5. Cấu trúc khoá luận
2.5.2 Giáo án buổi 2 Máy bơm, Rơle và Arduino
Các môn STEM tích hợp: Vật lý, Tin học
I. Mục tiêu 1. Kiến thức
- Biết được máy bơm và cách sử dụng máy bơm - Biết được Rơle và công dụng của Rơle
- Biết được Arduino
45
- So sánh khảnăng hoạt động của máy bơm ứng với hai mức giá trị hiệu điện thế nguồn cung cấp
- Xác định được đầu hút nước và đầu xảnước của máy bơm
- Nhập được các câu lệnh và chỉnh sửa nội dung câu lệnh phù hợp với loại cây của nhóm
II. Thiết bị
x3
1 Motor máy bơm 12V 2 chai nước 2 đoạn ống nhựa trong suốt 1 Hộp + pin 4.5V
1 Arduino Nano 1 laptop 1 cap nối laptop và Arduino
III. Tiến trình dạy học
Hoạt động của GV Hoạt động của
HS
Ghi chú/ Dụng cụ cần thiết
Hoạt động 1:Nhắc lại nhiệm vụ và những điều đã tìm hiểu trong Buổi 1
【 Tạo hứng thú 】
Trong buổi trước chúng ta đã nêu được biện pháp tưới cây trong trường hợp các con đi chơi xa, không thể tự tưới được, đó là tạo ra một hệ thống mang tên là gì?
46 Vậy yêu cầu đặt ra cho hệ thống là phải duy trì độ ẩm cho cây. Vậy thì làm sao để duy trì độ ẩm cho cây?
Tức là khi cây thiếu nước hay cụ thể là độ ẩm của đất hiện tại nhỏ hơn giá trị cần thiết cho cây. Để duy trì được độ ẩm thì mình phải biết thông tin độ ẩm đất. Làm thế nào để ghi nhận giá trị độ ẩm?
Mình đã làm thí nghiệm đo hiệu điện thế đầu ra AO, các con đo được mấy lần. Đo 3 lần nhưng 3 lần thì ít quá mà đo ít như vậy thì sai số lớn. Vì vậy cô sẽ cung cấp giá trị hiệu điện thế ứng với độ ẩm 50% và 70%. Các con thấy độ ẩm tăng thì giá trị hiệu điện thế này như thế nào? Nếu hiệu điện thế đất phải như thế nào so với hiệu điện thế ở độ ẩm 50% thì các con mới đi tưới nước?
Các con ghi nhận số liệu này. Từng nhóm báo cáo và ghi lại trong phiếu.
Có giá trị độ ẩm rồi thì để thực hiện việc tự động cung cấp nước cho cây ta cần sử dụng dụng cụ gì?
Vậy khi nào thì máy bơm cần hoạt động?
Làm thế nào kết nối thông tin từ cảm biến với máy bơm để vận hành tự động?
Hệ thống tưới tự động
Tưới nước cho cây khi cần thiết Dùng cảm biến độ ẩm 3 lần Giảm Lớn hơn Máy bơm nước Khi độ ẩm dưới giá trị độ ẩm cần cho cây
47 Như vậy cả hệ thống của chúng ta gồm có cảm biến độ ẩm, máy bơm nước, rơle và arduino. Trong buổi học trước, ta đã tìm hiểu thành phần đầu tiên của hệ thống tưới tự động đó là cảm biến độ ẩm đất.
Và trong buổi học hôm nay các con sẽ được tìm hiểu về các bộ phận còn lại của hệ thống. thì máy bơm sẽ hoạt động. Sử dụng Arduino và Rơle để xử lí thông tin và điều khiển máy bơm
Hoạt động 2: Tìm hiểu hoạt động của máy bơm
【Khám phá】【Thiết kế, chế tạo】
Bộ phận tiếp theo là máy bơm. Công dụng của máy bơm là gì? Để máy bơm hoạt động ta cần phải làm gì? Theo các con, với chiếc máy bơm nhỏ gọn này thì chúng ta cần cung cấp cho máy bơm hiệu điện thế là bao nhiêu?
Điện áp mà máy bơm hoạt động bình thường là 12V. Điều này có nghĩa là nếu ta cấp nguồn 12V thì máy hoạt động bình thường còn cấp nguồn thấp hơn thì máy bơm hoạt động yếu hơn.
- Máy bơm gồm có 2 đầu, đầu hút nước và đầu xả nước. Làm cách nào để biết đầu nào là hút nước, đầu nào là xả nước? Chúng ta phải làm cho máy bơm hoạt động.
Muốn máy hoạt động thì phải cấp nguồn cho máy bơm, bao nhiêu volt thì máy bơm hoạt động bình thường?
Như vậy nếu cấp nguồn nhỏ hơn thì máy bơm có hoạt động được hay không?
Chúng ta sẽ làm thí nghiệm với nhiệm vụ đặt ra là: Bơm nước Cấp điện cho máy bơm Chạy thử máy bơm 12V 20 phút 1 Motor máy bơm 12V 2 đoạn ống nhựa trong suốt dẫn nước 1 Hộp + pin 4.5V 1 Pin 9V 2 chai nước
48 Khảo sát hoạt động của máy bơm dưới
hiệu điện thế nguồn 4.5V và 9V và so sánh mức độ hoạt động mạnh yếu của máy bơm dưới hai hiệu điện thế nguồn.
Đánh dấu đầu hút nước và đầu xả nước.
Dụng cụ cần thiết gồm: - Motor máy bơm 12V - Hộp pin và 3pin: 4.5V - Pin 9V
- Ống nhựa trong suốt 2 đoạn
- 2 chai nhựa có chứa nước khoảng ½ chai
Hướng dẫn làm mẫu cách nối nguồn với máy bơm.
Đầu tiên để máy bơm hoạt động ta phải cấp nguồn cho máy bơm. Để cấp nguồn 4,5V thì ta dùng một khay 3 pin như tiết trước đã dùng và nguồn 9V ở đây là 1 cục pin 9V.
Sau đó các con cắm hai đầu ống dẫn nước vào hai chai nước đều có nước, và xem bên nào mực nước dâng lên thì đánh dấu và ghi chú lại ống bên đó là xả nước còn ống bên kia là hút nước.
Để khảo sát mức độ hoạt động của máy bơm ứng với hai hiệu đỉện thế nguồn cung cấp ta sẽ so sánh tốc độ vận chuyển nước của máy bơm mà cụ thể là khảo sát với cùng một lượng nước so sánh thời gian máy bơm vận chuyển nước từ chai này sang chai kia ứng với từng
49 giá trị hiệu điện thế nguồn, tiến hành làm như sau:
B1_ Làm đầy một chai nước và chai kia rỗng
B2_ Cắm phần đầu hút nước vào trong chai đầy nước, đầu còn lại cắm vào chai không chứa nước
B3_ Cấp nguồn cho máy bơm và đo thời gian máy bơm vận chuyển hết nước từ chai này sang chai kia.
*Thực hiện với mỗi giá trị hiệu điện thế. Các con sẽ thực hành trong 10 phút
Cô mời một bạn báo cáo kết quả thí nghiệm của nhóm con.
Hoạt động 3:Tìm hiểu hoạt động Rơle 【 Khám phá】 Để bật tắt máy bơm thì ta sử dụng công cụ
đó là Rơle
Rơle như một cái công tắc nhưng đây là công tắc tự động, để Rơle hoạt động thì mình cần cung cấp nguồn với hiệu điện thế là 5V
Rơle gồm 6 chân
- Một bên là ba chân IN, DC+, DC- với chân IN nhận tín hiệu đầu vào Rơle để kích hoặc không kích máy bơm, chân DC+ và DC- nối với nguồn điện 5V - Một bên là ba chân COM, NO, NC.
Thông thường, ban đầu chân COM và NC (normal close) thường nối với nhau bởi một cái khoá. Khoá này có thể di chuyển từ NC sang NO (theo sơ đồ mạch)
5 phút
50 Khi có tín hiệu độ ẩm của đất nếu tín hiệu này thấp hơn mức ngưỡng, khoá chuyển sang NO tức là COM sẽ nối với NO. Như vậy ta sẽ nối máy bơm vào hai chốt NO và COM, lúc ban đầu, COM và NO bị cách biệt nhau, tức là mạch chứa máy bơm đang hở, khi đó máy không hoạt động. Khi có tín hiệu độ ẩm khoá Rơle chuyển sang đóng mạch nối COM và NO khi đó mạch kín máy bơm hoạt động. Khi đất đủ ẩm, Rơle không nhận tín hiệu cần bật công tắc, khi đó khoá chuyển sang NC và máy bơm ngừng hoạt động.
Như vậy nhờ vào Rơle ta có thể bật tắt tự độngmáy bơm.
Hoạt động 4: Tìm hiểu về lập trình Arduino
【 Khám phá】
Và một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống hay cô gọi nó là trung tâm của hệ thống để điều khiển các bộ phận khác hoạt động, đó chính là Arduino.
Arduino là board mạch xử lý các lệnh mà người dùng yêu cầu. Arduino có rất nhiều loại
(Đưa hình các loại cho HS xem qua) và loại mà chúng ta dùng xử lý trong hệ thống tưới tự động là Arduino Nano.
Arduino Nano có tổng cộng 30 chân, mỗi bên 15 chân. Để Arduino hoạt động thì chúng ta cần cấp nguồn cho nó, điện thế nguồn cấp từ 6V-20V. 15 phút 1 laptop 1 Arduino Nano 1 cap nối laptop và Arduino
51 Vậy muốn hệ thống hoạt động theo ý mình thì mình phải làm gì nó? Mình ngồi im nó có biết mình cần làm gì không?
Mình sẽ ra lệnh cho trung tâm của hệ thống hay nói cách khác ra lệnh cho Arduino điều khiển. Nhưng Arduino là một cái mạch, các con không thể nào ra lệnh bằng lời nói được, mà phải dùng một loại ngôn ngữ giao tiếp khác - ngôn ngữ lập trình.
