1. Trang Chủ
  2. Khoa học xã hội
  3. Khóa luận tốt nghiệp Đại học: Ứng dụng vi điều khiển arduino và cảm biến cường độ ánh sáng để thiết kế bộ thí nghiệm khảo sát sự phân bố cường độ các vân giao thoa nhiễu xạ

Khóa luận tốt nghiệp Đại học: Ứng dụng vi điều khiển arduino và cảm biến cường độ ánh sáng để thiết kế bộ thí nghiệm khảo sát sự phân bố cường độ các vân giao thoa nhiễu xạ

Nghiên cứu nhằm xây dựng bộ thí nghiệm có khả năng khảo sát được vị trí và sự phân bố cường độ của các vân giao thoa, nhiễu xạ ánh sáng. Bộ thí nghiệm có khả năng truyền nhận dữ liệu cường độ sáng theo vị trí về máy tính cá nhân thông qua công nghệ Bluetooth và hiển thị, xử lí kết quả trên giao diện. Thực hiện một số thí nghiệm về giao thoa, nhiễu xạ ánh sáng để kiểm tra tính ổn định của bộ thí nghiệm. Mời các bạn cùng tham khảo! BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MIN

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học xã hội

Số trang 38

Ngày tạo 10/15/2021 9:27:14 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 2.62 M

Tên tệp

Tải Khóa luận tốt nghiệp Đại học: Ứng dụng vi điều khi... (.pdf)

Xem mẫu

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THÀNH PHÚC ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN CƢỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ CƢỜNG ĐỘ CÁC VÂN GIAO THOA NHIỄU XẠ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh - 2019
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THÀNH PHÚC ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN CƢỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ CƢỜNG ĐỘ CÁC VÂN GIAO THOA NHIỄU XẠ Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC ThS. NGÔ MINH NHỰT Thành phố Hồ Chí Minh - 2019
  3. LỜI CẢM ƠN Trong cuộc sống, thành công không chỉ đến từ cố gắng, nỗ lực của bản thân mà còn gắn liền với sự giúp đỡ, hỗ trợ từ người khác dù ít hay nhiều. Suốt chặng đường bốn năm đại học của mình, em nhận được những kiến thức vật lý bổ ích và sự quan tâm, chia sẻ của thầy cô, gia đình, bạn bè. Từ tận đáy lòng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến quý Thầy cô Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã truyền dạy kinh nghiệm quý báu và bản lĩnh nghề giáo cho em trên giảng đường đại học. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Ngô Minh Nhựt, người đã tận tình, tận tâm hướng dẫn trong suốt khoảng thời gian em thực hiện khóa luận. Thầy đã chỉ dạy những kinh nghiệm mà mãi sau này em không bao giờ quên được. Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn và tri ân đến Thầy Nguyễn Lâm Duy, người đã luôn quan tâm sâu sát, cho những lời khuyên và giải pháp hữu ích để em giải hoàn thành trọn vẹn khóa luận. Em xin cảm ơn và biết ơn Thầy Nguyễn Tấn Phát, Thầy Nguyễn Hoàng Long đã luôn động viên và tạo động lực để em vượt qua bao khó khăn. Ngoài ra, em cảm ơn các thầy cô trong tổ Vật lý Đại cương, các phòng ban, tổ bảo vệ đã tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện khóa luận này. Lời cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến mẹ của em, người đã luôn bên cạnh, hỗ trợ về mặt tinh thần và tạo động lực cho em làm việc, học tập. Em cũng rất biết ơn bạn bè, người thân thương và các bạn trong phòng thí nghiệm Vật lý Đại cương Nâng cao đã động viên, san sẻ về vật chất và tinh thần trong khoảng thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 04 năm 2019 Sinh viên Nguyễn Thành Phúc
