Đề tài, báo cáo KHKT học sinh trung học

+ Học sinh có được kiến thức trong tay và tự do sáng tạo theo khả năng của bản thân: sản phẩm có thế được tạo ra từ các linh kiện rất phổ biến trên thị trường và tùy vào tầm hiểu biết lí

PHÒNG GD&ĐT

TRƯỜNG THCS

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KĨ THUẬT

CẢNH BÁO TỪ XA

Lĩnh vực: [mã] Hệ thống nhúng

Nhóm thực hiện:

Người hướng dẫn:

, ngày tháng năm

Mục lục:

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

Phần II Kết quả và thảo luận

Phần I - NHỮNG VẤN ĐÈ CHUNG

1 Lý do chọn đề tài:

Sản phẩm được nhóm tác giả thực hiện với mục đích:

- Vận dụng kiến thức Vật lí - Công nghệ vào thực tế nhằm tạo ra một sản phẩm hữu ích, dễ dàng triển khai, áp dụng vào thực tế và tính kinh tế cao với chi phí thấp

- Đồng thời, trải qua quá trình nghiên cứu, chế tạo, các em học sinh sẽ được củng

cố thêm kiến thức học được trên lớp; thấy được mối liên hệ chặt chẽ giữa lí thuyết và thực hành

- Khơi dậy đam mê, sáng tạo, tinh thần hợp tác nhóm

- Yêu lao động và trân trọng thành quả do mình và người khác tạo ra

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Về mặt khoa học, qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và chế tạo, các em học

sinh đã được kiểm nghiệm các hiện tượng vật lí – công nghệ như:

+ Đặc tính truyền thẳng của ánh sáng + Công dụng của các linh kiện điện tử và dựa vào đó thiết kế, lắp ráp mạch điện

+ Học sinh có được kiến thức trong tay và tự do sáng tạo theo khả năng của bản thân: sản phẩm có thế được tạo ra từ các linh kiện rất phổ biến trên thị trường và tùy vào tầm hiểu biết lí thuyết và nhận thức từ thực

tế của các em mà có thể tạo ra bằng nhiều cách: hoặc lắp ráp toàn bộ sản phẩm từ các linh kiện cơ bản (điot, tụ điện, tranzito, …); hoặc điều chỉnh lại và kết hợp các modun có sẵn; hay thậm chí có thể tận dụng từ các thiết

bị, vật dụng cũ, hỏng (như ôtô đồ chơi, đèn ngủ cảm biến, …) … theo những cách đó, đòi hỏi về kiến thức và kĩ năng được giảm dần

+ Các em hình dung được một cách cơ bản thế nào là nghiên cứu khoa học từ đó hình thành lối tư duy khoa học và tác phong làm việc một cách khoa học

- Về mặt thực tiễn, sản phẩm được tạo ra ngoài mục đích học tập, nghiên cứu còn

hướng đến tính hữu ích và đơn giản khi áp dụng vào thực tế:

+ Tính hữu ích được thể hiện ở chỗ sản phẩm hoàn toàn có thể được

sử dụng trong thực tế: chức năng báo động từ xa trên xe máy, xe đạp hoặc báo động gắn vào một không gian cố định (cửa sổ, cửa chính, cổng …)

+ Sản phẩm được thiết kế theo hướng mở và tính hiện đại: có thể phát cảnh báo bằng ánh sáng, âm thanh, tự động gọi điện thoại tới số thuê bao bất kì, và nếu được nghiên cứu và phát triển tiếp sản phẩm hoàn toàn có thể nâng cấp chức năng cảnh báo bằng email, hình ảnh

3 Mục tiêu nghiên cứu:

- Sản phẩm được đầu tư một cách nghiêm túc với mục tiêu sản phẩm sẽ hoạt động ổn định, lâu bền; Thực hiện tốt chức năng cảnh báo

- Ngoài ra, sản phẩm sẽ góp phần định hình lối tư duy sáng tạo ra những thiết bị hữu ích từ những thiết bị, vật dụng bỏ đi

