của HS dựa theo một SỐ dạng hướng dẫn cụ thé:

— GV cho HS những dung cu TN cần thiết, nêu các bước tiến hành TN va yêu cầu

HS tiến hành TN theo các bước này rồi giải thích các kết quả TN

— GV cho HS những dung cụ cần thiết, nêu các bước tiến hành TN và yêu cầu HS

dự đoán kết quả TN, rồi mới làm TN kiểm tra.

— GV cho HS những dụng cụ TN cần thiết và yêu cầu HS thiết kế tiến trình TN dé

đạt được mục đích đề ra

— HS tự lựa chọn dụng cụ có sẵn, lập tiễn trình TN (gồm bồ trí, các bước tiễn hành

TN, đo kết quả, sử lý kết quả đo) để đạt mục đích đề ra

Việc sử dụng TN theo cả hai cách đã nêu không đơn thuần chỉ tiến hành TN vớicác thiết bị, không phải là sự vận dụng máy móc các kiến thức, kỹ năng đã biết mà phải

có những yếu tố chứa đựng sự sáng tạo của HS, ở một số khâu hoặc ở tất cả các khâu củaviệc sử dụng TN: thiết kế phương án TN, lựa chọn các chi tiết dé thiết kế TN mong muốn,tiến hành TN, xử lý kết quả TN thu được

Trong giai đoạn vận dụng kiến thức, GV có thể lựa chọn cách sử dụng thiết bị TNtrên cơ sở các yêu cầu về nội dung kiến thức, kỹ năng cần đạt được ở HS, trình độ của

HS Quá trình tổ chức hướng dan của GV trong giai đoạn này có thé theo các bước sau:

Bước 1: GV giao cho HS nhiệm vụ sử dụng TN để giải quyết vấn đề đặt ra

Bước 2: GV tô chức cho HS thảo luận dé lựa chọn, thiết kế, chế tạo dụng cụ TN,lập kế hoạch TN

Bước 3: GV hướng dan HS tiến hành TN, thu thập và xử lý kết quả TN

Trong bốn giai đoạn của quy trình sử dụng TN trong dạy học vật lí, TN đóng vaitrò quan trọng nhất ở giai đoạn kiểm tra giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả được suy ra từgiả thuyết Việc kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả suy ra từ giảthuyết đòi hỏi HS (dưới sự hướng dẫn của GV) phải xây dựng được phương án TN đãxây dựng.

ở HS, rèn luyện cho HS kỹ năng đưa ra dự đoán và kỹ năng đề xuất phương án TN kiểmtra mà còn tạo điều kiện rèn luyện kỹ năng thực hành cho HS.

1.43 GIOI THIỆU VE BỘ THÍ NGHIỆM KET NÓI MAY TÍNH

Để đo được các đại lượng vật lí, ta biến đổi các đại lượng không điện của đốitượng do (1) thành các đại lượng điện nhờ các loại cam biến (2) Tính hiệu từ các cảmbiến sẽ được được xử lí để chuyên từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số thông qua bộchuyên đổi ADC của vi điều khiển (3) trên board mạch thứ nhất Giá trị số này sẽ đượcgửi về board mạch thứ 2 thông qua sóng radio tần số 2.4 GHz Board mạch thứ 2 (5) cónhiệm vụ xử lí và gửi dữ liệu về máy tính cá nhân thông qua chuan giao tiếp USB, nhờ đó

mà tín hiệu hiệu sốc từ đối tượng cần đo được tái tạo lại, cung cấp các thông tin về diễnbiến của hiện tượng cần đo Thông qua giao diện người dùng trên máy tính cá nhân,người dùng có thê dễ dàng thực hiện các thao tác thu thập và xử lí số liệu thí nghiệm

Đối tượng Truyền dữ liệu bằng Máy tính +

(4) (6)

Hình 1 1 Sơ đồ bộ cảm biến kết nối máy tính

1.3.1 Vi điều khiển Atmega328P

1.3.1.1 So đồ chânAtmega328P là một vi điều khiển được sản xuất boi hãng Atmel thuộc họMegaAVR Đây là loại vi điều khiển AVR 8 bit công suất thấp

vec C7 2210 GND GND F8 210 AREF (XTAL1/TOSC1) PB6 C] 9 201 avec (XTAL2/TOSC2) PB7 C 10 19 L] PBS (SCK)

(T1) PDS F| 11 18 1) PB4 (MISO)

(AINO) PD6 F| 12

(AIN1) PD7 L| 13 (ICP1) PB0 L| 14

17 5 PB3 (MOSI/OC2)

16 [PB2 (SS/OC1B)

15 Ƒ] PB1 (OC1A)

Hình 1 2 Vi điều khiển Atmega328P inh 1 3 Sơ đồ các chân Atmega328P.

