Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ cảm biến gia tốc và lực sử dụng trong dạy học vật lí trung học phổ thông

Đặc biệt là việc sử dụng các bộ thí nghiệm phần Động lực học – Vật lí 10 luôn gặp khó khăn trong việc xác định các đại lượng như gia tốc, vận tốc và lực tác dụng,… Các phương pháp truyền

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGÔ MINH NHỰT

ĐO GIA TỐC VÀ LỰC SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÍ

Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

ThS MAI HOÀNG PHƯƠNG

L ỜI 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 bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp

đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè Bằng tất cả lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời

Minh, những người đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báo cho em trong suốt thời gian em học tại trường

người đã rất nhiệt tình, tận tâm, chu đáo, cung cấp những kiến thức và hướng dẫn em thực hiện 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 mình đang theo đuổi

Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Lâm Duy, người đã

ơn Thầy Nguyễn Huỳnh Duy Khang và Thầy Nguyễn Tấn Phát, những người đã luôn ở bên cạnh động viên, hướng dẫn và hỗ trợ những lúc em gặp khó khăn khi thực hiện luận văn này Em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô giảng viên Khoa Vật Lý, trường Đại

ích giúp em hoàn thành luận văn này Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn

trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em xin chân thành cảm ơn!

TP H ồ Chí Minh, ngày 15 tháng 04 năm 2016

Sinh viên

M ỤC LỤC

MỤC LỤC I DANH M ỤC CÁC BẢNG VI DANH M ỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VII

MỞ ĐẦU 1

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

6 Những đóng góp của đề tài 3

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 TÍNH TÍCH C ỰC VÀ SÁNG TẠO CỦA HỌC SINH TRONG HỌC TẬP 4

1.1.1 Tính tích c ực của HS trong học tập .4

1.1.2 Tính sáng t ạo của HS trong học tập .4

1.1.3 Phát huy tính tích c ực và năng lực sáng tạo trong dạy học vật lí dựa trên phương pháp dạy học giải quyết vấn đề 5

1.2 THÍ NGHI ỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 7

1.2.1 Thí nghi ệm vật lí 7

1.2.2 Vai trò của thí nghiệm trong tiến trình dạy học vật lí 8

1.2.3 Quy trình xây d ựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí 9

1.3 GI ỚI THIỆU VỀ BỘ THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH 14

1.3.1 Vi điều khiển Atmega328P 14

1.3.2 Board Arduino 16

1.3.3 Chu ẩn phát sóng radio 17

1.4 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 19

1.4.1 C ảm biến đo lực 19

1.4.2 C ảm biến đo gia tốc 20

1.4.3 Kỹ thuật lập trình bằng ngôn ngữ Labview 23

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG CỦA BỘ THÍ NGHIỆM 26

2.1 CẢM BIẾN ĐO LỰC 26

2.1.1 Yêu c ầu chế tạo 26

2.1.2 Ch ế tạo 26

2.2 CẢM BIẾN ĐO GIA TỐC 29

2.2.1 Yêu c ầu chế tạo 29

2.2.2 Chu ẩn cảm biến 29

2.3 THIẾT KẾ MẠCH PHÁT SÓNG RADIO TRUYỀN DỮ LIỆU 32

2.3.1 Kh ối nguồn 33

2.3.2 Kh ối xử lí tín hiệu từ cảm biến 34

2.3.3 Vi điều khiển và phát sóng radio truyền dữ liệu 34

2.4 M ẠCH GIAO TIẾP MÁY TÍNH VÀ BỘ THÍ NGHIỆM HOÀN CHỈNH 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN DẠY HỌC 37

3.1 THIẾT KẾ GIAO DIỆN DẠY HỌC BẰNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LABVIEW 37

3.1.1 Đọc dữ liệu từ phần cứng thông qua chuẩn giao tiếp nối tiếp 38

3.1.2 Ki ểm tra và xử lí các tương tác người dùng trên giao diện dạy học 38

3.2 KẾT QUẢ THIẾT KẾ GIAO DIỆN DẠY HỌC 38

3.2.1 Thanh công c ụ 39

3.2.2 B ảng biểu và đồ thị 40

3.2.3 Thiết lập các thông số đọc dữ liệu 41

3.2.4 Các bước thu thập dữ liệu từ phần cứng 41

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BỘ THÍ NGHIỆM 43

4.1 THÍ NGHIỆM CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ HỌC 43

4.1.1 M ục đích thí nghiệm 43

4.1.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 44

4.2 BÀN LU ẬN KẾT QUẢ VÀ CÁC Ý TƯỞNG KHAI THÁC BỘ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY H ỌC VẬT LÍ 56

K ẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PH Ụ LỤC 62

1 Chức năng các chân vi điều khiển Atmega328P 62

2 Chương trình nạp cho arduino uno 64

3 Chương trình nạp vi điều khiển Atmega328P 67

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Sơ đồ bộ cảm biến kết nối máy tính 14