  4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 1. Tổng quan, lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục tiêu của đề tài ....................................................................................................... 3 3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................... 3 4. Đối tượng và ph vi nghi n ứu ............................................................................... 4 5. Phương pháp nghi n ứu ............................................................................................. 4 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................... 6 1.1. Vi điều khiển Arduino Nano........................................................................................ 6 1.2. Cảm biến ường độ ánh sáng BH1750FVI ................................................................. 7 1.3. Encoder......................................................................................................................... 7 1.4. Module Bluetooth HC-05 ............................................................................................ 8 1.5. M h điều khiển động ơ DC TB6612FNG................................................................ 9 1.6. Giao diện máy tính cá nhân ....................................................................................... 10 1.7. Sơ đồ thiết kế bộ thí nghiệm ...................................................................................... 11 CHƢƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................... 12 2.1. Bộ thí nghiệm hoàn chỉnh .......................................................................................... 12 2.2. Thí nghiệm kiểm tra tính ổn định ủa ộ th nghiệ ................................................ 13 2.2.1. Thí nghiệm khảo sát sự tuyến tính cuả cảm biến đo ường độ sáng............. 13 2.2.2. Thí nghiệ đo ước sóng ánh sáng bằng hiện tượng giao thoa khe Young . 18 2.2.3. Khảo sát hiện tượng nhi u x ánh sáng qua hệ ột h ............................... 22 2.3. So sánh với các bộ thí nghiệm cùng lo i ................................................................... 26 CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 27 3.1. Kết luận ...................................................................................................................... 27 3.2. Hướng phát triển ........................................................................................................ 27 CHƢƠNG 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 29
  5. DANH MỤC BẢNG 1 Số iệu giá trị thu đượ tr n ả iến ứng với g  ......................................... 15 2 Số iệu á hoảng v n giao thoa ự đ i trong n hảo sát thứ nh t ................ 20 3 Khảo sát hiện tượng giao thoa h Young ........................................................... 21 4 Khảo sát ường độ sáng trong th nghiệ nhi u x qua ột h ........................ 25
  6. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Bộ thí nghiệm vẽ ường độ vân giao thoa, nhi u x do Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư Ph m TPHCM thiết kế (a); Bộ thí nghiệ Xá định ước sóng ánh sáng do Công ty Nhà sách Thiết bị trường học sản xu t (b); Bộ thí nghiệm giao thoa nhi u x ánh sáng o h ng thiết ị Pas o sản xu t 3 ................................................................................. 3 H 2 Vi điều hiển Arduino Nano [9] ............................................................................. 6 H 3 Sơ đồ nguyên lý m h ả iến ường độ sáng BH175 FVI ............................... 7 H 4 C u t o ủa En o r và h nh ảnh xung ủa hai nh B .................................... 8 H 5 Bluetooth HC-05 ..................................................................................................... 9 H 6 Sơ đồ h điều hiển động ơ TB6612FNG ..................................................... 10 H 7 Giao iện tương tá tr n áy t nh á nh n ........................................................... 