Chương 2. Thiết kế, chế tạo và sử dụng một số thí nghiệm về Dao động cơ có kết nối với điện thoại thông minh nhằm bồi dưỡng năng lực thực nghiệm cho học sinh trong dạy học vật lí ở trường phổ thông
2.2. Các thiết bị thí nghiệm phần dao động cơ có kết nối với điện thoại thông minh
2.2.2. Chế tạo thiết bị thí nghiệm kết nối với điện thoại thông minh
Những phân tích ở chương 1 đã chỉ ra nội dung dạy học chương “Dao động cơ”
có liên quan đến hiện tượng dao động, xảy ra rất nhanh và khó quan sát trực quan quy luật chuyển động, vì vậy việc xây dựng TNKNĐTTM hỗ trợ dạy học chương này nhằm bồi dưỡng năng lực thực nghiệm cho HS là hết sức cần thiết. Tuy nhiên, những phân tích ở trên lại cho thấy các thiết bị thí nghiệm hiện có trên thị trường còn có những hạn chế nhất định. Trên cơ sở đó, chúng tôi thiết kế và chế tạo một thiết bị thí nghiệm nhằm khắc phục được những hạn chế đó cũng như bồi dưỡng được năng lực thực nghiệm cho HS, từ đó xây dựng các TNKNĐTTM cụ thể dùng dạy học chương
“Dao động cơ”. Những đặc tả kĩ thuật thiết kế (phần cứng và phần mềm, ứng dụng), chức năng của phần mềm, ứng dụng và thử nghiệm đánh giá ổn định của thiết bị TNKNĐTTM như sau:
Đặc tả về mặt kĩ thuật
Về mặt kĩ thuật, bộ thiết bị TNKNĐTTM gồm hai phần: Phần cứng (gồm 3 cụm: hệ thống điều khiển trung tâm, hệ thống các cảm biến, thiết bị đầu cuối: điện thoại thông minh) và phần mềm, ứng dụng hiển thị thu thập và hiển thị dữ liệu lên màn hình điện thoại. Sau đây chúng tôi sẽ mô tả nguyên tắc thiết kế phần cứng và phần mềm cụ thể:
Phần cứng
Hệ thống điều khiển trung tâm:
Hệ thống điều khiển trung tâm là một vi điều khiển Arduino Uno. Vi điều khiển trong bo mạch Arduino như là một máy tính, đây là bộ não của một hệ thống nhúng. Arduino là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm chạy trong một môi trường dễ dàng phát triển tạo thiết bị thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh dưới đây.
Vi điều khiển Arduino là nền tảng thiết bị điện tử mã nguồn mở có thể sử dụng để dễ dàng giao tiếp với phần cứng và nhiều thiết bị cảm biến. Đặc điểm nổi bật của Arduino là KIT phát triển trên nền tảng chip AVR, hỗ trợ đa chứ năng tích sẵn mạch nạp, có các cổng giao tiếp,… Người dùng viết chương trình để lập trình cho Arduino sẽ thông qua phần mềm Arduino IDE (Integrated Development Enviroment)
dựa trên ngôn ngữ lập trình C. Với giá thành rẻ thông dụng trrên thị trường và do kích thước nhỏ gọn dễ lắp đặt nên Arduino Uno được sử dụng trong bộ thí nghiệm này.
Các thành phần trên bo Arduino Uno được trình bày trên hình bên là một bo mạch điện tử dựa trên vi điều khiển Atmega328.