Hình 1 2 Vi điều khiển Atmega328P 15

Hình 1 3 Sơ đồ các chân Atmega328P 15

Hình 1 4 Board Arduino uno 17

Hình 1 5 Module nRFL01 và sơ đồ các chân 18

Hình 1 6 Sơ đồ kết nối module nRFL01 với vi điều khiển Atmega 328P 18

Hình 1 7 Mạch cầu Wheastone và tấm strain gauge 19

Hình 1 8 Mạch cầu Wheastone khi các strain gauge bị biến dạng 20

Hình 1 9 Nguyên lý đo gia tốc của cảm biến công nghệ MEMS 21

Hình 1 10 Cảm biến đo gia tốc ADXL335 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 dữ liệu thông qua cổng COM 25

Hình 2 1 Sơ đồ bộ thí nghiệm kết nối máy tính bằng sóng radio 26

Hình 2 2 Cảm biến đo lực (Loadcell) 26

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lí mạch khếch đại dùng IC INA125 27

Hình 2 4 Đường cong chuẩn cảm biến lực là một đoạn thẳng tuyến tính 28

Hình 2 5 Gia tốc trọng trường khi đặt cảm biến xoay theo các hướng khác nhau 30

Hình 2 6 Chuẩn cảm biến gia tốc 30

Hình 2 7 Đường cong chuẩn của cảm biến gia tốc theo trục Ox 31

Hình 2 8 Đường cong chuẩn của cảm biến gia tốc theo trục Oy 32

Hình 2 9 Sơ đồ nguyên lí mạch xử lí tín hiệu cảm biến và phát sóng radio tần số 2.4 GHz 33

Hình 2 10 Sơ đồ kết nối nRFL01 với vi điều khiển 34

Hình 2 11 Sơ đồ kết nối nRFL01 với Ardunio uno 35

Hình 2 12 Bộ cảm biến đo gia tốc và lực 35

Hình 2 13 Bộ thu sóng radio 35

Hình 3 1 Sơ đồ thuật toán chương trình giao diện trên máy tính 37

Hình 3 2 Giao diện dạy học 39

Hình 3 3 Chức năng tìm hàm tuyến tính 40

Hình 3 4 Hộp thoại xuất file JPEG 40

Hình 3 5 Sao chép dữ liệu từ bảng biểu sang chương trình bảng tính Excel 41

Hình 4 1 Bố trí thí nghiệm 1 45

Hình 4 2 Đồ thị vận tốc – thời gian (v – t) trong chuyển động thẳng đều 46

Hình 4 3 Bố trí thí nghiệm 2.1 47

Hình 4 4 Đồ thị gia tốc – thời gian (a – t) trong thí nghiệm 2.1 48

Hình 4 5 Bố trí thí nghiệm 2.2 49

Hình 4 6 Đồ thị gia tốc – thời gian (a – t) trong thí nghiệm 2.2 49

Hình 4 7 Đồ thị lực – thời gian (F – t) trong chuyển động nhanh dần đều 50

Hình 4 8 Thí nghiệm dao động điều hòa 51

Hình 4 9 Đồ thị F – t trong giao động điều hòa 51

Hình 4 10 Đồ thị gia tốc – thời gian (a – t) trong dao động điều hòa 52

Hình 4 11 Đồ thị lực – gia tốc (F – a) trong dao động điều hòa 52

Hình 4 12 Bố trí thí nghiệm 5 53

Hình 4 13 Bố trí thí nghiệm va chạm đàn hồi 55

Hình 4 14 Đồ thị vận tốc – thời gian (v – t) trong va chạm đàn hồi 55

DANH M ỤC CÁC BẢNG

điện……… ……… 46 4.2 So sánh cảm biến lực đã chế tạo với lực kế lò xo và cảm biến lực của hãng Vernier

……….……… 53

DANH M ỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC : Analog Digital Converter – chuyển đổi tương tự sang số