4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu và chế tạo sản phẩm chủ yếu được thực hiện trong nhóm học sinh dưới sự hướng dẫn của giáo viên bộ môn vật lí – công nghệ trong nhà trường

- Với sự hạn chế của việc học từ lâu đã ít đi đôi với thực hành nên trong quá trình hoàn thiện sản phẩm các em học sinh cần có sự hỗ trợ của giáo viên

5 Phương pháp nghiên cứu:

5.1 Nghiên cứu kĩ các kiến thức liên quan như: quang trở, điện trở, đi ốt, tụ điện, tia lazer, nam châm điện, biến áp,

5.2 Thảo luận, đề xuất và thống nhất phương án chế tạo mô hình và kịch bản hoạt động của thiết bị

5.3 Giải quyết các vấn đề phát sinh trong quá trình thực hiện

5.4 Chạy thử trên mô hình

5.5 Tham khảo các ý kiến đóng góp của thầy, cô

5.6 Hoàn thiện sản phẩm

6 Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu đặc tính và khả năng ứng dụng của các linh kiện điện tử

- Nghiên cứu sự tương tác điện - điện, điện - quang giữa các linh kiện như: khả năng cản trở dòng điện của điot, sự thay đổi điện trở của quang trở khi thay đổi ánh sáng, khả năng khuếch đại và điều khiển đóng/ cắt của tranzitor, …

- Tìm hiểu các giá trị hiệu điện thế định mức, cường độ dòng điện định mức, điện trở của các linh kiện, thiết bị điện, từ đó tính toán, phân áp để các thiết bị hoạt động chính xác, ổn định và tiết kiệm điện năng

- Tìm hểu cơ chế hoạt động của mạch bàn phím điện thoại di động, các mạch điện của cổng kết nối với tai nghe điện thoại, từ đó can thiệp vào mạch điện trên điện thoại để điện thoại có thể nhận lệnh thực hiện cuộc gọi từ cổng kết nối tai nghe

- Dưới đây, bản báo cáo xin được minh họa quá trình hoàn thành và thử nghiệm

sản phẩm như sau (một số hình ảnh chi tiết sẽ được trưng bày tại hội thi):

6.1 Sơ đồ khối:

Sóng vô tuyến Tia lazer

BIẾN KHỐI XỬ LÍ TÍN HIỆU VÀ

CẢNH BÁO

- Hình ảnh thực tế:

(Từ trái qua phải: Khối laser, Khối cảm biến, Khối xử lí tín hiệu và cảnh báo (kèm điện thoại và dây kết nối)

a) Khối laser:

- Được cấp điện từ 2 pin 3v và

phát tia laser tới khối cảm biến

- Bộ phận chính của khối laser

là điot phát tia laser(1) (tham

khảo trong phần phụ lục)

- Ngoài ra, khối được cải tiến

gắn thêm khớp động nhằm

điều chỉnh độ lệch của tia lazer

khi cần thiết

Ngõ ra của tia laser Khe điều chỉnh góc

Công tắc nguồn Pin 3v Đèn phát laser

b) Khối cảm biến:

- Sử dụng nguồn điện 1 chiều

cấp bởi 2 pin 3v

- Linh kiện quan trọng của khối

là quang trở (2)

- Khối sử dụng 2 mắt nhận cảm

biến trong đó một cảm biến nối

dài được sử dụng trong trường

hợp gắn khối này lên xe máy

- Khi có sự thay đổi ánh sáng

tác dụng vào bề mặt, quang trở

sẽ bị thay đổi trở kháng của

chính nó Khi đó, tính hiệu

quang được biến đổi thành tính

hiệu điện đưa tới tranzito (4)

- Tranzito khuếch đại tín hiệu từ

quang trở rồi đưa tới modun

phát tín hiệu vô tuyến (5)

Mắt cảm biến 1 Mắt cảm biến 2 và cổng kết nối (3)