Hình 2.2. Hình ảnh mặt trước và mặt sau của bo mạch Arduino Uno Thông số kĩ thuật bo mạch như sau:
Arduino Uno có 14 chân kỹ thuật số vào/ra (trong đó có 6 chân có thể sử dụng như là đầu ra PWM (Pulse Width Modulation, một dạng điều chế tín hiệu (signal modulation) để lấy dạng sóng analog từ các đầu vào kỹ thuật số), 6 đầu vào tương tự, một thạch anh 16 MHz, một kết nối USB, một jack cắm điện, một đầu ICSP (ICSP là viết tắt của In Circuit serial Lập trình , đại diện cho một trong một số phương pháp có sẵn để lập trình bảng Arduino. Thông thường, chương trình bộ nạp khởi động Arduino được sử dụng để lập trình bảng Arduino, nhưng nếu bộ nạp khởi động bị thiếu hoặc bị hỏng, ICSP có thể được sử dụng thay thế. ICSP có thể được sử dụng để khôi phục bộ tải khởi động bị thiếu hoặc bị hỏng) , và một nút Reset. Nó có tất cả thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, như có thế kết nối bo mạch Arduino cùng chuyển đổi AC – DC với đầu ra tương thích với đầu cấp nguồn Arduino. Một máy tính bằng cáp USB hoặc cấp điện cho bo mạch từ bộ Arduino Uno. Arduino Uno đã và đang được cập nhật phiên bản mới nhất trong các bo Arduino USB. Đặc tính kỹ thuật của bo mạch Arduino Uno như sau (Hà Quang Phúc và Phạm Quang Huy, 2020):
Vi điều khiển (Microcontroller): Atmega328;
Điện áp hoạt động (Openrating Voltage): 5V;
Điện áp vào (Input Voltage): 7 – 12V;
Điện áo vào giới hạn (Input Voltage limits): 6 – 20V;
Ngõ vào/ra số (Digital I/O): 14 (6 ngõ ra PWM);
Ngõ vào Analog (Analog Input): 6;
Dòng một chiều (DC Current) cho các chân vào/ra (I/O): 40 mA;
Dòng một chiều (DC Current) cho các chân 3.3 V: 50 mA;
Bộ nhớ Flash (Flash Memory): 32 KB (Atmega328) với 0.5 KB được dùng cho Bootloader;
SRAM: 2 KB (Atmega328);
EEPROM: 1KB (Atmega328);
Clock Speed: 16 MHz.
ATMEGA328
Là vi điều khiển trong bo mạch Arduino, ATMEGA328 có thên đầy đủ là ATMEGA328P- PU. ATMEGA328 (hình) là linh hồn của bo mạch Arduino, sức mạnh phần cứng của Arduino Uno có được là từ đây. Sơ đồ chân của ATMEGA328 (như hình). Các vi điều khiển ATMEGA328 đều được ghi sẵn Boothloader Arduino. Bootloader Arduino cho phép bạn gửi mã chương trình cho ATMEGA328 thông qua giao thức Serial (dùng
cổng COM) mà không yêu cầu bạn phải có một bộ nạp ROM đặc biệt nào cả Các thông số chính của vi điều khiển Atmega328P-PU như sau:
- Kiến trúc: AVR 8 bit;
- Xung nhịp lớn nhất: 20 MHz;
- Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32 KB;
- Bộ nhớ EEPROM: 1 KB;
- Bộ nhớ RAM: 2 KB;
- Điện áp hoạt động: 1.8 V – 5.5 V;
- Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit;
Hình 2.3. Hình ảnh vi điều khiển ATMEGA328
- Số kênh xung PWM: 6 kênh (1 timer 2 kênh)
Hình bên dưới minh họa chi tiết các thành phần và chức năng của vi điều khiển Arduino Uno
Hình 2.4. Hình ảnh chi tiết các thành phần của một vi điều khiển Arduino (1) Power USB: Bo Arduino có thể được cấp nguồn bằng cách sử dụng cáp
USB từ máy tính; bằng cách sử dụng cáp kết nối USB;
(2) Công suất (Barrel Jack): Bo Arduino có thể được cấp nguồn trực tiếp từ nguồn điện AC bằng cách kết nối nó với Barrel Jack. Nguồn cấp cho bo mạch Arduino Uno có thể được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc với một nguồn cung cấp điện bên ngoài.
(3) Điều chỉnh điện áp: Chức năng của bộ điều chỉnh điện áp là điều khiển điện áp cho bo Arduino và ổn định điện áp DC được sử dụng bởi bộ xử lí và các yếu tố khác.
(4) Dao động tinh thể: Bộ dao động tinh thể giúp Arduino trong việc xử lí các vấn đề về thời gian. Arduino tính toán thời gian bằng cách sử dụng bộ dao động tinh thể, số được in trên đầu của tinh thể là 16.000, nó cho chúng ta biết tần số 16 MHz.
(5)(17) Đặt lại Arduino: Có thể thiết lập lại bo Arduino, bắt đầu chương trình lại ngay từ đầu (hai nút Reset (5),(17));
(6) Chân 3.3V: Cung cấp đầu ra 3.3 V;
(7) Chân 5 V: Cung cấp đầu ra 5 V;
(8) Chân GND (Ground): Có một số chân GND trên Arduino, bất kỳ trong số đó có thể sử dụng để nối đất cho mạch.