11 H 8 Sơ đồ thiết ế ộ th nghiệ ................................................................................. 11 H 9 H nh ảnh ộ th nghiệ hoàn hỉnh và hệ h điện ủa ộ th nghiệ ........... 12 H 1 Sơ đồ th nghiệ hảo sát sự tuyến tính cuả cảm biến đo ường độ sáng ........ 13 Hình 11. Hệ thí nghiệ : Đèn az r H -Ne (1); Kính phân cực (2); Kính phân tích (3); Bộ thí nghiệ hảo sát sự ph n ố ường độ v n giao thoa nhi u x 4 ; Giao iện tương tá trên máy tính (5).................................................................................................................. 14 H 12 Đồ thị iểu i n giá trị thu đượ tr n ả iến BH175 FVI th o cos 2 ( ) (a); Đồ thị biểu di n sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra vào ường độ sáng chiếu tới phototransistor hi thay đổi góc hợp bởi phương ph n ực của ánh sáng và của kính phân cự ở ộ th nghiệ ủa Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph TPHCM nghi n ứu 4 ............................................................................................................................................. 16 H 13 Đồ thị iểu i n giá trị thu đượ tr n ả iến BH175 FVI ứng với g  .... 17 H 14 Hệ thí nghiệ giao thoa h Young: Đèn az r H -N 1 ; Giá đỡ có gắn bộ vi chỉnh khe Young (2); Bộ thí nghiệ hảo sát ường độ v n giao thoa nhi u x 3 ; Giao diện tương tá tr n áy t nh 4 ......................................................................................... 18 H 15 H nh ảnh hệ v n giao thoa đượ hứng tr n tờ gi y trắng ................................... 19 H 16 nh hụp hệ v n giao thoa trong thự tế ............................................................ 20 H 17 Đồ thị iểu i n ường độ sáng th o vị tr ủa th nghiệ giao thoa ................ 20 H 18 Hiện tượng nhi u x qua ột h h p ................................................................ 23
  7. H 19 Hệ thí nghiệ giao thoa h Young: Đèn az r H -N 1 ; Giá đỡ có gắn bộ vi chỉnh khe Young (2); Bộ thí nghiệm khảo sát sự ph n ố á v n giao thoa nhi u x 3; Giao diện tương tá tr n áy t nh 4 ................................................................................ 24 H 2 Đồ thị ph n ố ường độ sáng th o vị tr ứng với nhi u x ột h ................ 25 H 21 Giải pháp ới ho hệ ơ h ủa ộ th nghiệ ................................................. 27
  8. NH MỤC VIẾT TẮT Trung họ phổ th ng THPT Đ i họ Cao đ ng ĐH CĐ Thành phố Hồ Ch Minh TPHCM Integrated Development Enviroment IDE Photodiode PD Analog Digital Converter ADC Volt V Ampere A Direct Current DC Alternating Current AC Arbitrary Units a.u. Integrated Circuit IC Inter - Integrated Circuit I2C
  9. 1 MỞ ĐẦU 1. Tổng quan, lý do chọ đề tài Trong những nă g n đ y hệ thống giáo dục Việt Na đ tiến hành những thay đổi chú trọng vào việc bồi ưỡng về nội dung kiến thức và nâng cao khả năng ứng dụng kiến thức vào thực tế ho người họ . Trong bộ môn Vật lí, việc thực hành thí nghiệ đ ng vai trò quan trọng trong việc từng ước hình thành kỹ năng thực nghiệm và rèn luyện, củng cố kiến thứ đ học cho học sinh, sinh viên. Tuy nhiên, việc trang bị và sử dụng các thiết bị thí nghiệm ở nhiều trường trung học phổ thông (THPT), trường ao đ ng CĐ đ i họ ĐH òn nhiều mặt h n chế: dụng cụ thí nghiệ hưa đ y đủ, một số dụng cụ thí nghiệm có sai số lớn nên kết quả đo đ hưa h nh xá và h ng đúng với các kết quả t nh được trên lý thuyết [1]. Ngoài ra, một số dụng cụ thí nghiệ độ ổn định không cao, d hỏng hóc trong quá trình vận hành, do vậy việc sử dụng các thiết bị thí nghiệ hưa được hiệu quả. Cũng h nh v ý o tr n á giáo viên, giảng vi n thường ng i sử dụng thí nghiệm trong các ho t động d y học. Cụ thể trong hương tr nh Vật lí lớp 12 ph n Sóng ánh sáng, bộ thí nghiệm Xác định ước sóng ánh sáng bằng hiện tượng giao