DC : Direct Current – dòng điện một chiều

M Ở ĐẦU

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm gần gũi và gắn liền với cuộc sống Do

vậy, việc dạy và thực hành thí nghiệm vật lí đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành

kiến thức, kỹ năng và phát triển tư duy cho học sinh THPT Tuy nhiên do những điều kiện khách quan cũng như thiếu thốn về dụng cụ thí nghiệm mà việc đưa thí nghiệm vật lí vào

chế Đặc biệt là việc sử dụng các bộ thí nghiệm phần Động lực học – Vật lí 10 luôn gặp khó khăn trong việc xác định các đại lượng như gia tốc, vận tốc và lực tác dụng,… Các phương pháp truyền thống như dùng cần rung điện, đồng hồ hiện số, lực kế thường cho kết 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

xử lí số liệu thí nghiệm giúp cho việc mà việc đo đạc và xử lí số liệu thí nghiệm trở nên

ứng của 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, chương trình 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 giảng

thời như lực, gia tốc, vận tốc nên giáo viên thường thuyết trình, diễn giảng và đưa ra công

thức cho học sinh công nhận, chưa chú trọng đến việc tổ chức hoạt động dạy học sử dụng

việc phát triển tư duy và tạo niềm tin vững chắc về kiến thức mà học sinh lĩnh hội Gần

biến để chế tạo các thiết bị thí nghiệm vật lí phổ thông và ứng dụng trong giảng dạy phần

Động lực học – Vật lí 10 THPT Những công trình của tác giả đã ứng dụng hiệu quả kỹ thuật ghép nối máy tính cho các bộ thí nghiệm vật lí, nâng cao độ chính xác của các dữ

liệu thu thập cũng như giúp cho việc xử lí số liệu dễ dàng và nhanh chóng hơn Tuy nhiên, các bộ thí nghiệm này thường có dây nối từ máy tính đến vật cần khảo sát làm cho việc bố trí thí nghiệm cồng kềnh, 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 học Vật lí THPT”

2 M ục tiêu nghiên cứu

Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm cảm biến đo lực, cảm biến đo gia tốc và bộ kết nối với máy vi tính tương thích để tiến hành các thí nghiệm trong dạy học vật lí ở trường

phổ thông theo hướng tăng cường hoạt động nhận thức tích cực và sáng tạo của học sinh

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các tài liệu nguyên lý hoạt động của các 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 để xây dựng sơ đồ

và cấu 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

Đối tượng nghiên cứu: Các cảm biến đo lường, kiến thức điện – điện tử cơ bản, vi điều khiển AVR, ngôn ngữ lập trình Labview, các nội dung kiến thức vật lí THPT có sử

dụng các bộ thí nghiệm ghép nối máy tính

5 Nhi ệm vụ nghiên cứu

− Nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại và việc xây dựng, sử dụng các thiết bị thí nghiệm theo hướng phát triển hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh trong dạy học vật lí ở trường phổ thông

tốc: phạm vi đo 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 sóng radio nRFl01: 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 diện dạy học trên máy vi tính

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

đề xuất hướng cải tiến phù hợp

6 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

chứng dao động điều hòa của con lắc lò xo, kiểm chứng va chạm đàn hồi

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 TÍNH TÍCH CỰC VÀ SÁNG TẠO CỦA HỌC SINH TRONG HỌC TẬP

hiện ở sự cố gắng hết sức về nhiều mặt trong hoạt động nhận thức của HS nói chung Tính tích cực học tập là sự phát triển ở mức độ cao hơn trong tư duy, đòi hỏi một quá trình hoạt động “bên trong” hết sức căng thẳng với một nghị lực cao của bản thân nhằm đạt được

mục đích là giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra

Các bi ểu hiện của tính tích cực trong học tập:

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

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

Năng lực sáng tạo là khả năng tạo ra những giá trị mới về tinh thần, vật chất, tìm ra kiến thức mới, giải pháp mới, công cụ mới, vận dụng thành công những hiểu biết đã có

bằng cách suy luận logic hay bắt chước làm theo Năng lực sáng tạo gắn liền với kỹ năng,

kỹ xảo và vốn hiểu biết của chủ thể

Trong bất cứ lĩnh vực hoạt động nào, càng thành thạo và có kiến thức sâu rộng thì

càng tạo điều kiện cho trực giác phát triển Bởi vậy, không thể rèn luyện năng lực sáng

tạo tách rời, độc lập với học tập kiến thức về một lĩnh vực nào 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 ni ệm dạy học giải quyết vấn đề:

động như: tổ chức các tình huống có vấn đề, nêu ra vấn đề, chú ý những điều cần thiết

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

thức thu nhận được

tích cực của HS, giúp HS chiếm lĩnh được các tri thức khoa học sâu sắc, vững chắc và

triển trí tuệ, phát triển năng lực sáng tạo của HS trong quá trình học tập Trong dạy học giải quyết vấn đề, khái niệm vấn đề dùng để chỉ một khó khăn, một nhiệm vụ nhận thức

mà người học không thể giải quyết được bằng vốn tri thức, kinh nghiệm sẵn có, nghĩa là không thể dùng tư duy tái hiện đơn thuần để giải quyết mà phải tìm tòi sáng tạo và khi

giải quyết được thì người học đã thi nhận được kiến thức, kỹ năng mới

Tình huống có vấn đề là tình huống mà khi HS tham gia thì gặp khó khăn, HS ý

thức được vấn đề, mong muốn giải quyết được vấn đề đó và cảm thấy với khả năng

của mình thì hy vọng có thể giải quyết được Nghĩa là, tình huống đó phải kích thíchđược hoạt động nhận thức tích cực của HS: đề xuất vấn đề và giải quyết vấn đề đã đề xuất

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 thảo luận tập thể nhằm giải quyết vấn đề cũng như vai trò của GV trong việc tổ chức, kiểm tra, định hướng các hoạt động đó thì với mỗi nhiệm vụ nhận thức cần phải được thực

hiện theo các pha:

Trong pha này, GV giao cho HS một nhiệm vụ có tiềm ẩn vấn đề Dưới sự hướng dẫn của GV, HS quan tâm đến nhiệm vụ đặt ra, sẵn sàng nhận và tự nguyện thực hiện nhiệm vụ Trong quá trình giải quyết nhiệm vụ đó, quan niệm và giải

đối với HS xuất hiện, dưới sự hướng dẫn của GV vấn đề đó được chính thức diễn đạt

− Pha thứ hai: Học sinh hành động độc lập, tích cực, trao đổi, tìm tòi giải quyết vấn

đề Sau khi đã phát biểu vấn đề, HS độc lập hoạt động, xoay sở để vượt qua khó khăn Trong quá trình đó, khi cần, vẫn phải có sự định hướng của GV Trong quá trình tìm tòi giải quyết vấn đề, HS diễn đạt, trao đổi với người khác trong nhóm về cách giải quyết vấn đề của mình và kết quả thu được, qua đó có thể chỉnh lí, hoàn

hợp 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,

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 thể tự tìm tòi, huy động hoặc xây dựng những kiến thức và cách

kiến thức vật lí, những hành động thường gặp trong quá trình nhận thức vật lí,

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, thể 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, thể chế hóa tri thức mới HS chính thức ghi nhận tri thức mới và vận dụng Tổ chức dạy học theo tiến trình trên, GV đã tạo điều kiện thuận lợi để HS

vai 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 vấn đề như vậy, hoạt động của HS đã được định hướng phỏng theo tiến trình xây dựng kiến thức trong nghiên cứu khoa học Như

sáng tạo của HS từng bước được phát triển

1.2 THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ

1.2.1 Thí nghi ệm vật lí

khoa học trong việc nghiên cứu các hiện tượng vật lí, vì vậy chúng mang những yếu tố cơ

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 hiện tượng vật lí trên lớp học trong những điều kiện thuận tiện nhất để nghiên cứu chúng Vì

vậy, thí nghiệm vật lí đồng thời là nguồn kiến thức, phương pháp dạy học và là một dạng trực quan

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

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

1.2.2 Vai trò của thí nghiệm trong tiến trình dạy học vật lí

Thí 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 tiến hành một loạt các hoạt động trí tuệ, thể chất như: thiết kế phương án, kế hoạch thí nghiệm, lập bảng giá trị đo, chọn dụng cụ bố trí và tiến hành thu thập xử lí kết quả thí

tạo cho học sinh [1, tr.11]

Thí nghiệm góp phần vào việc phát triển toàn diện của học sinh Việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học góp phần quan trọng vào việc hoàn thiện những phẩm chất và năng lực của học sinh, đưa đến sự phát triển toàn diện cho người học Trước hết, thí nghiệm là phương tiện nhằm góp phần nâng cao chất lượng kiến thức và rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo vật lí cho HS Nhờ thí nghiệm HS có thể hiểu sâu hơn bản 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 thể sử dụng như phương tiện để đề xuất vấn đề; để cho học sinh vận dụng, củng cố kiến thức, để kiểm tra kiến thức vật lí của học sinh

hợp cho học sinh Thí nghiệm là phương tiện tổ chức các hình thức làm việc tập thể khác

nhau, bồi dưỡng phẩm chất đạo đức của học sinh Một số thí nghiệm được phân công cho

một nhóm học tiến hành do vậy đòi hỏi sự phân công phối hợp làm việc tự chủ của mỗi cá nhân trong tập thể, vì vậy trong quá trình thí nghiệm đã diễn ra một quá trình bồi dưỡng các phẩm chất đạo đức, xây dựng các chuẩn mực hành động tập thể

1.2.3 Quy trình xây d ựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí

1.2.3.1 Qui trình xây dựng thí nghiệm

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

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

điểm gì? Có đáp ứng được các yêu cầu đã nêu trên không, nhất là yêu cầu đối

với việc dạy học phát huy tính tích cực, phát triển năng lực sáng tạo của học sinh

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 của chúng với hoạt động nhận thức của HS khi sử dụng, cần cải tiến hoàn thiện; không có thí nghiệm nào để 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

cả hai trường hợp các TN phải đảm bảo được yêu cầu về mặt khoa học – kỹ thuật và yêu cầu về mặt sư phạm

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

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

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

để có thể sản xuất hàng loạt và trang bị cho các trường phổ thông

1.2.3.2 Quy trình sử dụng TN trong dạy 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 vấn đề cần nghiên cứu ở HS, GV có thể sử dụng TN theo các bước sau:

Bước 1: GV mô tả hoàn cảnh thực tiễn tạo nên một vấn đề lôi cuốn HS và yêu cầu

HS dự đoán hiện tượng có thể xảy ra

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

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

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

cầu HS tự lực phát biểu vấn đề của bài học

Giai đoạn 2: TN được sử dụng để 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 để nêu nguyên nhân của vấn đề đã được

phát biểu ở giai đoạn trước HS có thể 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

mối quan hệ nhân quả

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

− Dựa trên sự thuận nghịch thường thấy của nhiều quá trình

− Dự đoán về mối quan hệ định lượng

Bước 2: Nếu HS vẫn không đề xuất được giả thuyết thì GV sẽ tiến hành một TN để

đoán

Giai đoạn 3: TN được sử dụng để kiểm tra giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả được

suy ra từ giả thuyết

1 Để rút ra hệ quả từ giả thuyết, GV hướng dẫn HS suy luận lý thuyết Trong giai đoạn này có thể 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 để tìm ra phương hướng giải quyết vấn 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:

Bước 1: GV giúp HS nhận thức rõ điều mà họ cần tiến hành TN kiểm tra và gợi

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

Bước 2: GV tổ chức cho HS đề xuất các phương án TN để 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 nhiều triển vọng nhất

Bước 4: GV hướng dẫn HS lựa chọn thiết bị TN, bố trí dụng cụ TN, dự kiến tiến

trình TN GV bổ sung, điều chỉnh một số chi tiết cần thiết để tăng thêm hiệu quả

của thiết bị TN

Bước 5: GV tiến hành TN trên thiết bị TN đã thiết kế Nếu việc tiến hành TN

không đòi hỏi kỹ năng phức tạp thì GV có thể yêu cầu HS tự tiến hành TN, GV chỉ giúp đỡ HS khi HS gặp khó khăn

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

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

phải sử dụng TN theo cách sau:

Cách 1: GV giao cho HS nhiệm vụ sử dụng thiết bị TN đã được sử dụng để tiến hành TN khác hoặc phải sử dụng thiết bị TN có sẵn để tiến hành TN

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

hoạt động của HS dựa theo một số dạng hướng dẫn cụ thể:

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

− GV cho HS những dụng 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 để đạt được mục đích đề ra

− HS tự lựa chọn dụng cụ có sẵn, lập tiến trình TN (gồm bố trí, các bước tiến hành

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

các 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 của

việc sử dụng TN: thiết kế phương án TN, lựa chọn các chi tiết để 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 TN

HS Quá trình tổ chức hướng dẫn của GV trong giai đoạn này có thể 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 tổ chức cho HS thảo luận để lựa chọn, thiết kế, chế tạo dụng cụ TN, lập kế hoạch TN