(9) Chân Vin: Chân này được sử dụng để cấp nguồn cho bo Arduino từ nguồn điện bên ngoài, như nguồn điện AC
(10) Chân tương tự (Analog): Bo Arduino Uno có 6 chân đầu vào tương tự A0 đến A5;
(11) Vi điều khiển chính: Mỗi bo Arduino có vi điều khiển riêng, có thể giả định đây là bộ não bo mạch;
(12) Chân ICSP: Chủ yếu, ICSP (12) là một AVR, một tiêu đề lập trình nhỏ cho Arduino bao gồm MOSI, MISO, SCK, RESET, VCC và GND;
(13) Đèn LED báo nguồn: Đèn LED này sẽ sáng lên khi cắm Arduino vào nguồn điện để chỉ báo rằng bo mạch đã được cấp nguồn đúng cách. Nếu ánh sáng không bật thì có sự cố kết nối;
(14) Đèn LED TX và RX: Trên bo Arduino sẽ tìm thấy hai nhãn: TX (truyền) và RX (nhận). Có hai vị trí chứa nhãn này.
(15) Input/Ouput (I/O) kĩ thuật số: Bo Arduino Uno gồm có 14 chân I/O kỹ thuật số;
(16) AREF: viết tắt của Analog Reference. Đôi khi được sử dụng để đặt điện áp tham chiếu ngoài (từ 0 đến 5 V) làm giới hạn cho các chân đầu vào tương tự (Hà Quang Phúc và Phạm Quang Huy, 2020)
Hệ thống các cảm biến:
Về nguyên tắc là hệ thống cảm biến độc lập, thực hiện các vai trò đo đạc khác nhau như: cảm biến siêu âm đo khoảng cách, cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo độ pH, cảm biến đo điện áp, cảm biến đo cường độ dòng điện,… Các cảm biến hoạt động theo các nguyên lí khác nhau và được cung cấp sẵn trên thị trường. Thiết bị thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh chúng tôi sử dụng Module cảm biến quang chữ U V2 (đọc Encoder) và cảm biến Encoder 400 xung.
Cảm biến quang chữ U V2 (mắt đọc Encoder)
Module đọc Encoder (cảm biến chữ U) V2 dùng để đọc đĩa encoder trong các ứng dụng cần nhận biết tốc độ, vị trí của động cơ. Hoặc làm cảm biến hành trình (Homing sensor). Có thiết kế nhỏ gọn dễ dàng tích hợp vào hệ thống. Cho độ chính xác cao.
Nguyên tắc hoạt động của mạch bao gồm 1 mắt phát và 1 mắt thu hồng ngoại đặt cách nhau qua 1 khe hở, khi ánh sáng từ mắt phát đi được tới mắt thu (xuyên qua
lỗ của dĩa encoder) thì sẽ có tín hiệu mức cao (5V) phát ra khỏi chân out, khi bị che lại thì chân out phát ra tín hiệu mức thấp (0V).
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp sử dụng: 3.3V ~ 5V DC;
- Cường độ dòng sử dụng: 15Ma;
- Mức tín hiệu xuất ra: Digital TTL;
- Khoảng cách giữa hai mắt phát và thu: 5mm Sơ đồ chân:
- VCC: Cấp nguồn 3.3V - 5V DC;
- GND: Cấp nguồn Mass 0V DC;
- DO: Xuất Digital Low (0V DC) hoặc High (3.3V - 5V DC).
Trong thiết bị thí nghiệm này chúng tôi chế tạo gồm:
─ Bộ phận cổng quang sử dụng một cảm biến gắn vào một thanh chữ U, bằng cách nối dài khoảng cách giữa mắt phát và mắt thu cho vật cản có thể đi qua, khoảng cách nối dài là 4 cm. Cổng quang này có nhiệm vụ tương tự như cổng quang có sẵn trong bộ thí nghiệm hiện có, đó là gắn tại một vị trí cố định và xác định các khoảng thời gian liên tiếp vật cản đi qua cổng quang (chính là nửa chu kì, ứng dụng thiết bị này để khảo sát chu kì
Hình 2.5. Hình ảnh Module đọc Encoder V2
Hình 2.6. Hình ảnh thiết bị cổng quang một cảm biến
dao động của các vật, sẽ nêu rõ chi tiết các khảo sát ở phần sau)
─ Bộ thiết bị sử dụng 11 cảm biến gắn cố định tại các vị trí, các cảm biến đặt cách nhau 1 cm, khoảng cách giữa mắt phát và mắt thu là 4 cm.
