Ứng dụng vi điều khiển Arduino và cảm biến lực để chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu nhằm chế tạo một bộ thí nghiệm cho phép khảo sát lực do từ trường của một nam châm điện chữ U tác dụng lên dòng điện chạy trong các đoạn dây của một cạnh khung dây hình chữ nhật bằng cách sử dụng cảm biến lực và vi điều khiển Arduino.

TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION JOURNAL OF SCIENCE Tập 17, Số (2020): 1327-1335 ISSN: 1859-3100 Vol 17, No (2020): 1327-1335 Website: http://journal.hcmue.edu.vn Bài báo nghiên cứu * ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN LỰC ĐỂ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN ĐOẠN DÂY DẪN THẲNG CĨ DỊNG ĐIỆN Nguyễn Thành Phúc, Lê Lâm Anh Phi, Ngơ Minh Nhựt, Nguyễn Hồng Long, Nguyễn Tấn Phát*, Nguyễn Lâm Duy Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam * Tác giả liên hệ: Nguyễn Tấn Phát – Email: phatnt@hcmue.edu.vn Ngày nhận bài: 12-12-2019; ngày nhận sửa: 07-01-2020; ngày duyệt đăng: 20-8-2020 TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu nhằm chế tạo thí nghiệm cho phép khảo sát lực từ trường nam châm điện chữ U tác dụng lên dòng điện chạy đoạn dây cạnh khung dây hình chữ nhật cách sử dụng cảm biến lực vi điều khiển Arduino Bộ thí nghiệm có khả đo đạc giá trị lực tương tác từ tự động, liên tục với độ sai biệt giá trị tính theo lí thuyết giá trị đo thực nghiệm nhỏ 10% Vi điều khiển Arduino lập trình để thay đổi góc hợp từ trường dịng điện cách tự động Tuy nhiên, sai số phép đo lớn giá trị lực từ nhỏ 2,5mN việc ghi nhận số liệu thực nghiệm chưa hồn tồn tự động hố Nếu khắc phục hạn chế này, thí nghiệm sử dụng để giúp giáo viên phát triển lực vật lí cho học sinh phần lực từ mơn Vật lí 12 thuộc Chương trình giáo dục phổ thơng 2018 Từ khóa: tương tác từ; dịng điện thẳng; Arduino; cảm biến lực; thiết bị thí nghiệm Giới thiệu Vật lí học mơn khoa học thực nghiệm, thí nghiệm đóng vai trị quan trọng việc giảng dạy học tập môn Vật lí Khơng giúp người học hiểu sâu kiến thức lí thuyết, thí nghiệm cịn góp phần làm tăng thêm tính hấp dẫn mơn học, rèn luyện phát triển lực vật lí tư nhạy bén với tượng vật lí cho học sinh Trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018, kiến thức từ trường lực từ mơn Vật lí lớp 12 chiếm thời lượng đáng kể (khoảng 18 tiết) (Ministry of Education and Training, 2018) Tuy nhiên, kiến thức lại tương đối trừu tượng, khó hiểu học sinh, địi hỏi giáo viên cần phải sử dụng thí nghiệm để mơ tả giải thích cho học sinh Hiện nay, thí nghiệm khảo sát lực từ cảm ứng từ PTVL2038 [Book and Educational Equipment Joint Stock Company of Ho Chi Minh City, 2019] trang bị nhiều trường trung học phổ thông địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh Mặc dù thí Cite this article as: Nguyen Thanh Phuc, Le Lam Anh Phi, Ngo Minh Nhut, Nguyen Hoang Long, Nguyen Tan Phat, & Nguyen Lam Duy (2020) The application of arduino microcontroller and force sensor in fabricating an apparatus examining magnetic force acting on a current-carrying straight