thoa do Công ty Cổ ph n Sách và Thiết bị trường học sản xu t đang được trang bị rộng rãi ở á trường THPT và một số trường CĐ ĐH [2]. Bộ thí nghiệm này sử dụng nguồn as r io ánh sáng đỏ chiếu tới khe Young, và hình ảnh của á v n giao thoa được quan sát trên màn trắng có thước chia v ch với độ chia nhỏ nh t à 1 . Bước sóng của ánh sáng trong thí nghiệ này đượ xá định theo biểu thức: ai  (1) D với a là khoảng cách giữa hai khe Young; D là khoảng cách từ khe Young tới màn trắng quan sát; i là khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp òn được gọi là khoảng vân. Dựa vào thước chia v ch ở màn trắng quan sát người làm thí nghiệm sẽ xá định được khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp. Sai số tương đối của phép đo được tính bởi biểu thức:  i D a     (2)  i D a
  10. 2 Khoảng cách D từ h Young đến àn quan sát thường lớn, do vậy sai số của phép đo ướ s ng  phụ thuộc r t nhiều vào sai số của khoảng vân i . Để phép đo ướ s ng  được chính xác thì c n phải cải thiện sai số dụng cụ hi đo hoảng vân i . Bên c nh đ tr n thị trường còn có nhiều bộ thí nghiệm khảo sát hệ vân giao thoa nhi u x do các hãng chuyên sản xu t trang thiết bị về d y họ như Pas o L yBo Phyw … Đặc biệt trong số đ à ộ thí nghiệm ủa h ng thiết ị Pas o [3] sản xu t sử ụng ột ả iến để đo ường độ sáng vân giao thoa. Cảm biến ánh sáng này đượ gắn tr n ột ả iến xá định vị tr và đượ người ng i huyển ọ th o trường giao thoa. Dữ iệu về vị tr và ường độ v n giao thoa sẽ đượ ập nhật n áy t nh và vẽ đượ đồ thị thể hiện sự phân bố ường độ á v n giao thoa nhi u x trên trường giao thoa. Từ đ người làm thí nghiệm có thể xá định được vị trí các cự đ i giao thoa và t nh được khoảng vân i . H n hế ủa ộ th nghiệ này à người ng phải i huyển hệ thống thu nhận ữ iệu ường độ sáng ột á h n thận để việ đo đ đượ h nh xá . Do đ việ thự hiện th nghiệ đòi hỏi kỹ năng và thao tá tốt. Hơn nữa giá thành của bộ thí nghiệm này r t đắt, khó trang bị rộng rãi ở á trường phổ thông. Ngoài ra, hiện nay đ ột số phòng thí nghiệ đ tập trung nghiên cứu, cải t o và phát triển bộ thí nghiệ i n quan đến vẽ ường độ vân giao thoa nhi u x đặc biệt trong số đ à sản ph m của Tổ Vật ý Đ i ương thuộc Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph m Thành phố Hồ Chí Minh [4]. Bộ thí nghiệm này có khả năng vẽ đượ đồ thị ường độ vân giao thoa, nhi u x ánh sáng với bề rộng trường giao thoa là 5cm và độ phân giải nhỏ nh t là 0,1mm. Bộ thí nghiệ ũng thu nhận dữ liệu tự động và trao đổi với máy vi tính thông qua giao diện tương tá ằng công nghệ Bluetooth. Tuy nhiên, việc thực hành thí nghiệm còn thủ ng người làm thí nghiệm phải đ y hệ thống đo đ c bằng tay o đ việc thực hiện đo đ c vẫn còn phụ thuộc r t nhiều vào khả năng thực nghiệm của người làm thí nghiệm.
  11. 3 Hình 1. Bộ thí nghiệm vẽ cường độ vân giao thoa, nhiễu xạ do Khoa Vật lý trường Đại học Sư Phạm TPHCM thiết kế (a); Bộ thí nghiệm Xác định bước sóng ánh sáng do Công ty Nhà sách Thiết bị trường học sản xuất (b); Bộ thí nghiệm giao thoa nhiễu xạ ánh sáng do hãng thiết bị Pasco sản xuất (c) [3] Bên c nh đ việc sử dụng các bộ thí nghiệm kết nối với máy tính là một trong những xu thế t t yếu trong việ đổi mới phương pháp y và học kiến thức vật lý. Nhiều nghiên cứu trong nướ đ ứng dụng á vi điều khiển tích hợp với một số cảm biến chuyên dụng để cải tiến, tự động hóa các bộ thí nghiệm; giúp cho việc thực hiện thí nghiệ được d àng hơn [5-8]. Từ những ý o đ n u việc ứng dụng vi điều khiển Arduino và cảm biến ánh sáng để thiết kế bộ thí nghiệm khảo sát sự phân bố ường độ các vân giao thoa nhi u x là một đề tài mang tính c p thiết. Bộ thí nghiệm có khả năng hảo sát tự động sự phân bố của các vân giao thoa nhi u x tr n trường giao thoa, thu