Nhiệm vụ của các cảm biến này là xác định thời gian vật cản đi qua các vị trí cố định. Khi ánh sáng từ mắt phát đi được tới mắt thu thì sẽ có tín hiệu mức cao (5V) phát ra khỏi chân out, khi vật cản đi qua, ánh sáng phát ra bị che lại thì chân out phát ra tín hiệu mức thấp (0V), đồng thời lúc này truyền tín hiệu phát thời điểm t1 là thời điểm mà vật cản bắt đầu chắn tia sáng, và thời điểm t2 là thời điểm
mà vật cản này chắn tia sáng. Từ đó để xác định được thời gian vật cản đi qua vị trí cảm biến ta sử dụng công thức 1 2
2 t t
t ta sẽ xác định được các thời gian t vật đi qua các vị trí cảm biến được lắp đặt ở các vị trí cố định.
Cảm biến Encoder 400 xung
Encoder 400 xung hay còn gọi là bộ mã hóa vòng quay sử dụng đĩa quay chia vạch tạo xung, khi Encoder quay các khe đĩa chắn sáng tạo xung, vi điều khiển đếm xung từ đó có thể xác định được góc quay, tốc độ quay, gia tốc, chiều dài… của vật thể.
Trong thiết bị thí nghiệm chúng tôi sử dụng Encoder đo li độ góc theo thời gian của con lắc đơn, góc quét này được tính theo công thức:
.360 n 400
.
Góc này được tính theo đơn vị độ với n là số xung Encoder đếm được ứng với các vị trí con lắc đơn dịch chuyển.
Thông số kỹ thuật
Hình 2.8. Hình ảnh cảm biến Encoder 400 xung Hình 2.7. Hình ảnh thiết bị
cổng quang 11 cảm biến
- Hiệu suất : 400 xung/vòng - Điện áp: DC 5-24V
- Tốc độ tối đa : 5000 vòng/phút - Đường kính trục 6mm
Trong thiết bị thí nghiệm này chúng tối chế tạo sử dụng một cảm biến, con lắc được treo cố định trên cảm biến. Trong quá trình con lắc dao động, con lắc quét những góc tương ứng với góc quét của Encoder, từ đó ta xác định được li độ góc (góc quét) theo thời gian, vẽ đồ thị thu đồ thị hàm sin/cos.
Thiết bị đầu cuối:
- Thiết bị thu, phát tín hiệu: Module Bluetooth HC-05 Bluetooth là chuẩn truyền thông
không dây để trao đổi dữ liệu ở khoảng cách ngắn. Chuẩn truyền thông này sử dụng sóng radio ngắn (UHF radio) trong dải tần số ISM (2.4 tới 2.485 GHz). Khoảng cách truyền của module này vào khoảng 10m.
Module HC-05 được thiết kế dựa
trên chip BC417. Con chip này khá phức tạp và sử dụng bộ nhớ flash ngoài 8 Mbit.
Nhưng việc sử dụng module này hoàn toàn đơn giản bởi nhà sản xuất đã tích hợp mọi thứ trên Module HC-05. Module Bluetooth được mô tả như hình:
Sơ đồ chân HC-05 gồm có:
- KEY: Chân này để chọn chế độ hoạt động AT Mode hoặc Data Mode;
- VCC: Chân này có thể cấp nguồn từ 3.6V đến 6V bên trong module đã có một IC nguồn chuyển về điện áp 3.3V và cấp cho IC BC417;
- GND nối với chân nguồn GND, chân nối điện thế đất;
- TXD, RND: Đây là hai chân UART để giao tiếp truyền, nhận dữ liệu, module hoạt động ở mức logic 3.3V;
- STATE: Chân dùng để thông báo trạng thái của Bluetooth.
- ENB: Chân dùng để chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ AT mode và Data mode.
