Ứng dụng vi điều khiển arduino và cảm biến lực chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ LÊ LÂM ANH PHI ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN LỰC CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN THẲNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VẬT LÍ 11 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ LÊ LÂM ANH PHI ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN LỰC CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DỊNG ĐIỆN THẲNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VẬT LÍ 11 Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 105 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC ThS NGUYỄN TẤN PHÁT TP HỒ CHÍ MINH – 2019 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG TỔNG QUAN CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng đặt tron 2.1.1 Công thức 2.1.2 Đồ thị 2.1.3 Các đại lượng cần kiểm chứng, đo đạc 2.2 Vi điều khiển Arduino Nano 2.2.1 Lịch sử hình thành 2.2.2 Cấu tạo vi điều khiển Arduino Nano CH340 2.2.3 Chức mạch Arduino Nano CH340 mơ hình 2.3 Cảm biến lực (Loadcell) 2.4 IC khuếch đại đo lường INA125P 2.5 Một số linh kiện khác 2.5.1 Động điện chiều 2.5.2 Mạch tạo dao động sử dụng IC555 2.5.3 Hệ truyền động bánh 2.5.4 Relay 2.5.5 Encoder 2.5.6 LCD 16x02 – I2C CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Mơ hình thí nghiệm 3.1.1 Hệ học 3.1.2 Nam châm điệ 3.1.3 Hệ thống truyền động 3.1.4 Hệ đồng hồ biến trở điều chỉnh dòng điện 3.2 Mạch điện tử 3.2.1 Nguyên lí hoạt động mạch điện tử 3.2.2 Chức phận hệ thống 3.3 Mạch điện tử hoàn chỉnh 3.3.1 Cách sử dụng mạch điện tử 25 3.4 Kết đo đạc 26 3.4.1 Khảo sát từ trường bên nam châm chữ U 26 3.4.2 Khảo sát lực từ tác lên dòng điện thẳng 32 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 PHỤ LỤC 42 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bộ thí nghiệm đo lực từ, cảm ứng từ Công ty Cổ phần Sách Thiết bị trường học TP Hồ Chí Minh (a) [1], Cơng ty TNHH Ngày Chủ Nhật (SUNDAY) (b) [2] Công ty Pasco (Mỹ) (c, d) sản xuất [3] Hình 1.2 Bộ thí nghiệm đo lực từ hệ thống cân điện tử nhóm sinh viên Trần Trọng Tân Nguyễn Khánh – Khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm TP.Hồ Chí Minh [4] Hình 2.1 Sơ đồ thể lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng có dịng điện chạy qua Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ lực từ F theo góc (a) theo sin (b) theo lý thuyết Hình 2.3 Vi điều khiển Arduino Nano CH340 (a) sơ đồ chân (b) [6] .9 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lí mạch cầu Wheatstone loadcell (a) [8] hình ảnh mơ cấu tạo cảm biến lực – loadcell (b) [9] 12 Hình 2.5 IC khuếch đại đo lường INA125P (a) sơ đồ chân (b) 13 Hình 2.6 Mơ hình ngun lí hoạt động động DC 14 Hình 2.7 IC NE555 (a) sơ đồ chân (b) 14 Hình 2.8 Sơ đồ mạch nguyên lí mạch dao động đa hài [11] 15 Hình 2.9 Đồ thị sóng vuông cấp cho động DC hoạt động [11] 16 Hình 2.10 Nam châm điện bánh trục (a), hệ thống ba bánh truyền động động DC (b) 16 Hình 2.11 Relay (a) sơ đồ chân (b) [13] 17 Hình 2.12 Mơ hình ngun lí hoạt động encoder [15] 18 Hình 2.13 Màn hình LCD 16x02 (a) module I2C (b) 18 Hình 3.1 Hệ học thơng số kích thước 20 Hình 3.2 Nam châm chữ U tích hợp cổ góp (a) hệ thống chổi than kết nối với nguồn vào (b) 21 Hình 3.3 Hệ động truyền động thí nghiệm 22 Hình 3.4 Hệ đồng hồ đo điều chỉnh chiều, cường độ dòng điện qua nam châm (số 1) khung dây (số 2) 22 Hình 3.5 Sơ đồ ngun lí hệ điện tử mơ hình 23 Hình 3.6 Mạch điện tử sau hàn linh kiện 24 Hình 3.7 Vùng từ trường khảo sát bên nam châm điện 27 Hình 3.8 Đầu dò đo cảm ứng từ trước (a) sau reset (b) 28 Hình 3.9 Hệ đo cảm ứng từ lắp đặt tiến hành đo cách di chuyển hệ theo ba trục x, y, z 29 Hình 3.10 Đồ thị ba chiều biểu diễn độ lớn cảm ứng từ hai kim loại nam châm dịng điện qua nam châm có cường độ 0.5A (a) 1.0A (b) 30 Hình 3.11 Bố trí hệ đo lực từ 32 Hình 3.12 LCD hiển thị chuyển sang mode ghi nhận kết đo 33 Hình 3.13 LCD chuyển sang mode hiển thị giá trị ghi nhận 34 Hình 3.14 Đồ thị phụ thuộc giá trị lực từ F vào góc quay α (a) đồ thị phụ thuộc lực từ theo sinα (b) Inam châm = 0.5A 34 Hình 3.15 Đồ thị phụ thuộc giá trị lực từ F vào góc quay α (a) đồ thị phụ thuộc lực từ theo sinα (b) Inam châm = 1.0A 35 DANH MỤC BẢNG Bảng Các thông số kỹ thuật bật Arduino Nano CH340 .10 Bảng Bảng thống kê linh kiện mạch điện tử 24 Bảng Độ lớn cảm ứng từ trung bình cạnh (z = 5cm) cạnh (z = 14cm) khung dây 31 Bảng Hệ số góc đồ thị ứng với mức cường độ dòng điện 36 Bảng Kiểm chứng giá trị độ lớn cảm ứng từ từ thực nghiệm đo đạc tính tốn 37 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy Nguyễn Tấn Phát, người dìu dắt, hướng dẫn tơi suốt q trình thực khóa luận Thầy hỗ trợ, hướng dẫn thứ động viên tinh thần lúc tơi gặp khó khăn, để giúp tơi hồn thành tốt khóa luận Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Lâm Duy, người thường xuyên quan tâm, nhắc nhở, hỗ trợ ý tưởng kỹ thuật để tơi cải tiến mơ hình hoạt động thật tốt Bên cạnh tơi xin gửi lời tri ân đến Thầy Nguyễn Hoàng Long Thầy Ngơ Minh Nhựt hỗ trợ mặt khí, điện tử từ ngày đầu bắt tay vào xây dựng mơ hình Sẽ thiếu sót thiếu lời tri ân từ đáy lòng đến Thầy, Cô giảng viên Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh nói chung Thầy, Cơ khoa Vật Lý nói riêng – người giúp tơi trang bị kiến thức tốt, đặt tảng vững để tơi hồn thành khóa luận Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè – người bên cạnh, quan tâm san sẻ tạo động lực giúp thực khóa luận Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng năm 2019 Sinh viên Lê Lâm Anh Phi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất số liệu, hình ảnh kết thu khố luận tơi thực Khố luận tốt nghiệp sản phẩm đề tài Nghiên cứu khoa học cấp sở mã số CS.2018.19.52 TS Nguyễn Lâm Duy chủ trì -56.25 -54.11 -57.65 -58.45 -57.49 -55.87 -54.46 -57.77 -62.72 -57.74 -56.43 -62.85 -60.40 -59.62 -57.76 -46.10 -47.60 -45.66 -50.69 -41.40 -42.16 -44.31 -41.05 -41.49 -46.94 -43.25 -38.47 -35.05 -37.95 -32.71 -27.68 -31.54 -31.28 -27.24 -18.66 -19.13 -18.25 -15.91 -12.49 -8.45 -11.58  Trường hợp Inam châm = 1.0A, Ikhung dây = 0.5A Lần Lần 2.96 11.27 17.92 10.76 8.55 15.18 26.95 31.60 22.19 18.53 27.85 21.76 29.71 29.15 32.85 36.50 37.96 38.91 43.90 39.75 41.64 39.90 42.18 43.55 46.84 52.25 47.27 45.44 48.03 42.78 44.99 50.30 54.00 58.16 54.52 58.65 59.60 51.95 51.77 51.45 51.75 43.44 46.54 51.52 47.28 44.78 40.28 49.15 43.14 53.04 41.74 46.74 36.87 44.72 37.62 47.12 40.24 39.17 35.78 39.98 40.70 40.05 28.62 37.28 31.33 28.16 23.37 22.81 19.86 25.92 20.16 19.13 21.23 10.22 15.10 14.20 7.09 6.54 9.37 1.99 0.14 4.05 2.33 -7.19 -3.33 -3.02 -2.79 -12.79 -5.26 -11.37 -12.35 -11.44 -15.01 -15.76 -20.43 -29.02 -28.73 -25.75 -30.22 -27.76 -31.61 -30.44 -38.23 -37.89 -30.66 -27.47 -36.97 -37.21 -38.69 -36.85 -38.50 -38.97 -43.03 -43.34 -49.54 -46.68 -46.68 -45.47 -45.84 -48.23 -41.84 -44.49 -45.19 -46.08 -45.92 -41.22 -41.00 -50.26 -40.15 -44.38 -47.34 -45.79 -44.42 -42.09 -40.84 -46.17 -44.81 -40.64 -40.76 -44.14 -38.58 -37.11 -37.24 -31.33 -36.21 -32.91 -27.44 -28.15 -30.84 -30.87 -24.69 -20.95 -24.71 -24.06 -23.96 -9.02 -11.79 -7.30 -16.26 -4.11 -6.52 -0.31 -1.76 -0.20  Trường hợp Inam châm = 1.0A, Ikhung dây = 1.0A Lần Lần -2.04 3.07 10.48 11.42 24.01 23.26 29.78 22.66 31.94 28.06 34.98 34.94 37.62 41.10 44.21 54.05 54.45 57.81 49.02 61.01 62.37 61.69 63.61 62.56 63.48 68.48 69.39 67.22 71.75 78.92 75.60 72.72 79.33 78.56 77.07 78.98 80.51 75.74 76.89 79.22 82.44 73.42 71.88 70.74 70.01 85.07 81.78 82.67 80.79 79.63 77.70 71.73 69.45 78.38 72.81 72.30 71.70 68.07 68.16 67.24 66.01 63.49 60.15 56.69 54.86 55.19 51.92 48.55 37.62 42.08 38.42 35.24 34.76 26.30 25.26 21.18 22.49 14.70 18.80 6.22 -0.13 2.32 1.25 -4.56 -6.61 -15.66 -15.70 -15.73 -21.42 -24.83 -22.45 -26.78 -32.33 -41.67 -36.63 -40.44 -44.48 -48.44 -50.25 -54.32 -57.47 -62.70 -60.69 -61.06 -69.56 -65.67 -68.90 -73.15 -73.80 -78.40 -79.28 -75.01 -73.33 -80.06 -77.84 -78.02 -80.98 -78.69 -76.28 -77.01 -81.30 -78.04 -77.88 -77.16 -76.26 -79.19 -83.21 -77.59 -76.59 -80.50 -76.67 -75.41 -71.51 -68.82 -75.57 -69.96 -72.45 -63.81 -67.47 -71.18 -65.74 -67.21 -56.12 -55.28 -57.07 -56.84 -60.10 -54.76 -48.37 -45.10 -47.18 -43.64 -36.59 -30.83 -32.81 -29.95 -18.51 -13.15 -12.99 -4.22 -6.87 -6.93 5.24 2.11 78 XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN Giảng viên hướng dẫn Phản biện Th.S Nguyễn Tấn Phát Th.S Nguyễn Thị Hảo 79 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ LÊ LÂM ANH PHI ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN LỰC CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT LỰC TỪ TÁC DỤNG... đồ thị kiểm chứng với lí thuyết, tơi chọn thực đề tài ? ?Ứng dụng vi điều khiển Arduino cảm biến lực chế tạo thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng phục vụ giảng dạy Vật Lý 11 THPT”... ứng từ B thực nghiệm tính tốn 38 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết thu luận văn ứng dụng vi điều khiển Arduino Nano CH340 loại cảm biến để chế tạo thí nghiệm khảo sát lực tác dụng lên dòng