nhận dữ liệu một cách nhanh chóng nhờ vi điều khiển và cảm biến ánh sáng. Đồng thời, việc sử dụng vi điều khiển r uino và công nghệ Bluetooth giúp bộ thí nghiệm có thể giao tiếp với giao diện xử lý trên máy tính cá nhân, giúp việc xử lý số liệu một cách hiệu quả. 2. Mục tiêu của đề tài Xây dựng bộ thí nghiệm có khả năng hảo sát được vị trí và sự phân bố ường độ của các vân giao thoa, nhi u x ánh sáng. Bộ thí nghiệm có khả năng truyền nhận dữ liệu ường độ sáng theo vị trí về máy tính cá nhân thông qua công nghệ Bluetooth và hiển thị, xử lí kết quả trên giao diện. Thực hiện một số thí nghiệm về giao thoa, nhi u x ánh sáng để kiểm tra tính ổn định của bộ thí nghiệm. 3. Nội dung nghiên cứu
  12. 4 Nghiên cứu, tìm hiểu và hiểu được các kiến thức về điện tử ơ ản. Nghiên cứu và tìm hiểu cách sử dụng các linh kiện điện tử như h điều khiển động ơ TB6612FNG, màn hình hiển thị LCD, module giao tiếp I2C, module Bluetooth HC-05. Nghiên cứu c u t o, cách thức ho t động của vi điều khiển Arduino Nano. Nghiên cứu về ngôn ngữ lập trình C. Lập tr nh vi điều khiển Arduino Nano kết nối với từng linh kiện điện tử trên giao diện Arduino IDE (Integrated Development Enviroment). Nghiên cứu về cảm biến ường độ sáng BH1750FVI và kết nối với vi điều khiển r uino để truyền nhận dữ liệu. Nghiên cứu về En o r để xá định vị tr độ dịch chuyển. Thiết kế hệ ơ h ủa bộ thí nghiệm. Tích hợp t t cả các linh kiện điện tử với vi điểu khiển Arduino và vận hành bộ thí nghiệm. X y ựng và hoàn hiện ộ th nghiệ hảo sát sự ph n ố ường độ á v n giao thoa nhi u x ánh sáng. Thực hiện một số thí nghiệ để kiểm chứng tính ổn định của bộ thí nghiệm, rút ra ưu nhượ điể và đề xu t phương án điều chỉnh, cải tiến phù hợp. 4. Đối tƣợng và i nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong đề tài này à vi điều khiển Arduino; cảm biến ường độ sáng BH1750FVI; một số linh kiện điện tử; kiến thức về điện tử ơ ản; xá định vị trí thông qua Encoder; kiến thức và các tài liệu liên quan về giao thoa, nhi u x ánh sáng. Ph m vi nghiên cứu về kiến thức về quang học; hiện tượng và lý thuyết về giao thoa và nhi u x ánh sáng trong hương tr nh Trung học Phổ th ng trong hương tr nh Đ i họ Cao đ ng. 5. P ƣơ á iê cứu Đề tài khóa luận được thực hiện với a phương pháp h nh: Phương pháp nghi n ứu lý thuyết phương pháp này đ ng vai trò quan trọng, làm nền tảng cho việc thực hiện đề tài. Nghiên cứu các tài liệu về điện tử ơ ản, hiểu rõ về linh kiện điện tử và vi điều khiển Arduino sẽ t o điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện á ước nghiên cứu tiếp theo. Do đ hiểu rõ và vận dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết một cách hiệu quả là vô cùng c n thiết.
  13. 5 Phương pháp thứ hai được sử dụng trong đề tài này h nh à phương pháp l y ý kiến chuyên gia. Để đo đ đượ ường độ sáng và vị trí của các vân giao thoa nhi u x , việc xây dựng hệ ơ h à r t quan trọng. Vì vậy, việc tham khảo ý kiến chuyên gia trong thiết kế hệ ơ h và sử dụng các linh kiện điện tử giúp giảm thời gian thiết kế và thử nghiệm bộ thí nghiệm. Phương pháp uối ng à phương pháp thự nghiệm. Chương tr nh xử lý của vi điều khiển Arduino cho bộ thí nghiệ được xây dựng và hiệu chỉnh thông qua quá trình lắp ráp ph n ơ h kiểm tra cách thức ho t động của từng bộ phận trên testboard, ch y thử từng bộ phận thí bị điện tử; sau đ rút ra ưu nhượ điểm của từng bộ phận và thiết kế m h điện thích hợp đ ng vai trò quyết định cho việc hoàn thiện bộ thí nghiệm. Cuối cùng, hệ ơ h và hương tr nh xử ý được hoàn thiện và kết nối với máy tính cá nhân trên giao diện máy tính nhờ công nghệ Bluetooth. Việc xây dựng và hoàn thiện á ng đo n đ n u nhận được sự hỗ trợ và hướng dẫn từ th y hướng dẫn và các th y cô trong tổ bộ môn.
