Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Thiết kế mô hình Mặt trời – Trái đất – Mặt trăng phục vụ giảng dạy thiên văn học cho học sinh Tiểu học và Trung học cơ sở

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài là xây dựng được mô hình mô phỏng chuyển động tương đối của Mặt Trời, Trái Đất, Mặt Trăng với kích thước, vị trí, khoảng cách và tốc độ quay phù hợp; mô hình nhỏ gọn dễ quan sát cho các nhóm học; có hiển thị tốc độ quay lên LCD trong hộp điều khiển và các nút nhấn giúp người sử dụng dễ thực hiện các thao tác đơn giản. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Thiết kế mô hình Mặt trời – Trái đất – Mặt trăng phục vụ giảng dạy thiên văn học cho học sinh Tiểu học và Trung học cơ sở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ VÕ TRẦN KHOA NGUYÊN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC CHO HỌC SINH TIỂU HỌC VÀ TRUNG HỌC CƠ SỞ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TP. HỒ CHÍ MINH – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ VÕ TRẦN KHOA NGUYÊN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC CHO HỌC SINH TIỂU HỌC VÀ TRUNG HỌC CƠ SỞ Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC CN. NGUYỄN TẤN PHÁT TP. HỒ CHÍ MINH - 2018
i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Nguyễn Tấn Phát, người đã hướng dẫn em xuyên suốt trong quá trình thực hiện khóa luận này. Thầy đã tận tâm, tận tình chia sẻ và chỉ dạy mọi thứ cho em để hoàn thành thật tốt khóa luận. Em xin gửi lời cảm ơn từ tận đáy lòng đến Thầy Nguyễn Hoàng Long đã luôn giúp đỡ, hỗ trợ ý tưởng và kỹ thuật cho mô hình của em hoạt động một cách suôn sẻ và tốt nhất. Bên cạnh đó, em xin gửi lời tri ân đến Thầy Nguyễn Lâm Duy và Thầy Ngô Minh Nhựt đã luôn động viên, quan tâm, hỗ trợ và tạo động lực giúp em những lúc gặp khó khăn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô giảng viên khoa Vật lý và các khoa của trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh đã truyền dạy kiến thức, kinh nghiệm và bản lĩnh nghề nghiệp cho em trong suốt chặng đường bốn năm đại học, các phòng ban, tổ bảo vệ đã tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện khóa luận này. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân thương và các bạn trong phòng thí nghiệm Vật lý đại cương nâng cao đã luôn động viên, giúp đỡ, san sẻ về mặt vật chất và tinh thần trong suốt quãng thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 4 năm 2018 Sinh viên Võ Trần Khoa Nguyên
ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ iv DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................v MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .......................................................................................1 II. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI ..........................................................................................2 IV. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................3 V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................5 1.1. BOARD MẠCH VI XỬ LÝ ARDUINO ............................................6 1.1.1. Tổng quan ......................................................................................6 1.1.2. Giới thiệu board mạch Arduino Uno .............................................8 1.2. CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ CÁC CẢM BIẾN LIÊN QUAN .10 1.2.1. LCD ..............................................................................................10 1.2.2. Module giao tiếp I2C cho LCD ...................................................10 1.2.3. Cảm biến từ Hall sensor KY 024 .................................................11 1.3. ĐỘNG CƠ DC VÀ MODULE ĐIỀU KHIỂN .................................12 1.3.1. Động cơ DC một chiều ................................................................12 1.3.2. Module điều khiển động cơ L298 ................................................13 1.4. Lý luận dạy học bằng mô hình mô phỏng .........................................14
iii 1.4.1. Khái niệm phương tiện trực quan ................................................14 1.4.2. Phương pháp dạy học trực quan...................................................14 1.4.3. Phương tiện dạy học.....................................................................15 1.4.4. Mô hình mô phỏng trong dạy học các môn tự nhiên xã hội và dạy học bộ môn Vật lý .............................................................................................17 CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................20 2.1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH .......................................................................20 2.1.1. Sơ đồ khối quá trình thiết kế và chế tạo .......................................20 2.1.2. Hệ bánh răng truyền động ............................................................20 2.2. CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG................25 2.2.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ mô hình mô phỏng hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng: ....................................................................................25 2.2.2. Đánh giá bộ mô hình khóa luận đã thực hiện ..............................27 2.3. GỢI Ý CÁCH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TRONG DẠY HỌC .........28 2.3.1. Cách thức hoạt động và cách áp dụng mô hình trong dạy học ....28 2.3.2. Soạn thảo tiến trình dạy học ở cấp tiểu học một số bài có sử dụng bộ mô hình mô phỏng đã xây dựng...................................................................31 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................45 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................46 PHỤ LỤC ..................................................................................................................48
iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Các thông số của Arduino Uno R3 [1] ............................................48 Bảng 3.2: Bảng chức năng các chân của LCD [15].........................................48
v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mô hình thiên văn của nhà sách thiết bị trường học .........................5 Hình 1.2: Hình ảnh mô hình sáng tạo dạy học tại một cuộc thi tại Hà Nội. .....6 Hình 1.3: Một số board mạch Arduino hiện nay ...............................................7 Hình 1.4: Sơ đồ các chân của Arduino Uno [6] ................................................8 Hình 1.5: Sơ đồ khối sử dụng Arduino trong bộ thí nghiệm .............................9 Hình 1.6: Sơ đồ chân LCD 16x2 [15] .............................................................10 Hình 1.7: Module chuyển I2C (a) và màn hình LCD tích hợp I2C (b) ...........11 Hình 1.8: Module cảm biến từ Hall KY 024 ...................................................12 Hình 1.9: Sơ đồ chân IC L298 .........................................................................13 Hình 1.10: Tháp hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học [8] ...........................16 Hình 2.1: Tóm tắt quá trình thực hiện .............................................................20 Hình 2.2: Giao diện phần mềm Gearotic 3x ....................................................22 Hình 2.3: Sơ đồ hệ truyền động bằng bánh răng sử dụng trong mô hình .......22 Hình 2.4: Sơ đồ hệ truyền động đầy đủ khi gắn vào motor DC ......................23 Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ thí nghiệm ................................................................25 Hình 2.6: Một phần hệ truyền động bằng bánh răng .......................................26 Hình 2.7: Quỹ đạo Mặt Trăng và sơ đồ các pha Mặt Trăng ............................26 Hình 2.8: Mô hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng hoàn chình ..............27 Hình 2.9: Hình ảnh hộp điều khiển .................................................................28 Hình 2.10: Mô hình Trái Đất – Mặt Trăng (a) và mô hình Mặt Trời (b) ........30 Hình 2.11: 2 cảm biến từ Hall xác định thời điểm nguyệt thực ......................30
1 MỞ ĐẦU I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Đất nước Việt Nam chúng ta đang có những sự chuyển mình toàn diện về kinh tế, văn hóa và giáo dục nhằm thực hiện được mục tiêu công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước. Trong thời đại bùng nổ khoa học và thông tin, tri thức thực tiễn và sáng tạo là một trong những yếu tố then chốt và động lực để phát triển. Do đó, trách nhiệm rèn luyện và phát triển tương lai đất nước của ngành giáo dục và đào tạo là vô cùng to lớn. Giáo dục và đào tạo đã và đang có những thay đổi tích cực thông qua hàng loạt cải cách và đổi mới. Trong Nghị quyết Hội nghị lần thứ 8 của Ban Chấp hành Trung ương nêu rõ: “Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại, phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức, kỹ năng của người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc. Tập trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự học, tạo cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kỹ năng, phát triển năng lực.” [9]. Trong những năm qua, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã ban hành nhiều đổi mới về nội dung, chương trình, sách giáo khoa, sách tham khảo, dụng cụ và thiết bị dạy học, tăng cường và phát triển các phần mềm dạy học tích cực, tăng cường và đổi mới phương pháp dạy học ở các bậc học khác nhau. Tuy nhiên, việc áp dụng các phương pháp dạy học mới, tích cực vẫn còn gặp nhiều hạn chế khi đội ngũ giáo viên vẫn chưa làm quen và được đào tạo bài bản các phương pháp mới, trang thiết bị dạy học chưa đồng bộ, còn nhiều khó khăn và thiếu sót. Hiện nay, các mô hình phục vụ giảng dạy ở các cấp học còn rất thiếu thốn và hạn chế, đặc biệt là ở bộ môn Vật Lý. Việc giảng dạy Vật Lý thông qua các bộ dụng cụ, mô hình là một trong những phương pháp rất hiệu quả để truyền đạt những kiến thức khó và trừu tượng cho học sinh, đồng thời góp phần phát huy tư duy sáng tạo, năng lực tự tìm tòi, khám phá tri thức của người học.
2 Trong chương trình Tự nhiên và Xã hội ở cấp bậc tiểu học cũng như chương trình Vật Lý ở cấp bậc trung học cơ sở, thiên văn học là một phần kiến thức rất quan trọng. Tuy nhiên, học sinh chỉ được lĩnh hội các kiến thức ở phần này thông qua đọc chép, học thuộc lý thuyết hoặc quan sát qua tranh ảnh. Các bộ dụng cụ, mô hình phục vụ giảng dạy thiên văn học hiện còn rất hạn chế, chủ yếu là các sản phẩm nước ngoài nên không phù hợp với điều kiện giảng dạy ở nước ta. Từ những lý do nêu trên, đề tài khóa luận “THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC CHO HỌC SINH TIỂU HỌC VÀ TRUNG HỌC CƠ SỞ” hướng đến việc xây dựng mô hình Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng là một mô hình mô phỏng đơn giản, nhỏ gọn nhưng được thiết kế với các tỉ lệ phù hợp với mục đích giảng dạy của người giáo viên. Mô hình này thể hiện tương đối chính xác tỉ lệ về tốc độ quay, số vòng quay của Trái Đất quanh Mặt Trời và Mặt Trăng quanh Trái Đất nhờ hệ thống bánh răng được truyền động từ một động cơ DC điều khiển bởi board mạch vi xử lý Arduino. Ngoài ra, bộ mô hình này còn thể hiện rõ trục nghiêng của Trái đất là 23,50, từ đó giải thích được hiện tượng các mùa trong năm, các pha của Mặt Trăng và hiện tượng nguyệt thực. Với ưu điểm nhỏ gọn, trực quan, có thể thay đổi được tỉ lệ tốc độ quay của các thiên thể, bộ mô hình này là một công cụ đắc lực cho các giáo viên trong việc giảng dạy các kiến thức thiên văn học cho học sinh cấp bậc tiểu học và trung học cơ sở. II. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Xây dựng được mô hình mô phỏng chuyển động tương đối của Mặt Trời, Trái Đất, Mặt Trăng với kích thước, vị trí, khoảng cách và tốc độ quay phù hợp; mô hình nhỏ gọn dễ quan sát cho các nhóm học; có hiển thị tốc độ quay lên LCD trong hộp điều khiển và các nút nhấn giúp người sử dụng dễ thực hiện các thao tác đơn giản.
3 III. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: Vi điều khiển Arduino và linh kiện điện tử; động cơ DC; hệ thống truyền chuyển động bằng bánh răng; kiến thức về chuyển động của hệ Mặt Trời, Trái Đất, Mặt Trăng; các tài liệu liên quan về ứng dụng dạy học qua các mô hình mô phỏng. - Phạm vi nghiên cứu: Kiến thức thiên văn học trong chương trình dạy học tự nhiên xã hội cấp tiểu học; chương trình Vật Lý các cấp trung học. IV. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu kiến thức về board mạch vi xử lý Arduino. - Nghiên cứu các kiến thức về linh kiện điện – điện tử căn bản. - Nghiên cứu về các loại động cơ nói chung và động cơ DC nói riêng nhằm xây dựng cấu trúc mô hình. Nghiên cứu mạch điều khiển động cơ L298 để điều khiển động cơ DC. - Mô phỏng và chạy thử bảng mạch điều khiển động cơ trên phần mềm mô phỏng Proteus 8. - Nghiên cứu kỹ về hệ thống truyền động bằng bánh răng trên phần mềm Gearotic 3x nhằm tạo được hệ thống quay ổn định, chắc chắn và chính xác. - Vẽ bảng vẽ và thiết kế hệ thống truyền động bằng bánh răng. Từ đó kết hợp động cơ DC để thiết kế và lắp đặt mô hình mô phỏng. - Nghiên cứu các phương pháp dạy học tích cực hiện nay. - Đánh giá việc ứng dụng mô hình trong một tiết dạy tự nhiên xã hội thông qua giáo án bài dạy. Nêu rõ tính đổi mới thông qua việc sử dụng mô hình trong việc dạy và học. - Đánh giá tổng quan bộ mô hình mô phỏng, nêu ưu và nhược điểm. Từ đó đề xuất cải tiến phù hợp.
4 V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu về Điện– Điện tử, mạch Arduino, động cơ DC, hệ số truyền chuyển động bằng bánh răng. - Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Tiếp thu ý kiến từ giảng viên hướng dẫn, bạn bè, thầy cô trong khoa cũng như thầy cô đang dạy tại các trường để thiết kế mô hình. - Phương pháp thực nghiệm: Kiểm tra hoạt động của hệ mô hình.
5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiện nay các mô hình thiên văn được sử dụng trên thị trường dạy học chủ yếu là bộ mô hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng của nhà sách thiết bị trường học Nguyễn Tri Phương. Hình 1.1: Mô hình thiên văn của nhà sách thiết bị trường học Hệ mô hình trên nhỏ gọn, tuy nhiên trên thực tế chưa quay chính xác về số vòng quay của Trái Đất, Mặt Trăng. Bên cạnh đó mô hình chưa trình bày được các pha và quỹ đạo quay của Mặt Trăng nghiêng khoảng 5°. Hệ mô hình đơn giản được cắm vào nguồn điện 12V-24V, thiếu khả năng tương tác với người sử dụng. Ngoài ra, tại các trường học hiện nay, giáo viên và học sinh chủ yếu học tập kiến thức thiên văn qua các mô hình tự chế tạo và trang trí, thô sơ, đơn giản, tuy nhiên khó quan sát, chủ yếu cung cấp cho học sinh kiến thức về màu sắc, kích thước, vị trí của các thiên thể trong hệ Mặt Trời.
6 Hình 1.2: Hình ảnh mô hình sáng tạo dạy học tại một cuộc thi tại Hà Nội. Bộ mô hình trong khóa luận của tôi dựa trên ý tưởng xây dựng một hệ cơ truyền động bằng bánh răng, cùng với trung tâm là board mạch vi xử lý điện tử nhằm nhận và phát các tín hiệu khi người sử dụng tương tác với mô hình. Bên cạnh đó mô hình sử dụng thêm các cảm biến nhằm phát hiện tượng đặc biệt xảy ra như nhật thực, nguyệt thực. Sau đây, tôi xin được phép đề cập tới các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mô hình là board mạch Arduino, module điều khiển động cơ L298, động cơ DC, màn hình LCD, cảm biến từ Hall, nút nhấn và hệ thống bánh răng truyền chuyển động. 1.1. BOARD MẠCH VI XỬ LÝ ARDUINO 1.1.1. Tổng quan Arduino là một board mạch vi xử lý được làm sẵn và thiết kế chuyên biệt cho những người chuyên và không chuyên vẫn có thể thực hiện lập trình và thao tác điều khiển một cách dễ dàng với các thiết bị điện tử như đèn, động cơ, các cảm biến,… Arduino ra đời tại Ivrea Interaction Design Institute tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt theo tên một vị vua của nước Ý thế kỷ thứ IX [11]. Được chính thức giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ thử nghiệm và học tập cho sinh viên không chuyên, ngày nay nó đã đạt tới quy mô toàn cầu. Hàng ngàn các đồ án, dự án trên khắp thế
7 giới, trong đó có Việt Nam đều sử dụng Arduino như là trái tim hoạt động chính. Với phần cứng được thiết kế và gia công sẵn bởi nhà sản xuất cùng với ngôn ngữ lập trình bắt nguồn từ C/C++ phổ biến và đơn giản, người dùng dễ dàng lên ý tưởng và chọn những thứ mình cần, ráp các thiết bị, nối dây vào Arduino và lập trình là có thể hoạt động được. Cùng với sự đơn giản và thuận tiện đó, điểm nổi bật Arduino là môi trường phát triển mở với vô vàn thiết bị hỗ trợ của cộng đồng, các thư viện và các phần mềm đi kèm lớn đến mức có thể xem như hệ sinh thái Arduino. Trải qua nhiều lần thay đổi và phát triển từ những mạch điện tử đơn giản sử dụng cổng RS-232 đến ngày nay là sử dụng Usb, mạch Arduino thực sự là một phần không thể thiếu dành cho học sinh, sinh viên, những người đam mê thiết kế mô hình và thiết bị điện tử. Một board mạch Arduino cung cấp cho người dùng sự tương tác đa dạng với: - Các thiết bị hiển thị (đèn, LCD, Oled,…). - Các thiết bị cảm biến. - Động cơ. - Các module chức năng hỗ trợ. Tùy theo kích thước và mục đích sử dụng mà hãng sản xuất đã có hàng loạt các phiên bản rất đa dạng. Hình 1.3: Một số board mạch Arduino hiện nay
8 Trong đề tài khóa luận của tôi, tôi sử dụng dòng Arduino cổng Usb hiện nay, đó là board mạch Arduino Uno. 1.1.2. Giới thiệu board mạch Arduino Uno 2.1.2.1. Thông số kỹ thuật Nhắc tới học lập trình và sử dụng Arduino thì cái tên Uno là một cái tên luôn được nhắc đến hàng đầu bởi sự đa dụng và phổ biến của nó trong việc đáp ứng tương đối đầy đủ nhu cầu của người mới học. Arduino Uno mang trong mình vi điều khiển AVR ATmega 328P sử dụng thạch anh có chu kỳ dao động là 16 MHz [4]. Với vi điều khiển này, các chân của Arduino Uno có các đặc điểm sau: - 14 ngõ đầu vào/ra đọc hoặc xuất tín hiệu với mức điện áp từ 0 -5V và dòng vào ra tối đa mỗi chân là 40 mA (từ 0 -13, trong đó có 6 chân cho phép xuất xung PWM (3) với độ phân giải 8 bit). - 6 chân nhận tín hiệu analog (từ A0 – A5). Trên board mạch còn có 1 nút reset, 1 cổng Usb, 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ nguồn bên ngoài. 68mm 50,5mm Hình 1.4: Sơ đồ các chân của Arduino Uno [6]
9 2.1.2.2. Chức năng của Arduino trong mô hình Với khả năng linh hoạt làm việc với đa dạng các cảm biến và module hỗ trợ, thiết kế board mạch nhỏ gọn, giá cả phù hợp so với các vi điều khiển khác cũng như vi máy tính - Raspberry Pi. Bên cạnh đó, môi trường lập trình mở của Arduino là Arduino IDE dựa trên nền tảng C/C++ quen thuộc cho những người làm kỹ thuật cũng như học sinh, sinh viên. Đề tài xoay quanh việc điều khiển tốc độ, ngắt/mở động cơ DC qua nút nhấn, từ đó kéo theo việc quay của hệ cơ, hiển thị tốc độ quay lên màn hình LCD. Arduino đóng vai trò trung tâm trong việc thực hiện những nhiệm vụ trên: - Sử dụng các chân digital 2, 3, 4, 5 làm nút nhấn. - Sử dụng các chân 6, 7, 9 có xung PWM nối vào module mạch công suất L298 thực hiện việc điều khiển tốc độ quay động cơ DC. - Sử dụng chân analog A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C LCD. - 2 cảm biến từ Hall sử dụng 2 chân analog là A0 và A1. CẢM BIẾN NÚT NHẤN TỪ HALL BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM ARDUINO UNO R3 MẠCH HIỂN THỊ MÀN CẦU H HÌNH LCD L298 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC Hình 1.5: Sơ đồ khối sử dụng Arduino trong bộ thí nghiệm
10 1.2. CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ CÁC CẢM BIẾN LIÊN QUAN 1.2.1. LCD Trong lập trình, màn hình đóng vai trò là cầu nối giao tiếp giữa người và thế giới điện tử. Các loại màn hình phổ biến hiện nay là LCD, Oled, led,…trong đó LCD được sử dụng rộng rãi do giá thành rẻ, dễ lập trình, bên cạnh đó việc hiển thị các ký tự rất đa dạng, có thể làm hình động và hơn thế nữa. Màn hình LCD 16x2 là màn hình có 16 ô mỗi 2 hàng, mỗi một ô có 40 pixel. 44mm 122mm Hình 1.6: Sơ đồ chân LCD 16x2 [15] 1.2.2. Module giao tiếp I2C cho LCD Khi nối trực tiếp các chân LCD vào board Arduino cần tối thiểu 6 chân cắm RS, RW, D4, D5, D6, D7, bên cạnh đó còn thêm các dây điều chỉnh độ tương phản, dây cắm nguồn vào LCD. Do đó, để đơn giản hóa cách kết nối LCD, module điều khiển LCD với giao tiếp I2C ra đời với một số đặc tính tối ưu sau:
11 - Giảm số dây cắm vào LCD còn 4 dây. - Điều khiển LCD dễ dàng qua giao tiếp I2C. - Tích hợp biến trở nhằm điều chỉnh độ tương phản của màn hình (từ 0- 250). (a) (b) Hình 1.7: Module chuyển I2C (a) và màn hình LCD tích hợp I2C (b) 1.2.3. Cảm biến từ Hall sensor KY 024 Module cảm ứng từ Hall sensor KY 024 là một cảm biến nhận biết từ trường ngoài như nam châm, dây dẫn có dòng điện chạy qua… theo nguyên tắc hiệu ứng Hall [3]. Thiết bị có 4 đầu ra, một chân nối đất, một chân nối vào nguồn, 2 chân tín hiệu analog và digital. Thông qua chip A3141, khi gặp vật cản có gắn nam châm hay có từ trường mạnh, module KY 024 sẽ nhận biết từ trường và in tín hiệu analog hoặc tín hiệu digital của giá trị hiệu điện thế Hall truyền tới vi điều khiển nhằm xử lý thông tin. Trong mô hình của tôi sử dụng 2 cảm biến từ Hall nhằm nhận biết hiện tượng nguyệt thực.
12 Hình 1.8: Module cảm biến từ Hall KY 024 1.3. ĐỘNG CƠ DC VÀ MODULE ĐIỀU KHIỂN 1.3.1. Động cơ DC một chiều Động cơ DC (direct-current motor) là một thiết bị dùng để biến đổi năng lượng dòng điện một chiều thành năng lượng cơ học. Để làm rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện và chổi than sẽ chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ [2]. Thông thường để điều khiển tốc độ động cơ DC, người ta sẽ điều chỉnh điện áp đưa vào bằng nhiều cách khác nhau [5]. Và kỹ thuật để thay đổi điện áp đưa vào được thường hay sử dụng đó là phương pháp điều xung-PWM. Trong mô hình đề tài khóa luận này, động cơ được sử dụng là động cơ DC một chiều có gắn hộp giảm tốc. Hộp giảm tốc là một hệ thống bánh răng truyền động. Việc gắn thêm một hộp giảm tốc sẽ giúp cho động cơ có tốc độ quay chậm hơn so với những động cơ DC bình thường khác, thêm vào đó là tăng lực kéo cơ học nhằm giúp học sinh quan sát dễ dàng ở tốc độ vừa phải, mô hình quay được mịn và chính xác hơn.
13 1.3.2. Module điều khiển động cơ L298 Nhằm điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ, mô hình còn sử dụng module chuyên dụng cho động cơ DC là module L298. Được sử dụng rộng rãi do dễ lập trình và điều khiển, chi phí thấp, IC L298 là mạch cầu đôi có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao [12]. L298 có hai chân enable nhằm cho phép hoặc không có phép mạch cầu hoạt động độc lập với tín hiệu vào. Module L298 có thể điều khiển được 2 động cơ DC, dòng tối đa mỗi động cơ là 2A hoặc 1 động cơ stepper [12]. 43mm 43mm Hình 1.9: Sơ đồ chân IC L298 L298 gồm các chân: - 12V power và 5V power là các chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ. - GND là chân nối đất của nguồn cấp đến động cơ. - A enable (EnA) và B enable (EnB) là các chân lấy tín hiệu PWM từ Arduino để điều khiển tốc độ động cơ. - Input In1-4 là các chân tín hiệu digital từ Arduino đến L298.