Modun vô tuyến Modun cảm biến (4) Ăngten

c) Khối báo động:

- Sử dụng nguồn điện 1 chiều cấp

bởi 2 pin 3v

- Khối báo động được điều khiển

bởi tín hiệu vô tuyến phát ra từ

khối cảm biến

- Khối báo động có thể được thay

thế bằng nhiều thiết bị khác nhau

nhằm mục đích tạo ra cảnh báo,

ví dụ như chuông điện, đèn led,

hoặc camera, điện thoại,

- Với phiên bản hiện tại, khối báo

động được thiết kế kết nối với

điện thoại di động, nhờ đó, ngoài

việc cảnh báo tại chỗ, thiết bị còn

có thể tự động thực hiện cuộc gọi

tới số thuê bao di động được chỉ

định sẵn

Thu và xử lí tín hiệu Dây kết nối tới đ.thoại

Cổng kết nối với điện thoại Ăngten

Modun vô tuyến (5) K.nối trung gian (6) tới đ.thoại (7)

6.2 Lắp đặt - Hướng dẫn sử dụng:

Với mục đích tạo ra sự tùy biến cao, ta có thể lắp và sử dụng sản phẩm như sau: a) Trường hợp 1 - Chống trộm trên xe máy:

[Hình ảnh mô tả thao tác các bước]

1 Đặt khối cảm biến vào trong ngăn đựng

đồ xe máy

2 Kết nối dây cảm biến với khối cảm biến, đầu còn lại gắn vào một vị trí trên mép yên xe hoặc tay lái bằng lực hút nam châm.

3 Gắn khối laser vào vị trí thích hợp bằng

5 Điều chỉnh tia laser vào đúng vị trí cảm

biến đã được gắn trên xe máy

6 Kết nối điện thoại với khối báo động, nhập số điện thoại cần báo động sau đó khởi động khối báo động

(Khối này không cần đặt gần các khối còn lại vì kết nối không dây)

- Hoạt động:

Khi có tác động ngoài ý muốn vào xe máy thì vị trí của mắt cảm biến nối dài bị thay đổi và không nhận được tín hiệu laser truyền tới

Tín hiệu được truyền về khối cảm biến

Trong khối cảm biến: modun cảm biến chuyển tín hiệu từ mắt cảm biến thành tín hiệu điện và truyền sang modun phát sóng vô tuyến

Sóng vô tuyến truyền tới khối cảnh báo

Trong khối cảnh báo, tín hiệu được chuyển thành tín hiệu điện đi tới diot phát quang 7 màu

Tín hiệu từ diot được chuyển thành lệnh thực hiện cuộc gọi báo động tới số máy cài đặt trước

b) Trường hợp 2 - Lắp thiết bị vào những vị trí cố định như cổng, cửa chính, cửa sổ:

[Thao tác sử dụng và cách thức hoạt động sẽ được trình diễn trực tiếp tại khu trưng bày và giới thiệu sản phẩm]

Trong trường hợp này, ta có thể không cần sử dụng tới mắt cảm biến từ xa, cách

bố trí đơn giản hơn trường hợp 1

Nguyên tắc hoạt động tương tự như trong trường hợp 1

7 Những điểm mới của dự án:

- Đây là sản phẩm đầu tiên được nhóm các em học sinh thực hiện Nên mặc dù không trực tiếp kế thừa nghiên cứu trước đó nhưng so với một số sản phẩm hiện có trên thị trường, sản phẩm vẫn có một số điểm mới tiến bộ như sau:

+ Có thể tự lắp ráp, tận dụng từ một số thiết bị điện dùng trong sinh hoạt, giải trí

+ Dễ kiểm tra, sửa chữa vì các linh kiện được lắp theo từng khối riêng biệt

+ Có tính hiện đại: báo động bằng cách tự động thực hiện cuộc gọi, và tính năng này được bổ sung bằng việc can thiệp khá đơn giản vào một chiếc điện thoại phổ thông mà không phải sử dụng một modun gắn simcard đặc biệt