  14. 6 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1. Vi điều khiển Arduino Nano Vi điều khiển Arduino [9-10] là nền tảng thiết bị điện tử mã nguồn mở có thể sử dụng để d dàng giao tiếp với ph n cứng và nhiều thiết bị cảm biến. Đặ điểm nổi bật của Arduino là KIT phát triển trên nền tảng chip AVR, hỗ trợ đa hứ năng tích sẵn m ch n p, có các cổng giao tiếp, … Người dùng viết hương tr nh để lập trình cho Arduino sẽ thông qua ph n mềm Arduino IDE (Integrated Development Enviroment) dựa trên ngôn ngữ lập trình C. Với giá thành rẻ th ng ụng trrên thị trường và do kích thước nhỏ gọn d lắp đặt n n r uino Nano được sử dụng trong bộ thí nghiệm này. H nh 2 tả á h n vi điều hiển r uino Nano. i điều khiển rduino Nano [9] Một số thông số nổi bật của vi điều khiển r uino Nano như:  Vi điều khiển i ro ontro r được dùng là ATmega328P-AU thuộc họ 8 bit.  Điện áp ho t động của vi điều khiển là 5VDC.  Điện áp vào giới h n từ 6 – 20 VDC.  Bộ nhớ Flash của vi điều khiển là 32KB. Bộ nhớ SRAM là 2KB. Bộ nhớ EEPROM là 1KB.  Cường độ òng điện tiêu thụ khi ho t động là 30 mA.  T n số khi ho t động là 16 MHz.  14 chân Digita trong đ 6 h n PWM : 6 chân PWM: D3, D5, D6, D9, D10 và D11 cho phép xu t tín hiệu điện áp có thể điều chỉnh từ 0V-5V. 4
  15. 7 chân giao tiếp SPI: D10 (SS), D11 (MOSI), D12 (MISO), D13 (SCK). Ngoài các chứ năng th ng thường, còn có thể ng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.  8 chân Analog (từ h n đến chân A7) với độ phân giải 1 it ng để đọc giá trị điện áp trong khoảng từ 0-5V. 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác. 1.2. C m biế cƣờ độ ánh sáng BH1750FVI Cảm biến ường độ ánh sáng BH1750FVI [11] là IC cảm biến ánh sáng được thiết kế để kết nối với vi điều khiển Arduino thông qua giao tiếp I2C. Cảm biến đo ường độ sáng này có thể phát hiện ánh sáng trong dải ước sóng của vùng khả kiến từ 400nm tới 760nm với độ phân giải 16 bit từ 1 – 65535 lux. C u t o của cảm biến ường độ ánh sáng BH175 FVI được thể hiện như h nh 3. Một photodiode (PD) có thể phát hiện ước sóng trong vùng khả kiến. Khi có ánh sáng ph hợp hiếu tới, photodiode xu t hiện òng quang điện tỉ lệ tuyến tính với ường độ sáng. Sau đ OPAMP khuế h đ i ường độ òng quang điện của photodiode thành tín hiệu điện áp. Kế đến m ch ADC (Analog Digital Converter) chuyển đổi tín hiệu điện áp này thành giá trị số ứng với 16 bit dữ liệu. Tín hiệu số ADC sẽ được chuyển đổi thành mã nhị phân ở m ch logic và truyền dữ liệu ường độ sáng qua phương thức I2C nhờ hai chân SCL và SDA. Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến cường độ sáng BH1750FVI 1.3. Encoder Cảm biến BH175 FVI đượ đặt trên một hệ đế trượt và có thể di chuyển d dàng trên ray trượt ài 27 . Để xá định được vị trí của đế trượt tr n ray tr n đế trượt và ph n ơ h của bộ thí nghiệ được thiết kế hệ thống encoder quang học. Encoder quang họ à ột thiết ị ả iến th o õi sự thay đổi huyển động và huyển đổi
  16. 8 thành t n hiệu điện chuyển đến á vi điều hiển [12]. C u t o ủa En o r quang học đượ tả trong h nh 4. En o r này bao gồm một dây th ng được khắc các v h đ n đều nhau xen kẽ; hai kênh phát và thu hồng ngo i A, B tích hợp với m h điện tử được đặt đối xứng với nhau trên dây. Nếu giữa hai đ u thu phát ở kênh A là v h đ n ánh sáng từ đ u phát sẽ h ng được truyền tới đ u thu, vì vậy điện thế ngõ ra của m ch điện tử Encoder ở kênh A sẽ ở mức th p. Trường hợp giữa hai đ u thu phát là v ch trong, ánh sáng từ đ u phát được truyền tới đ u thu điện thế ngõ ra ở kênh A sