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 DÒNG 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 ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................. 3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................... 6
2.1. Lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng đặt trong từ trường ......................... 6
2.1.1. Công thức ........................................................................................... 6
2.1.2. Đồ thị .................................................................................................. 7
2.1.3. Các đại lượng cần kiểm chứng, đo đạc .............................................. 8
2.2. Vi điều khiển Arduino Nano .................................................................... 9
2.2.1. Lịch sử hình thành .............................................................................. 9
2.2.2. Cấu tạo vi điều khiển Arduino Nano CH340 ..................................... 9
2.2.3. Chức năng mạch Arduino Nano CH340 trong mô hình .................... 9
2.3. Cảm biến lực (Loadcell) ......................................................................... 12
2.4. IC khuếch đại đo lường INA125P .......................................................... 13
2.5. Một số linh kiện khác ............................................................................. 13
2.5.1. Động cơ điện một chiều ................................................................... 13
2.5.2. Mạch tạo dao động sử dụng IC555 .................................................. 14
2.5.3. Hệ truyền động bánh răng ................................................................ 16
2.5.4. Relay ................................................................................................. 17
2.5.5. Encoder ............................................................................................. 17
2.5.6. LCD 16x02 – I2C ............................................................................. 18
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................ 20
3.1. Mô hình thí nghiệm ................................................................................ 20
3.1.1. Hệ cơ học .......................................................................................... 20
3.1.2. Nam châm điện ................................................................................. 20
3.1.3. Hệ thống truyền động ....................................................................... 21
3.1.4. Hệ đồng hồ và biến trở điều chỉnh dòng điện .................................. 22
3.2. Mạch điện tử ........................................................................................... 23
3.2.1. Nguyên lí hoạt động của mạch điện tử ............................................. 23
3.2.2. Chức năng của từng bộ phận trong hệ thống ................................... 23
3.3. Mạch điện tử hoàn chỉnh ........................................................................ 24
3.3.1. Cách sử dụng mạch điện tử .............................................................. 25
3.4. Kết quả đo đạc ........................................................................................ 26
3.4.1. Khảo sát từ trường bên trong nam châm chữ U ............................... 26
3.4.2. Khảo sát lực từ tác lên dòng điện thẳng ........................................... 32
CHƯƠNG 4. 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 do Công ty Cổ phần Sách và
Thiết bị trường học TP. Hồ Chí Minh (a) [1], Công ty TNHH Ngày Chủ Nhật
(SUNDAY) (b) [2] và Công ty Pasco (Mỹ) (c, d) sản xuất [3] .......................... 3
Hình 1.2. Bộ thí nghiệm đo lực từ bằng hệ thống cân điện tử của nhóm sinh
viên Trần Trọng Tân và Nguyễn Khánh – Khoa Vật Lý, trường Đại học Sư
phạm TP.Hồ Chí Minh [4] .................................................................................. 4
Hình 2.1. Sơ đồ thể hiện lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng có dòng
điện chạy qua ...................................................................................................... 7
Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ F
theo góc (a) hoặc theo
sin (b) theo lý thuyết ........................................................................................ 7
Hình 2.3. Vi điều khiển Arduino Nano CH340 (a) và sơ đồ chân (b) [6] ......... 9
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lí mạch cầu Wheatstone của loadcell (a) [8] và hình
ảnh mô phỏng cấu tạo cảm biến lực – loadcell (b) [9] ..................................... 12
Hình 2.5. IC khuếch đại đo lường INA125P (a) và sơ đồ chân (b) ................. 13
Hình 2.6. Mô hình nguyên lí hoạt động của động cơ DC ................................ 14
Hình 2.7. IC NE555 (a) và 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 cơ DC hoạt động [11] ................. 16
Hình 2.10. Nam châm điện và bánh răng trục chính (a), hệ thống ba bánh răng
truyền động của động cơ DC (b) ...................................................................... 16
Hình 2.11. Relay (a) và sơ đồ chân (b) [13] .................................................... 17
Hình 2.12. Mô hình nguyên lí hoạt động của encoder [15] ............................. 18
Hình 2.13. Màn hình LCD 16x02 (a) và module I2C (b) ................................ 18
Hình 3.1. Hệ cơ học và các thông số kích thước ............................................. 20
Hình 3.2. Nam châm chữ U được tích hợp cổ góp (a) và hệ thống chổi than kết
nối với nguồn vào (b) ........................................................................................ 21
Hình 3.3. Hệ động cơ và truyền động của bộ thí nghiệm ................................ 22