wire Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, 17(8), 1327-1335 1327 Tập 17, Số (2020): 1327-1335 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM nghiệm khảo sát phụ thuộc lực từ theo góc hợp từ trường dịng điện việc hiệu chỉnh cân đòn đến vị trị cân đòi hỏi thao tác cẩn thận người làm thí nghiệm, lực kế có độ xác khơng cao hạn chế thí nghiệm Ngồi ra, thị trường cịn có thí nghiệm EX-9933 (Pasco, 2019) kết hợp sử dụng dụng cụ đo số Công ty thiết bị giáo dục Pasco sản xuất Giáo viên học sinh sử dụng thí nghiệm lớp học nhờ ưu điểm nhỏ gọn kết đo đạc có độ xác cao Tuy nhiên, thí nghiệm chưa trang bị rộng rãi giá thành cao, không phù hợp với thực tế hầu hết trường phổ thông Ngày nay, việc ứng dụng khoa học, công nghệ vào giảng dạy xu tất yếu việc đổi phương pháp dạy học Vật lí Nhiều nghiên cứu nước (Nguyen et al., 2018, p.92-97; Ngo et al., 2018, p.113-122; Nguyen et al., 2019, 81-89) ứng dụng cảm biến, vi điểu khiển để chế tạo thí nghiệm giúp cho việc đo đạc, xử lí số liệu thuận lợi dễ dàng Do đó, với mục đích chế tạo thí nghiệm có khả ứng dụng vào trình dạy học phát triển lực mơn Vật lí lớp 12, báo trình bày kết nghiên cứu chế tạo thí nghiệm khảo sát lực từ trường tác dụng lên dịng điện chạy qua dây dẫn thẳng có sử dụng vi điều khiển Arduino, cảm biến lực linh kiện điện tử có thị trường Việt Nam để khảo sát tự động lực từ với độ xác cao, hỗ trợ người dùng việc thao tác, vấn đề xử lí số liệu, vẽ đồ thị để so sánh với kết từ lí thuyết Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Cơ sở lí thuyết mơ hình thí nghiệm Hình (a) Cơ sở lí thuyết (b) mơ hình thí nghiệm Mơ hıǹ h bô ̣ thı́ nghiê ̣m đươ ̣c mô tả Hıǹ h gồm nam châm điện chữ U gắn chặt vào động bước xoay quanh trục OO’ (Hình 1a); khung dây có đầu gắn cố định vào cảm biến lực, đầu lại đặt vùng từ trường tạo nam châm Khi có dịng điện chạy qua, nam châm điện tạo từ trường có cảm ứng từ B, tác dụng lực từ F lên đoạn dây dẫn thẳng có dịng điện cường độ I chạy qua đặt vùng từ trường Theo định luật Ampere, lực từ F xác định bởi: F = IBl sin α (2.1) 1328 Nguyễn Thành Phúc tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM đó, l α chiều dài đoạn dây góc hợp phương từ trường dịng điện Trong mơ hình này, góc α thay đổi liên tục động bước quay khung dây ABCD theo trục OO’, cảm ứng từ B cường độ dòng điện I chạy qua dây dẫn điều khiển hệ thống điều khiển trung tâm Do tính chất đối xứng, lực từ tác dụng lên cạnh AD BC cân nhau, giá trị mà cảm biến lực đo đạc lực từ tác dụng lên cạnh CD khung dây Mơ hình nghiên cứu mối liên hệ lực tương tác từ F góc α so sánh mối liên hệ với biểu thức thức lí thuyết (2.1) Định luật Ampere 2.2 Hệ thống điều khiển trung tâm Hình mô tả hệ thống điều khiển trung tâm, vi điều khiển Arduino có nhiệm vụ ghi nhận giá trị cảm biến lực sau khuếch đại tín hiệu; điều khiển cường độ dịng điện qua nam châm điện khung dây thông qua hệ thống điều khiển cường độ dòng điện Đồng thời, vi điều khiển Arduino điều khiển động bước để làm quay nam châm Các kết thí nghiệm hiển thị hình LCD thơng số thực thí nghiệm điều chỉnh thơng qua nút nhấn Động bước LCD nút nhấn Nam châm điện hình chữ U Vi điều khiển Arduino Hệ thống điều khiển cường độ dòng điện Cảm biến lực hệ thống khuếch đại tín hiệu Khung dây Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển trung tâm 2.3 Hệ thống điều khiển cường độ dòng điện Hệ thống điều khiển cường độ dịng điện (Hình 3) sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán OpAmp (Operational Amplifier) LM324 transistor hiệu ứng trường MOSFET N-Chanel Khi Mosfet chuyển từ trạng thái ngắt sang trạng thái dẫn tín hiệu điều khiển từ Arduino Vc khuếch đại OpAmp LM324, dòng điện từ nguồn điện qua điện trở R3 nam châm khung dây (Hình 3a) Vì dòng điện qua hai điện trở R1 R2 nhỏ nên cường độ dòng điện qua nam châm khung dây với dòng điện qua điện trở R3, xác định công thức: I VC R3 (2.2) 1329 Tập 17, Số (2020): 1327-1335 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Hình (a) Sơ đồ hệ thống điều khiển cường độ dòng điện sử dụng (b) OpAmp khuếch đại LM324 (c) Mosfet N-Chanel IRF640 2.4 Cảm biến lực hệ thống khuếch đại tín hiệu Cảm biến lực thiết bị dùng để chuyển đổi lực trọng lượng thành tín hiệu điện Trong nghiên cứu này, cảm biến lực Wãgezellen 104 0,3kg (Hình 4a) sử dụng có độ bền cao, độ nhạy 0,9mV/V phù hợp với mơ hình thí nghiệm Tín hiệu ngõ cảm biến lực khuếch đại vi mạch khuếch đại vi sai INA125P (Hình 4b) chuyển đổi từ dạng tín hiệu tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital) chuyển đổi ADC ADS1115 (Hình 4c) trước đưa vào vi điều khiển Arduino Hệ thống khuếch đại tín hiệu hoạt động ổn định, tiêu hao lượng, có khả khuếch đại lên tới 10.000 lần cho sai số giá trị lực đo đạc 0,2mN Hình (a) Cảm biến lực Wãgezellen 104 0,3kg hệ thống khuếch đại tín hiệu sử dụng (b) IC khuếch đại vi sai INA125P (c) chuyển đổi ADC ADS1115 Kết bàn luận 3.1 Bộ thí nghiệm hồn chỉnh Bộ thí nghiệm hồn chỉnh mơ tả Hình Để đảm bảo bền vững, rung động ảnh hưởng đến kết đo, khung nhôm (8) nghiên cứu thiết kế chế tạo để chứa tồn hệ thống thí nghiệm Cảm biến lực (1) gắn cố định vào khung nhơm Khung dây (2) gồm 10 vịng dây, kích thước 4cm × 9cm với cạnh gắn cố định vào cảm biến lực cạnh nằm vùng từ trường nam châm chữ U (3) tạo Tấm nhôm (4) cố định với khung nhôm với mục đích làm bệ đỡ cho nam châm điện chữ U bảo vệ hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến lực điều chỉnh dòng điện qua khung dây nam châm điện thông qua hệ thống dây dẫn Các mica (9) ốp vào khung nhơm góp phần làm chắn thí nghiệm, hạn chế tác động ngoại vi tác dụng vào cảm biến lực trình đo, giúp việc đo đạc xác Hai cơng tắc (6) đảo chiều dịng điện qua nam châm điện hình chữ U khung dây Màn hình LCD 16×2 (5) nút nhấn (7) hiển thị kết đo thay đổi thông số q trình làm thí nghiệm 1330 Nguyễn Thành Phúc tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Hình Bộ thí nghiệm hồn chỉnh bao gồm: (1) cảm biến lực; (2) khung dây 4cm × 9cm; (3) nam châm điện; (4) giá đỡ; (5) hình LCD 16×2; (6) công tắc đảo chiều; (7) nút nhấn; (8) hệ thống khung