+ Có tính mở: tín hiệu cảnh báo là tín hiệu điện/ điện trở được đưa ra cổng kết nối ngoài, nhờ vậy ta có thể thay thế các hình thức cảnh báo phát đi theo ý muốn (âm thanh, hình ảnh, sóng điện thoại) hay có thể nâng cấp cảnh báo hình ảnh miễn sao

ta biến đổi được tín hiệu điện/ điện trở thành lệnh tương ứng với các thiết bị có sẵn khác (chuông điện, đèn led, điện thoại, camera, )

Phần II - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 Kết quả:

- Kết quả mang lại đáp ứng được kì vọng ban đầu đặt ra:

+ Tia laser truyền ánh sáng đi rất xa, không bị tán xạ và đặc biệt không để lại vệt sáng trên tia chiếu Điều này rất quan trọng giúp thiết bị báo động khó bị phát hiện khi áp dụng vào thực tế

+ Khối cảm biến hoạt động tốt, phản ứng chính xác khi tia laser chiếu/ ngừng chiếu tới

+ Khối báo động hoạt động tốt, nhận được tín hiệu dạng sóng không dây tới chính xác, đưa ra báo động chính xác và lệnh cho điện thoại thực hiện cuộc gọi tức thời

+ Điện thoại nhận được đầy đủ lệnh từ khối báo động và thực hiện cuộc gọi báo động chính xác

+ Trải qua nhiều giờ thử nghiệm, toàn bộ hệ thống phát ra báo động với độ chính xác cao, ổn định, không gặp sự cố về điện, nhiệt, không gây nguy hiển cho người

sử dụng

2 Thảo luận:

Sản phẩm đã đạt được kết quả như mong đợi, tuy nhiên còn một số tồn tại sau:

2.1 Do quá trình lắp ghép, đóng gói thủ công nên không gian bên trong sản phẩm còn để nhiều chỗ trống, do vậy sản phẩm chưa đạt được kích thước thực sự nhỏ gọn dẫn tới phần nào làm giảm tính cơ động

2.2 Khi áp dụng vào thực tế trong trường hợp thiết bị gắn ở cửa ra vào, với không gian rộng, có thể chỉ 1 tia laser là không đủ quét qua vật cản

Để giải quyết vấn đề này, nhóm tác giả dự định lắp thêm gương phẳng nhằm tạo

ra các đường laser gấp khúc (đặc tính tia laser là truyền được rất xa và ổn định)

Tuy nhiên, với các giải pháp trên, nhóm tác giả vẫn gặp khó khăn về kiến thức lí thuyết (phân áp dòng điện) và độ sai số khi kéo dài hành trình của tia laser (góc nghiêng của các tấm gương phẳng có thể bị thay đổi khi nhiệt độ, độ ẩm làm cong, vênh các giá đỡ gương) Vì vậy, nhóm tác giả mong nhận được góp ý, chia sẻ của BGK

và mọi người

Phần III - KẾT LUẬN KHOA HỌC

- Sản phẩm đã kết hợp được một cách hiệu quả giữa các linh kiện điện cơ bản, gần gũi trong trong các thiết bị điện gia đình và đặc biệt các kiến thức được sử dụng ở đây có sự liên hệ chặt chẽ với các bài học vật lí - công nghệ trong nhà trường phổ thông

- Sản phẩm có tính thực tế cao bởi:

+ Hoạt động tốt, ổn định, an toàn + Chi phí rẻ (xem thêm phần phụ lục) + Thiết kế đơn giản: mỗi khối được đóng gói riêng biệt và hoàn toàn có thể thiết kế lại để giảm kích thước một cách đáng kể

+ Triển khai nhanh chóng và đơn giản: Các khối được liên kết với nhau bởi tín hiệu không dây

+ Có thể phát triển sản phẩm theo hướng hiện đại hơn, ví dụ thay cơ chế thu - phát tia laser thành tia hồng ngoại (không có màu), thêm và nâng cấp hình thức đưa ra cảnh báo

Phần IV - TÀI LIỆU THAM KHẢO/ TRÍCH DẪN KHOA HỌC

- Sách giáo khoa vật lí

- Diễn đàn http://www.dientuvietnam.net/

- Quang điện trở, tụ điện, đi ốt, : https://vi.wikipedia.org

Phần V - PHỤ LỤC VÀ GHI CHÚ

(1) Diot laser

- Kích thước nhỏ gọn

- Điện áp hoạt động: 3v - 4,5v

- Có bán rất phổ biến với giá

thành ~ 15.000 đ

(2) Quang trở

- Kích thước tương tự một đèn

báo led

- - Có bán rất phổ biến hoặc tháo

ở bóng đèn ngủ cảm biến với giá

thành ~ 25.000 đ

(3) Mắt cảm biến 2

- Tận dụng từ dây tai nghe điện

thoại

- Gồm: quang trở, nam châm và

giấy (decal) chắn sáng

- Giấy decal có tác dụng chắn

ánh sáng tự nhiên chiếu vào

quang trở nhưng tia laser vẫn đi

qua và tác động được vào quang

trở.

(4) Mạch điện đóng, cắt bằng

tranzito (modun cảm biến) - ứng

dụng quang trở

- Có thể tận dụng từ mạch đèn

ngủ loại tự bật/ tắt bằng cách

điều chỉnh mạch điện để sử dụng

nguồn 2 pin 3v (mạch đèn nguyên

bản sử dụng điện 220v xoay

chiều)

- Rơle được sử dụng trong bản

thử nghiệm, bản chính thức được

cắt bỏ rơle và thay bởi đường dây

dẫn tới modun vô tuyến

(5) Modun vô tuyến

- Hoạt động trên nguyên tắc cộng

hưởng sóng cùng tần số

- Có thể tận dụng mạch từ điều

khiển ô tô đồ chơi của trẻ em.

- Giá thành linh kiện: ~ 150.000 đ

(6) Kết nối trung gian (với điện

thoại)

- Sử dụng một diot led nháy áp

sát với một quang trở sau đó

được bọc kín để ngăn không cho

tiếp xúc với ánh sáng bên ngoài

- Đầu ra của kết nối sử dụng jac

3.5mm lấy từ điện thoại hỏng.

- Nguyên lí: khi diot nháy sẽ làm

cho quang trở thay đổi giá trị

điện trở của chính nó Quang trở

nối tiếp với mạch điện đi ra cổng

kết nối Khi đó quang trở sẽ như

một khóa đóng/ cắt mạch điện tự

động tùy theo diot led sáng hay

tối.

(7) Điện thoại

- Điện thoại phổ thông có bàn

phím cứng có thể tận dụng từ điện

thoại cũ, bỏ đi hoặc mua với giá

khoảng 200.000đ

- Nguyên tắc bàn phím cứng: khi

ta nhấn phím, thực chất là tác

động lực làm lá thép bên trong

cong xuống làm nối thông mạch

điện.

- Nhờ vào đặc điểm trên, ta cần

tạo thêm một mạch điện nhỏ dẫn

tử vị trí phím gọi (màu xanh) tới

cổng kết nối tai nghe của điện

thoại.

- Tạm ngắt mạch từ micro, loa

trong tới cổng tai nghe, khi đó

cổng kết nối tai nghe có chức

năng như phím gọi của điện

thoại.

- Một quang trở trong hộp báo

động được mắc nối tiếp với dây

kết nối do vậy quang trở sẽ thay

đổi điện trở của mạch.

- Cuối cùng kết nối cổng trên với

hộp báo động bằng dây truyền âm

thanh, như vậy điện thoại sẽ thực

hiện cuộc gọi tùy vào việc thay

đổi điện trở của dây kết nối.