Bước 3: GV hướng dẫn 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 vai trò quan trọng nhất ở giai đoạn kiểm tra giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả được suy ra từ

giả thuyết Việc kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả suy ra từ giả thuyết đòi hỏi HS (dưới sự hướng dẫn của GV) phải xây dựng được phương án TN đã xây dựng

Quá trình sử dụng TN theo các giai đoạn này không những tạo và duy trì hứng thú

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

1.3 GI ỚI THIỆU VỀ BỘ THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH

Để đo được các đại lượng vật lí, ta biến đổi các đại lượng không điện của đối tượng đo (1) thành các đại lượng điện nhờ các loại cảm biến (2) Tính hiệu từ các cảm

chuyển đổi ADC của vi điều khiển (3) trên board mạch thứ nhất Giá trị số này sẽ được

nhiệm vụ xử lí và gửi dữ liệu về máy tính cá nhân thông qua chuẩn giao tiếp USB, nhờ đó

mà tín hiệu hiệu gốc từ đối tượng cần đo được tái tạo lại, cung cấp các thông tin về diễn

biến của hiện tượng cần đo Thông qua giao diện người dùng trên máy tính cá nhân, người dùng có thể dễ dàng thực hiện các thao tác thu thập và xử lí số liệu thí nghiệm

1.3.1 Vi điều khiển Atmega328P

1.3.1.1 Sơ đồ chân

Atmega328P là một vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ

MegaAVR Đây là loại vi điều khiển AVR 8 bit công suất thấp

Đối tượng

đo (1)

C ảm

bi ến (2)

Vi điều khi ển (3)

Truy ền dữ liệu bằng sóng Radio 2,4 GHz

(4)

Board Arduino (5)

Máy tính +

Ph ần mềm (6)

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

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

1.3.1.2 Đặc điểm

một chu kì lệnh là 200 ns Bộ nhớ chương trình 32 Kbyte với bộ nhớ dữ liệu 2 Kbyte

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

− Bộ nhớ dữ liệu 2 Kbyte

− Tất 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

Hình 1 3 Sơ đồ các chân Atmega328P

Hình 1 2 Vi điều khiển Atmega328P

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

riêng rẽ và kiểu so sánh

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

− Chế độ bậc lại nguồn (reset)

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

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 và nạp bằng board mạch Arduino uno Sơ đồ chân và code điều khiển hoạt động của

Atmega328P ở phụ lục 2

1.3.2 Board Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý dự trên nền tảng vi điều khiển Atmega được

giới thiệu lần đầu tiên tại Italy nhằm giúp cho việc xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn

Hình 1 4 Board Arduino uno

Arduino uno là dòng 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 giống

với vi điều khiển Atmega328P Board Arduino uno được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB – to – serial, nhờ đó mà giúp cho việc lập trình

và upload chương trình dễ dàng hơn thông qua môi trường lập trình IDE trên nền tảng ngôn ngữ C Trong đề tài này, board arduino uno được sử dụng để giao tiếp với máy tính

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

để xử lí và gửi dữ liệu về máy tính cá nhân Code nạp cho Arduino thực hiện giao tiếp với máy tính và truyền nhận dữ liệu không dây được tham khảo từ các nguồn thư viện mở của

cộng đồng Arduino [12] và được chỉnh sửa cho phù hợp với đề tài

1.3.3 Chuẩn phát sóng radio

Để truyền nhận dữ liệu giữa hai board mạch, Module nRF24L01 sử dụng chip thu

dữ liệu giữa 2 module nhanh chóng thông qua sóng radio tần số 2,4 GHz Với ưu điểm là cùng một tần số truyền nhận bằng sóng radio 2,4 GHz nhưng có tới 6 kênh truyền nhận

dữ liệu khác nhau, mỗi kênh truyền nhận dữ liệu được thực hiện thông qua một địa chỉ riêng biệt [11, tr.37] Đây là ưu điểm nổi bậc so với các các module khác

Atmega328P

C ổng USB

Chân Digital

Hình 1 5 Module nRFL01 và sơ đồ các chân

Thông số kỹ thuật:

− Điện áp làm việc: 1.9 V - 3.6 V

nghỉ, module 2.4 GHz tiêu thụ 32 𝜇𝜇𝜇𝜇

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

− Có thể lựa chọn 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 thể đạt là 100 m trong môi trường không vật cản)