Hình 2.9. Hình ảnh Module HC-05
Các chế độ hoạt động
- HC-05 có hai chế độ hoạt động là Command Mode và Data Mode. Ở chế độ Command Mode ta có thể giao tiếp với module thông qua cổng serial trên module bằng tập lệnh AT quen thuộc. Ở chế độ Data Mode module có thể truyền nhận dữ liệu tới module bluetooth khác. Chân KEY dùng để chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ này. Ở chế độ Data Mode HC-05 có thể hoạt động như một master hoặc slave tùy vào việc bạn cấu hình.
- Ở chế độ SLAVE: bạn cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth để dò tìm module sau đó pair với mã PIN là 1234. Sau khi pair thành công, bạn đã có 1 cổng serial từ xa hoạt động ở baud rate 9600.
- Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1 module bluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth của laptop...) và tiến hành pair chủ động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone.
Trong đề tài này, thiết bị bluetooth HC-05 được sử dụng để truyền nhận dữ liệu cảm biến ánh sáng theo vị trí từ bộ thí nghiệm về điện thoại thông minh. Đây là một thiết bị cho phép giao tiếp bằng sóng radio ở băng tần 2,4 đến 2,480 GHz với tầm thu phát tối đa là 10 m. Thiết bị này có hai trạng thái hoạt động: Master – Slave.
Trạng thái Slave là chế độ mặc định, các thiết bị bluetooth khác có thể tìm và kết nối với bluetooth đang ở chế độ này. Ở trạng thái Master: bluetooth sẽ tự động tìm kiếm và giao tiếp với bluetooth khác ở chế độ Slave. Trong bộ thí nghiệm này, vi điều khiển Arduino sẽ kết nối với Bluetooth HC-05 ở trạng thái Slave, điện thoại thông minh đóng vai trò như là trạng thái Master. Khi ghép nối với nhau, Arduino sẽ truyền tín hiệu về cảm biến ánh sáng, thời gian về điện thoại thông minh, để ĐTTM xử lí dữ liệu.
- Thiết bị nhận và xử lí dữ liệu: Điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android.
Phần mềm, ứng dụng
Phần mềm điều khiển vi mạch Arduino:
Để giao tiếp với Arduino Uno điều khiển cảm biến thực hiện một hành động nào đó ta phải sử dụng ngôn ngữ lập trình. Ngôn ngữ lập trình của Arduino chính là
C/C++. Trong đề tài này để thiết kế thiết bị thí nghiệm chúng tôi sử dụng phần mềm Arduino IDE.
IDE là viết tắt của Integrated Development Environtment (Môi trường phát triển tích hợp) là công cụ dùng để lập trình cho Arduino. IDE gồm có các chức năng như: Tạo mới một chương trình, mở một chương trình có sẵn, chỉnh sửa một nội dung chương trình… Các chương trình này người dùng sử dụng để viết code điều khiển Arduino. Chúng ta có thể cài đặt phần mềm này một cách đơn giản trên máy tính của mình và tiến hành soạn thảo câu lệnh điều kiển cảm biến thực hiện nhiệm vụ
Phần mềm tạo ứng dụng thu nhận tín hiện trên điện thoại thông minh:
Chúng tôi sử dụng MIT App Inventor. Đây là một môi trường phát triển tích hợp ứng dụng web ban đầu được cung cấp bởi Google và hiện được duy trì bởi Viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Nó cho phép những người mới học lập trình máy tính tạo phần mềm ứng dụng (app) cho hai hệ điều hành (OS): Android và iOS. Đề tài này sử dụng MIT App Inventor để tạo ứng dụng thu thập dữ liệu, hiển thị trên điện thoại thông minh.
Ứng dụng thu thập và hiển thị dữ liệu trên điện thoại thông minh: Có rất nhiều ứng dụng có khả năng thu thập và hiển thị dữ liệu trên ĐTTM như: Bluetooth Terminal/Graphics; Serialize Bluetooth-Potter, terminal&controller; …
Hình 2.11. Hình ảnh một số ứng dụng thu thập và hiển thị dữ liệu trên điện thoại thông minh
Và các ứng dụng này dễ dàng cài đặt, sử dụng trên điện thoại với giao diện đơn giản, gần gũi. Đối với thí nghiệm này sau khi nghiên cứu chúng tôi thấy ứng dụng Arduino Bluetooth Serial Monitor là phù hợp với yêu cầu của để tài.
Hình 2.10. Hình ảnh logo chương trình MIT App Inventor