Chức năng các chân vi điều khiển Atmega328P được trình bày ở phụ lục 1

Bảng 1.1 Các đặc tính nổi bậc của vi điều khiển Atmega328P.

Dac diém Đặc tín nôi bac

Bộ nhớ FLASH 32 Kbyte với khả năng ghi xóa 1000 lần

Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa 100,000 lần

Bộ nhớ dữ liệu 2 Kbyte.

Tắt cả các câu lệnh được thực hiện trong một chu kỳ lệnh

Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm

Bộ định thời 2 bộ định thời/bộ đếm (timers/counters ) 8 bit với các chế độ đếm

riêng rẽ và kiêu so sánh

1 bộ định thời/bộ đếm 16 bit với các chế độ đếm riêng rẽ, kiểu sosánh và kiểu bắt sự kiện

Chế độ bậc lại nguồn (reset)

Tích hợp bộ dao động trong với tần số toi đa 8 MHz

Analog 6 kênh chuyền đôi ADC 10 bit

Chuẩn giao tiếp Hỗ trợ chuẩn giao tiếp nối tiếp USART, SPI và I2C.

Code chương trình cho vi điều khiển hoạt động được viết trên phần mềm IDE vànạp bang board mạch Arduino uno Sơ đồ chân và code điều khiển hoạt động của

Hình 1 4 Board Arduino uno.

Arduino uno là dong arduino sử dụng vi điều khiển Atmega328P đóng vai trò là bộ

xử lí trung tâm, do vậy tất cả các thông số kỹ thuật trên board arduino hầu như gần giốngvới vi điều khiển Atmega328P Board Arduino uno được lập trình thông qua công USB,thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB - to — serial, nhờ đó mà giúp cho việc lập trình

và upload chương trình đễ dàng hơn thông qua môi trường lập trình IDE trên nền tảngngôn ngữ C Trong dé tài nay, board arduino uno được sử dụng dé giao tiếp với máy tính

cá nhân thông qua chuẩn USB, đồng thời nó cũng là mạch nhận tín hiệu sóng Radio 2.4GHz từ mạch phát (mạch chuyên đổi tín hiệu từ các cảm biến trên đối tượng cần khảo sát)

dé xử lí và gửi dữ liệu về máy tính cá nhân Code nạp cho Arduino thực hiện giao tiếp vớimáy tính và truyền nhận dữ liệu không dây được tham khảo từ các nguồn thư viện mở củacộng đồng Arduino [12] và được chỉnh sửa cho phù hợp với đề tài

dữ liệu khác nhau, mỗi kênh truyền nhận dữ liệu được thực hiện thông qua một địa chỉ

riêng biệt [1 1, tr.37] Day là ưu điểm nổi bậc so với các các module khác

— Tiêu thụ dòng thấp Tại tốc độ truyền 2 Mbit/s, dòng tối đa là 12 mA Chế độ

nghỉ, module 2.4 GHz tiêu thụ 32 yA.

Cac tính năng chính của module thu phát không dây 2.4 GHz:

— Có thé lựa chon 3 mức tốc độ kết nối là 2 Mbit/s, 1 Mbit/s và 250 Kbit/s

[11,tr.1] Tốc độ càng thấp, thì khả năng thu phát càng xa (khoảng cách xa nhất

có thê đạt là 100 m trong môi trường không vật cản)

— Số kênh kết nói: 6 kênh

— Có sẵn anten trên module.

— Phương thức giao tiếp : SPI

Sơ đồ kết nối các chân của module nRFLO1 với vi điều khiển Atmega 328P như

hình

PCINT0

PCINT1 PCINT2 PCINT3

PCINT4 PCINTS PCINT6 PCINT7

PCINT8

PCINT9

CINT10 CINT11

Hình 1 6 Sơ đồ kết nối module nRFLO1 với vi điều khiển Atmega328P

1.4 TONG QUAN VE CAM BIEN

Cảm biến là thiết bi dùng dé biến đổi các đại lượng không có tính chất điện cần đothành các đại lượng điện có thé đưa vào bộ chuyên đổi ADC va đưa vào máy tính dé xử lýtính toán.

Các đại lượng cần đo m thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, tốc

độ, độ dài ) tác động lên cảm biến cho một đặc trưng s mang tính chất điện (như điện

tích, điện áp, dòng điện ) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng

đo Đặc trưng s là hàm của đại lượng cần đo m: s = F(m)

Người ta gọi s là đại lượng đầu ra hoặc là phan ứng của cảm biến, m là đại lượngđầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc s cho phépnhận biết giá trị của m

1.4.1 Cảm biến đo lực

Cảm biến lực (Loadcell) là loại cảm biến hoạt động dựa vào việc đo độ chênh lệchđiện thế giữa hai điểm trên một mạch cầu khi có lực tác dụng lên cảm biến Mỗi loadcellgồm một vật đàn hồi (thường là khối nhôm được xử lý đặc biệt có hình dạng tùy thuộcvào mục đích sử dụng) đóng vai trò như vật chịu tải (load), trên khối nhôm có dán 4 tắmstrain gauge giống nhau (cell) đóng vai trò như các điện trở mắc thành mach cầu

Wheastone (Hình 1.7) trong đó có 2 strain gauge chịu nén và 2 strain gauge chịu dan.

Hình 1 7 Mach cầu Wheastone và tam strain gauge

mà điện trở R của nó thay đôi khi có tác động của ngoại lực.

Đề cho mạch cầu Wheastone hoạt động cần phải cung cấp một điện áp nuôi Vex(excitation voltage) Nguồn điện này thường có giá trị trong khoảng 3 V — 15 V Ngõ ra

Vo là điện thế chênh lệch giữa 2 nút a và b [2]

_ R33

Yo = ( — Vex (1.1)

Khi không bị tác động lực, điện trở của 4 tam strain gauge (R¡, R2, R3 và R4) bangnhau, nên cầu ở trạng thái cân băng (Vo = 0) Khi bị tac động, vật bi biến dạng, các tắmcảm biến thay đổi điện trở làm cầu mất cân bằng nên xuất hiện ở ngõ ra a, b một điện áp

Hình 1 8 Mạch cầu Wheastone khi các strain gauge bị biến dạng

Điện thé Vo được tính theo công thức (1.2) [2, tr.5]:

R-AR — R+AR AR

1 =(= ~ we) Vex = Vex (1.2)

Từ công thức (1.2) ta thay điện áp ngõ ra của mạch cau tỉ lệ với lượng thay đổiđiện trở của tắm strain gauge Do lượng thay đổi điện trở của strain gauge rất bé nên ta

cân có một mạch khuêch đại điện thê đê có thê thu nhận được tín hiệu đâu ra.

1.4.2 Cảm biến đo gia tốc

1.4.2.1 Giới thiệu về cảm gia do tốc

Cảm biến đo gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc được chế tạo dự trên côngnghệ MEMS - Công nghệ vi cơ [9] Đó là sự tích hợp vi mạch điện tử được chế tạo trênphiến silic với các linh kiện, chỉ tiết vi cơ Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơđiện tử có hai loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở Việc đo gia tốc thông quacảm biến gia tốc MEMS có thé được mô tả như một hệ gồm một khối lượng m và một lò

XO.

y |[Accelerometer

Hình 1 9 Nguyên lý do gia tốc của cảm biến công nghệ MEMS

Khi hệ quy chiếu được gia tốc, gia tốc này được truyền cho khối m thông qua lò

xo Lò xo giãn ra hoặc nén lại và độ dich chuyển này được xác định bởi một cảm biến độdịch chuyền Theo định luật Hooke, lực kéo khối lượng m tỉ lệ với độ biến dạng của lò xo

và có độ lớn F = kx, với k là độ cứng của lò xo, x là khoảng dịch chuyển SO VỚI VỊ trí cânbang Như vậy, dé đo gia tốc ta chỉ cần đo khoảng dịch chuyền x thông qua sử dụng thuộctính điện của tụ điện có hai bản cực song song, khoảng cách giữa hai bản tụ có thé thay

đôi được Nếu gan khối lượng m của cảm biến vào bản tụ nằm giữa hệ hai tụ điện nối tiếp

thì có thể xác định được độ dịch chuyên của nó dưới tác dụng của lực F, tức là xác địnhđược gia tốc thông qua việc xác định sự thay đổi giá trị điện dung

Trong dé tài này, cảm biến đo gia tốc ADXL335 [9] được sử dụng dé đo gia tốccủa đối tượng cần khảo sát Đây là loại cảm biến gia tốc theo công nghệ MEMS do hãngAnalogDevices sản xuất, cho phép xác định một cách độc lập gia tốc theo các phương

trục tọa độ X,Y và Z Tín hiệu ngõ ra là tín hiệu tương tự với điện áp ở mỗi trục trục tỉ lệ

tuyến tính với gia tốc theo phương đó

Hình 1 10 Cam biến do gia tốc ADXL335

Các thông số hoạt động cảm biến gia tốc:

5 | GND | Chan tiép dat

1.4.3 Kỹ thuật lập trình bang ngôn ngữ Labview

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một

phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National Instruments, Mỹ.LabVIEW là môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa conngười, thuật toán và các thiết bị LabVIEW hỗ trợ việc xây dựng và thực thi các thuật toánmột cách nhanh, gon và dễ hiểu nhờ các khối hình anh có tính gợi nhớ và cách thức hoạtđộng theo kiểu dòng đữ liệu (data flow) lần lượt từ trái qua phải Các thuật toán này sau

đó được áp dụng lên các mạch điện và cơ cầu chấp hành thực nhờ vào việc kết nối hệthống thật với LabVIEW thông qua nhiều chuẩn giao tiếp nhờ chuẩn giao tiếp RS232,chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCP/IP, UDP, chuẩn GPIB, LabVIEW hỗ trợ hầuhết các hệ điều hành Windows 2000, XP, Vista, Windows7, Linux, MacOS Vì tính khảthi và mềm dẻo của phần mềm trên, đề tài này lựa chọn ngôn ngữ LabVIEW 2012 dé thiết

kế giao diện dạy học [5, tr.5]

1.4.3.1 Cấu trúc chương trình

Một chương trình Labview đơn giản hay phức tạp đều được tạo nên từ bốn thànhphần cơ bản: các khối điều khiển (Control) đóng vai trò nhập giá trị đầu vào, các chỉ thị(Indicator) dong vai trò hiển thị kết quả, các ham (Function) và các dây nỗi (wire) nối cáckhối và hàm lại với nhau Các Control và Indicator đều có ảnh của chính mình bên trongBlock Diagram, ảnh này tự động tạo ra khi lấy các Control và Indicator ở Front Panel(Hình 1.11) Các Control và Indicator nằm ở cửa số trước (Front Panel) và hàm nằm ởcửa số sau gọi là cửa số chứa các sơ đồ khối (Block Diagram) [1, tr 25]

Hình 1 11 Front Panel (a) va Block Diagram (b) của một chương trình.

Front Panel là nơi giao tiếp giữa người dùng và chương trình, nơi ta có thé thao tácvới chương trình thông qua bàn phím (hoặc chuột) và xem kết quả từ màn hình BlockDiagram là nơi chữa các hàm, mệnh dé, toán tử, chương trình con, giúp thực thi

chương trình.

1.4.3.2 Phương pháp tạo một chương trình giao tiếp và đọc đữ liệu

Dé tạo một chương trình doc dữ liệu từ phan cứng bên ngoài bằng truyền thông nốitiếp ta lần lượt thực hiện các bước sau:

— Sử dụng hàm Visa Resourse name trong thư viện hỗ trợ giao tiếp dé nhận dữ

liệu từ công COM, đặt các thông số tốc độ truyền là 9600 (Baud rate), 8 bit dirliệu (Data bit), thiết lập thời gian (Timeout) cho truyền thông nỗi tiếp

VISA CONFIGURE SERIAL aan mm

No Et lo Error ¥ Luuuu on

Vong lap While doc dữ liệu.

Hình 1 12 Khối Block Diagram chương trình đọc dữ liệu thông qua cổng COM

— Sử dụng thêm hàm VISA Set I/O Buffer Size Function thiết lập cd cho /O

Buffer, chạy ham VISA Configuration Serial Port.

— Ham VISA Read trong cấu trúc Case đọc ngược 200 byte vào trong bộ đệm đọc

(read buffer) Cấu trúc Case — Error checking và Error Handling giúp thực thichương trình nếu không có lỗi và bỏ qua chương trình khi có một lỗi phát sinh.Dùng ham VISA Close dé đóng các sự kiện được cấu hình bởi VISA resource

name Tat cả các hàm chức năng đêu năm trong vòng lặp While.