nhôm (9) mica 3.2 Khảo sát từ trường tạo nam châm điện Theo lí thuyết xây dựng phần 2.1, từ trường hai kim loại nam châm điện chữ U từ trường Tuy nhiên thực tế, từ trường khơng Ngồi ra, có lực từ tác dụng lên cạnh khung dây nên ảnh hưởng tới kết đo cảm biến lực Do đó, việc khảo sát từ trường nam châm điện chữ U tạo cần thiết Tiến hành khảo sát từ trường vùng khơng gian có kích thước 12cm × 10cm × 9cm với hệ toạ độ biểu diễn Hình 6a cường độ dịng điện qua nam châm có giá trị 0,5A 1,0A Giá trị cảm ứng từ đo đạc đầu dò từ trường hãng Leybold sản xuất (Hình 6b) với độ xác 0,01mT giới hạn đo 20T Kết đo đạc biểu diễn đồ thị Hình Hình Khảo sát từ trường nam châm điện hình chữ U t ạo với hệ toạ độ mô tả hình (a) thiết bị đo cảm ứng từ (b) 1331 Tập 17, Số (2020): 1327-1335 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Hình Đồ thị biểu diễn giá trị cảm ứng từ nam châm điện chữ U gây cường độ dòng điện qua nam châm điện 0,5A (a) 1,0A (b) Có thể thấy rằng, từ trường nam châm điện chữ U tạo khơng có chênh lệch tương đối lớn mặt phẳng chứa cạnh cạnh khung dây Tuy nhiên, giá trị cảm ứng từ mặt phẳng tương đối đồng đều, giá trị lực từ tác dụng lên khung dây xác định cách tính trung bình giá trị cảm ứng từ mặt phẳng chứa cạnh cạnh Các giá trị thể Bảng Bảng Giá trị cảm ứng từ trung bình mặt phẳng chứa cạnh cạnh khung dây giá trị cường độ dòng điện qua nam châm khác Cường độ dòng điện qua nam châm (A) Cảm ứng từ trung bình cạnh Bd (mT) Cảm ứng từ trung bình cạnh Bt (mT) I = 0,5 I = 1,0 I = 1,5 I = 2,0 6,72 13,26 19,01 25,40 1,61 3,12 4,72 6,14 Tỉ số Bd Bt 4,17 4,10 4,03 4,13 Từ Bảng 1, giá trị trung bình cảm ứng từ mặt phẳng chứa cạnh cạnh khung dây tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện qua nam châm Quan trọng hơn, tỉ số giá trị cảm ứng từ trung bình mặt phẳng chứa cạnh cạnh gần số cường độ dòng điện qua nam châm thay đổi, giá trị sử dụng tính tốn giá trị lực từ tác dụng lên khung dây 3.3 Thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên khung dây đặt từ trường Thực thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên khung dây đặt từ trường giá trị cường độ dòng điện qua nam châm khung dây khác để đánh giá ổn định xác thí nghiệm Vì khung dây gồm N vòng dây lực từ tác dụng lên cạnh cạnh khung dây nên công thức (2.1) viết lại thành: ( ) F NI Bd − Bt l sin α = (3.1) đó, Bt Bd cảm ứng từ trung bình mặt phẳng chứa cạnh cạnh khung dây liệt kê Bảng Động bước điều khiển để làm quay nam châm quanh trục với bước quay 50 đo lực từ vị trí tương ứng Tiến hành thí nghiệm với cường độ dòng điện qua nam châm khung dây tăng dần từ 0,5A đến 2,0A Các kết thu đo đạc thể đồ thị Hình 1332 Nguyễn Thành Phúc tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Hình Các điểm thực nghiệm đường khớp hàm biểu diễn phụ thuộc lực từ tác dụng lên khung dây cường độ dòng điện qua nam châm tăng dần từ 0,5A đến 2,0A Khớp điểm thực nghiệm đo đạc theo hàm: (3.2) A số Y, X lực tương tác từ góc α hợp phương từ trường dịng điện So sánh cơng thức (3.1) (3.2) thì: ( ) = A NI