Giống như việc lập trình Pascal đã được học, chúng ta sẽ lập trình cho Arduino bởi phần mềm lập trình cho Arduino. Nhưng đơn giản hơn, không cần phải soạn thảo câu lệnh mà chúng ta chỉ cần kéo thả hộp thoại chứa lệnh.
Hướng dẫn hình thành sơ đồ khối
Sau khi cảm biến nhận giá trị độ ẩm gửi về cho Arduino, Arduino sẽ so sánh giá trị này với giá trị ngưỡng màcô đã cung cấp cho các con. Tuy nhiên, Arduino không hiểu nó dưới dạng điện thế Vôn mà hiểu nó dưới dạng phân giải tín hiệu bit. Điện áp Arduino đọc từ 0V đến 5V tương ứng với 0 đến 210-1 tín hiệu bit. Vì vậy giá trị ngưỡng của đất phải đổi ra tín hiệu bit để so sánh thì Arduino mới hiểu đúng. 5V tương ứng với 210-1, với giá trị độ ẩm cần thiết các con hãy đổi từ Vôn sang tín hiệu bit,
52 mình sẽ nhân chéo chia ngang tức là lấy giá trị độ ẩm nhân 210-1 và chia 5.Như vậy các con đã biết cần chỉnh sửa trong sơ đồ khối. Từ sơ đồ cô sẽ hướng dẫn các con lập trình cho Arduino của mình.
Đây là chương trình mBlock giúp các con lập trình Arduino bằng những thẻ lệnh Mở chương trình. Vừa nói vừa thực hiện thao
tác.
B_1 Chọn Boards Arduino Nano vì mình đang sử dụng Arduino Nano
B_2 Chọn Edit Arduino mode. Cửa sổ sẽ chuyển qua giao diện làm việc với Arduino
Trong chế độ Arduino mode có 4 nhóm mảnh ghép - Robot - Operators - Control - Data&Block Các nhóm báo cáo và ghi nhận số liệu Lớn hơn
53 Chúng ta lần lượt đi vào từng nhóm
Đầu tiên nhóm Robot. Với nhóm Robot chúng ta thực hiện chọn thẻ Arduino Program bằng cách kéo thả thẻ lệnh vào khung màn hình giữa để bắt đầu chương trình, chính là khung tròn thứ nhất trong sơ đồ khối. Nếu các con muốn bỏ thẻ lệnh chỉ cần kéo thả vào khung bên trái hoặc nhấn chuột phải chọn lệnh Delete.
Tiếp theo, nhóm Operators, có các phép gán và so sánh, dựa vào sơ đồ khối, các con cho cô biết cần sử dụng phép so sánh nào? Mình kéo thả thẻ lớn hơn vào và nhập do am > giá trị tín hiệu bit mà các con đã tính.
Nhóm thứ 3 là Control bao gồm vòng lặp và các lệnh if. Để hệ thống hoạt động liên tục nhiều lần thì mình cần một vòng lặp. Sơ đồ của chúng ta có điều kiện nếu độ ẩm lớn hơn giá trị nào đó thì thực hiện lệnh, không thì thực lệnh khác. Vậy ta cần chọn thẻ nào trong nhóm này?
Nhóm thứ 4 là Data&Block, nhóm này hỗ trợ chúng ta thiết lập thẻ lệnh giúp Arduino biết giá trị độ ẩm sẽ được nhận bởi Arduino ở chân AO. Chúng ta chọn Make a Variable (Tạo một biến số). Biến số là độ ẩm nên cô nhập vào là chữ “do am” lưu ý nhập không dấu. Kéo thả thẻ set vào màng hình giữa.
Trên sơ đồ khối còn một nhiệm vụ là kích hoạt rơle. Chúng ta sẽ dùng những thẻ lệnh trong nhóm Control. Chọn thẻ “set analog pin A0” để kết nối chung với thẻ biến số mới lập. Tiếp tục chọn thẻ set digital pin High, thẻ này có công dụng kích hoạt Rơle nếu cuối thẻ là HIGH và ngược lại nếu chọn LOW. Chỉnh
54 sửa pin lại thành pin “3”. Chúng ta kết nối hai thẻ này vào trong thẻ điều kiện if.
Tiếp theo ta sẽ kết nối các thẻ lệnh lại với nhau theo sơ đồ khối.
Để chuyển đoạn lệnh này vào Arduino chúng ta cần một đoạn dây cap. Các con sẽ cắm cap vào. Chọn Connect Serial Port Tại đây sẽ hiển thị COM tức là vị trí cắm USB cap nối. Các con chọn vào COM. Tiếp tục chọn Upload to Arduino để đưa đoạn code vào trong Arduino.
Các nhóm tiến hành lập trình. Nhóm nào xong thì giơ tay lên cô đến kiểm tra và phát dây cap + Arduino để các con chuyển đoạn code vào Arduino của mình.
Khi chuyển xong các con hãy cất Arduino và trong túi zip có tên nhóm mình.
Các nhóm thực hành trong vòng 5 phút.
Hoạt động 5:GV tổng kết lại buổi 2
2.5.3Giáo án buổi 3 - Người kỹsư nhíI. Mục tiêu