Sơ đô bộ thí nghiệm kết nối máy tính bằng sóng radio có thể được tóm tắt qua sơ

2.1.1 Yêu cầu chế tạo

— Do được lực tác dụng theo cả 2 chiều kéo và nén

— Sai số tương đối dưới 5%

— Độ nhạy cao.

2.1.2 Chế tạoCảm biến lực (loadcell) được sử dụng có hình dạng như hình 2.2

Khi có lực tác dụng vào loadcell, điện trở của các tam strain gauge bị thay đổi làmxuất hiện hiệu điện thé Vo của mạch cầu Tuy nhiên, do sự thay đôi này rất nhỏ (cỡ vàimV) nên cần phải khuếch đại điện áp Vo để có thé thu nhận được tín hiệu đầu ra (hình

2.3) IC khuếch đại INA125 được sử dụng dé thiết kế mạch khuếch đại vì có độ ồn địnhcao, giảm nhiễu, điện áp hoạt động thấp, có thể cung cấp điện áp 2.5 V cho loadcell hoạtđộng (từ chân 4 hoặc 5) N guồn +5 V được cấp vào chân số 1 và 2, chân 3 và chân 12 nối

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lí mach khéch dai dùng IC INA125

Sự xuất hiện điện thế do lệch cầu được đưa vào chân 6 và chân 7 tương ứng vớicác điện thé V;,*, Vin Điện áp Vou sau khi khuếch đại ở chân số 11 được xác định theo

băng phương pháp chuẩn trực tiếp Treo quả nặng khối lượng từ 50 g đến 600 g đề tạo lựckéo và lực nén tác dụng vào cảm biến và đo điện áp đầu ra Vou Đường cong chuẩn cảmbiến được biéu diễn ở hình 2.4 Sử dụng phần mềm Origin tìm được hàm tuyến tính biểu

diễn mỗi quan hệ tuyến tính giữa Voy và lực F.

Hình 2 4 Đường cong chuẩn cảm biến lực là một đoạn thẳng tuyến tính

Hàm tuyến tính giữa điện thé Vout và lực F: W„„„ = 0,0657F + 0,4672 V (2.2)

Hai đại lượng Vou và F có mỗi quan hệ tuyến tính cao (R°=0.999) Từ (2.2) tìm

được công thức chuyền đổi dé tính lực tác dụng vào cảm biến.

Vout—0,4672

0,0657

F= (2.3)

Điện áp Vou bộ vi điều khiển có thé doc được từ 0 V đến 3.3 V, từ công thức 2.3 tatính được lực mà cảm biến có thé do được nằm nam trong khoảng từ -7 N đến 43 N tươngứng với lực kéo lớn nhất là 43 N và lực nén lớn nhất là 7 N

Tóm lại cảm biến đo lực có các thông SỐ:

— Điện áp đầu ra: 0— 3.3 V

— Độ nhạy: 0.06570+0.00018 V/N.

— Giới hạn đo: Lực kéo < 43 N, lực nén < 7N.

2.2 CẢM BIEN ĐO GIA TÓC

2.2.1 Yêu cầu chế tạo

— Do được gia tốc của chuyên động theo 2 phương X, Y

— Sai số tương đối đưới 3%

— Độ nhạy cao.

2.2.2 Chuẩn cảm biến

Khi cung cấp điện áp hoạt động là 3.3 V thì tín hiệu theo lý thuyết ở mỗi trục sẽthay đổi từ 0 V đến 3.3 V tương ứng với giá trị gia tốc đo được từ -3 g đến 3 g (g là giatốc trọng trường tại nơi làm thí nghiệm) Như vậy, khi gia tốc trên mỗi trục bằng 0 (giá trịzero g) thì điện áp ngõ ra theo lí thuyết là:

3.3

Vout_og = > = 1.65 V

Tuy nhiên, giá trị điện áp zero — g và độ nhạy sensitivity có thé không đúng vớithông số do nhà sản xuất đưa ra nên ta phải kiểm tra lại Cảm biến có thể đo được cả giatốc trọng trường và gia tốc của chuyền động theo 3 phương của trục tọa độ của 3 trục tọa

độ nên ta chuẩn cho cảm biến theo từng trục băng cách đo gia tốc trọng trường Có nhiềuphương pháp dé chuẩn cả biến, tuy nhiên do điều kiện của phòng thí nghiệm nên đề tài sửdụng phương pháp đo hình chiếu gia tốc trọng trường lên một trục khi thay đổi góc