Bd − Bt l (3.3) độ lớn lực từ cực đại tác dụng lên khung dây Các kết thực nghiệm liệt kê Bảng Bảng Kết thí nghiệm khảo sát giá trị lực từ cực đại tác dụng lên khung dây N = 10 vòng dây; l = 0,04 m Inam châm (A) Bd  Bt (mT) 0,5 5,11 1,0 10,14 (mN) Hệ số tương quan (%) Độ sai biệt δ (%) 1,2 2,3 3,3 4,1 2,2 98,3 98,9 99,4 99,2 99,7 20 15 6,5 2,5 10 Ikhung dây (A) Fmax lí thuyết Fmax thực nghiệm (mN) 0,5 1,0 1,5 2,0 0,5 1,0 2,0 3,1 4,0 2,0 1333 Tập 17, Số (2020): 1327-1335 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM 1,5 14,29 2,0 19,26 1,0 1,5 2,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0,5 1,0 1,5 2,0 4,1 6,1 8,0 2,9 5,7 8,6 11,4 3,9 7,7 11,6 15,4 4,3 6,7 8,8 2,8 5,5 8,5 11,1 3,6 7,2 11,7 15,3 99,9 99,4 99,6 99,7 99,9 99,4 99,6 99,7 98,7 99,5 99,2 4,9 9,8 10 3,4 3,5 1,2 2,6 7,7 6,5 1,0 1,0 Từ Bảng 2, hệ số tương quan liệu thực nghiệm đường khớp hàm cao, giá trị thấp 98,3%, chứng tỏ mối quan hệ lực tương tác từ F góc α hợp phương từ trường dịng điện theo qui luật hàm sin, phù hợp với công thức lí thuyết (2.1) (3.1) xây dựng Điều khẳng định giá trị thu từ cảm biến lực có độ xác cao đáng tin cậy Ngoài ra, độ sai biệt δ lực từ cực đại Fmax theo lí thuyết thực nghiệm nhỏ 10%, có hai trường hợp Bảng 2, chứng tỏ cảm biến lực chưa đủ độ nhạy để đo đạc xác lực có giá trị nhỏ 2,5mN Đây điều cần cải tiến thí nghiệm Kết luận Từ kết thu được, thấy thí nghiệm hoạt động ổn định, sai số tương đối khơng q 10% Ngồi ra, thí nghiệm cho phép ta kiểm chứng thực nghiệm mối quan hệ lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện với đại lượng vật lí khác suy từ tính tốn lí thuyết, thơng qua hệ số tương quan thu khơng 98,3% Tuy nhiên, thí nghiệm cịn tồn số hạn chế cảm biến lực chưa thể đo đạc xác giá trị nhỏ 2,5mN thí nghiệm chưa thể hoàn toàn tự động cập nhật giá trị lên máy vi tính Nếu cải tiến hạn chế này, thí nghiệm sử dụng vào q trình dạy học phát triển lực vật lí cho học sinh từ trường chương trình Vật lí 12  Tuyên bố quyền lợi: Các tác giả xác nhận hồn tồn khơng có xung đột quyền lợi  Lời cảm ơn: Chúng xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện nghiên cứu thông qua Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường mã số CS.2018.19.52 1334 Nguyễn Thành Phúc tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM TÀI LIỆU THAM KHẢO Book and Educational Equipment Joint Stock Company of Ho Chi Minh City (9/12/2019) An apparatus about magnetic force and electromagnetic induction [Bo thi nghiem luc tu va cam ung dien tu] Retrieved from: https://www.stb.com.vn/vi/thia-t-ba-thpt/vat-li-thpt/bo-tn-luctu-va-cam-ung-dien-tu.html Pasco (9/12/2019) Magnetic Forces on Wires Experiment Retrieved from: https://www.pasco.com/prodCatalog/EX/EX-9933_magnetic-forces-on-wiresexperiment/index.cfm Ministry of Education and Training (2018) Chuong trinh giao duc thong mon Vat li [Physics General Education Curriculum] Hanoi Ngo, M N., & Nguyen, L D (2018) Ung dung cong nghe Bluetooth va cam bien anh sang de thiet ke he thong ve cuong van giao thoa, nhieu xa [Applying Bluetooth wireless technology and light intensity sensor to fabricate a light interfering drawing system] Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, 15(12), 113-122 Nguyen, T P., Phan, N H., Tran, T P., Ngo, M N., & Nguyen, L D (2018) Che tao bo thi nghiem dac tu dong dac tuyen Volt-Ampere mot so linh kien dien tu nham phuc vu giang day Vat li 11 trung hoc thong [Fabricating an experimental system to automatically measure I-V curves of some devices for teaching in high school (Grade 11)] Journal of Science The University of Danang – University of Science and Education, 298(3), 92-97 Nguyen, T P., Quach, U L., Ngo, M N., & Nguyen, L D (2019) Ung dung cam bien luc va vi dieu khien Arduino de thiet ke bo thi nghiem khao sat he so ma sát [The application of force sensor and Arduino microcontroller in designing an apparatus examining the frictional coefficient] Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, 16(4), 81-89 THE APPLICATION OF ARDUINO MICROCONTROLLER AND FORCE SENSOR IN FABRICATING AN APPARATUS EXAMINING MAGNETIC FORCE ACTING ON A CURRENT-CARRYING STRAIGHT WIRE Nguyen Thanh Phuc, Le Lam Anh Phi, Ngo Minh Nhut, Nguyen Hoang Long, Nguyen Tan Phat*, Nguyen Lam Duy Physics Department, Ho Chi Minh City University of Education, Vietnam Corresponding author: Nguyen Tan Phat – Email: phatnt@hcmue.edu.vn Received: December 12, 2019; Revised: January 07, 2020; Accepted: August 20, 2020 * ABSTRACT An apparatus, which is fabricated by using Arduino microcontroller and force sensor, is used to examine the magnetic force on the current-carrying rectangular wire frame caused by the magnetic field generated by a U-shaped electromagnet This apparatus can measure the magnetic force automatically and continuously with less than 10% error between theory and experiment The Arduino microcontroller is programmed to rotate the electromagnet around a fix axis, i.e changing the angle formed by the direction of the magnetic field and the electric current However, the force sensor has not been optimal in below 2,5mN force regime and the data acquisition has not been fully automated Once these limits are overcome, high-school teachers can use this apparatus to develop students’ competencies in Physics grade 12 of General Education Program 2018 Keywords: magnetic field; current-carrying wire; Arduino; force sensor; experimental apparatus 1335 ... cứu chế tạo thí nghiệm khảo sát lực từ trường tác dụng lên dòng điện chạy qua dây dẫn thẳng có sử dụng vi điều khiển Arduino, cảm biến lực linh kiện điện tử có thị trường Vi? ??t Nam để khảo sát. .. độ dòng điện qua nam châm thay đổi, giá trị sử dụng tính tốn giá trị lực từ tác dụng lên khung dây 3.3 Thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên khung dây đặt từ trường Thực thí nghiệm khảo sát lực. .. đặt vùng từ trường tạo nam châm Khi có dịng điện chạy qua, nam châm điện tạo từ trường có cảm ứng từ B, tác dụng lực từ F lên đoạn dây dẫn thẳng có dịng điện cường độ I chạy qua đặt vùng từ trường