− Số kênh kết nối: 6 kênh

− Có sẵn anten trên module

− Phương thức giao tiếp : SPI

Sơ đồ kết nối các chân của module nRFL01 với vi điều khiển Atmega 328P như hình

Hình 1 6 Sơ đồ kết nối module nRFL01 với vi điều khiển Atmega328P

1.4 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN

Cảm biến là thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đưa vào bộ chuyển đổi ADC và đưa vào máy tính để xử lý tính 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 phản ứng của cảm biến, m là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc s cho phép

nhận 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 lệch điện thế giữa hai điểm trên một mạch cầu khi có lực tác dụng lên cảm biến Mỗi loadcell gồm một vật đàn hồi (thường là khối nhôm được xử lý đặc biệt có hình dạng tùy thuộc vào mục đích sử dụng) đóng vai trò như vật chịu tải (load), trên khối nhôm có dán 4 tấm strain gauge giống nhau (cell) đóng vai trò như các điện trở mắc thành mạch cầu Wheastone (Hình 1.7) trong đó có 2 strain gauge chịu nén và 2 strain gauge chịu dãn

Hình 1 7 M ạch cầu Wheastone và tấm strain gauge

Strain gauge là những phần tử cảm biến được chế tạo bằng bán dẫn hay kim loại

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

(excitation voltage) Nguồn điện này thường có giá trị trong khoảng 3 V – 15 V Ngõ ra

V0 là điện thế chênh lệch giữa 2 nút a và b [2]

𝑉𝑉0 = � 𝑅𝑅3

𝑅𝑅3+𝑅𝑅3− 𝑅𝑅3

Khi không bị tác động lực, điện trở của 4 tấm strain gauge (R1, R2, R3 và R4) bằng

nhau, nên cầu ở trạng thái cân bằng (V0 = 0) Khi bị tác động, vật bị biến dạng, các tấm

cảm biến thay đổi điện trở làm cầu mất cân bằng nên xuất hiện ở ngõ ra a, b một điện áp

1.4.2 C ảm biến đo gia tốc

1.4.2.1 Giới thiệu về cảm gia đo tốc

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

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

xo

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

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

và có độ lớn 𝐹𝐹 = 𝑘𝑘𝑘𝑘, với k là độ cứng của lò xo, x là khoảng dịch chuyển so với vị trí cân bằng Như vậy, để đo gia tốc ta chỉ cần đo khoảng dịch chuyển x thông qua sử dụng thuộc tính điện của tụ điện có hai bản cực song song, khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi được Nếu gắn 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 chuyển của nó dưới tác dụng của lực F, tức là xác định được gia tốc thông qua việc xác định sự thay đổi giá trị điện dung

1.4.2.2 C ảm biến đo gia tốc ADXL335

Trong đề tài này, cảm biến đo gia tốc ADXL335 [9] được sử dụng để đo gia tốc

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 C ảm biến đo gia tốc ADXL335

Các thông số hoạt động cảm biến gia tốc:

5 GND Chân tiếp đất

1.4.3 Kỹ thuật lập trình bằng ngôn ngữ Labview

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một

LabVIEW là môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị LabVIEW hỗ trợ việc xây dựng và thực thi các thuật toán

một cách nhanh, gọn và dễ hiểu nhờ các khối hình ảnh có tính gợi nhớ và cách thức hoạt động theo kiểu dòng dữ liệu (data flow) lần lượt từ trái qua phải Các thuật toán này sau

đó được áp dụng lên các mạch điện và cơ cấu chấp hành thực nhờ vào việc kết nối hệ

chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCP/IP, UDP, chuẩn GPIB,… LabVIEW hỗ trợ hầu

kế giao diện dạy học [5, tr.5]

1.4.3.1 C ấu trúc chương trình

phần cơ bản: các khối điều khiển (Control) đóng vai trò nhập giá trị đầu vào, các chỉ thị

(Indicator) đóng vai trò hiển thị kết quả, các hàm (Function) và các dây nối (wire) nối các

khối và hàm lại với nhau Các Control và Indicator đều có ảnh của chính mình bên trong

cửa sổ sau gọi là cửa sổ chứa các sơ đồ khối (Block Diagram) [1, tr 25]

Hình 1 11 Front Panel (a) và Block Diagram (b) c ủa một chương trình

Front Panel là nơi giao tiếp giữa người dùng và chương trình, nơi ta có thể thao tác

Diagram là nơi chữa các hàm, mệnh đề, toán tử, chương trình con,… giúp thực thi chương trình

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

Để tạo một chương trình đọc dữ liệu từ phần cứng bên ngoài bằng truyền thông nối

tiếp ta lần lượt thực hiện các bước sau:

liệu từ cổng COM, đặt các thông số tốc độ truyền là 9600 (Baud rate), 8 bit dữ

liệu (Data bit), thiết lập thời gian (Timeout) cho truyền thông nối tiếp

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

Buffer, chạy hàm VISA Configuration Serial Port

(read buffer) Cấu trúc Case – Error checking và Error Handling giúp thực thi chương trình nếu không có lỗi và bỏ qua chương trình khi có một lỗi phát sinh

Dùng hàm VISA Close để đóng các sự kiện được cấu hình bởi VISA resource

name T ất cả các hàm chức năng đều nằm trong vòng lặp While

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG CỦA BỘ THÍ NGHIỆM

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

đồ hình 2.1:

2.1 CẢM BIẾN ĐO LỰC

2.1.1 Yêu c ầu chế tạo

− Đo được lực tác dụng theo cả 2 chiều kéo và nén

− Sai số tương đối dưới 5%

− Độ nhạy cao

2.1.2 Chế tạo

Cảm biến lực (loadcell) được sử dụng có hình dạng như hình 2.2

Hình 2 2 C ảm biến đo lực (Loadcell)

Khi có lực tác dụng vào loadcell, điện trở của các tấm strain gauge bị thay đổi làm xuất hiện hiệu điện thế V0 của mạch cầu Tuy nhiên, do sự thay đổi này rất nhỏ (cỡ vài

Cảm biến lực Cảm biến gia tốc

Vi điều khiển Atmega328P

Arduino Máy tính

Hình 2 1 Sơ đồ bộ thí nghiệm kết nối máy tính bằng sóng radio

2.3) IC khuếch đại INA125 được sử dụng để thiết kế mạch khuếch đại vì có độ ổn định cao, giảm nhiễu, điện áp hoạt động thấp, có thể cung cấp điện áp 2.5 V cho loadcell hoạt động (từ chân 4 hoặc 5) Nguồn +5 V được cấp vào chân số 1 và 2, chân 3 và chân 12 nối GND

Sự xuất hiện điện thế do lệch cầu được đưa vào chân 6 và chân 7 tương ứng với các điện thế Vin+, Vin- Điện áp Vout sau khi khuếch đại ở chân số 11 được xác định theo

Sau khi thiết kế mạch khếch đại tín hiệu từ cảm biến, tiến hành chuẩn cảm biến bằng phương pháp chuẩn trực tiếp Treo quả nặng khối lượng từ 50 g đến 600 g để tạo lực kéo và lực nén tác dụng vào cảm biến và đo điện áp đầu ra Vout Đường cong chuẩn cảm

diễn mối quan hệ tuyến tính giữa Vout và lực F

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

Hàm tuyến tính giữa điện thế Vout và lực F: 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 0,0657𝐹𝐹 + 0,4672 V (2.2) Hai đại lượng Vout và F có mối quan hệ tuyến tính cao (R2

=0.999) Từ (2.2) tìm được công thức chuyển đổi để tính lực tác dụng vào cảm biến

𝐹𝐹 =𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 −0,4672

Điện áp Vout bộ vi điều khiển có thể đọc được từ 0 V đến 3.3 V, từ công thức 2.3 ta tính được lực mà cảm biến có thể đo được nằm nằm trong khoảng từ -7 N đến 43 N tương ứng 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

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

2.2 CẢM BIẾN ĐO GIA TỐC

2.2.1 Yêu cầu chế tạo

− Sai số tương đối dưới 3%

− Độ nhạy cao

2.2.2 Chu ẩn cảm biến

Khi cung cấp điện áp hoạt động là 3.3 V thì tín hiệu theo lý thuyết ở mỗi trục sẽ thay 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 gia

tốc trọng trường tại nơi làm thí nghiệm) Như vậy, khi gia tốc trên mỗi trục bằng 0 (giá trị

zero g) thì điện áp ngõ ra theo lí thuyết là:

𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜_0𝑔𝑔 =3.32 = 1.65 V Tuy nhiên, giá trị điện áp zero – g và độ nhạy sensitivity có thể không đúng với

thông số do nhà sản xuất đưa ra nên ta phải kiểm tra lại Cảm biến có thể đo được cả gia tốc trọng trường và gia tốc của chuyển động theo 3 phương của trục tọa độ của 3 trục tọa

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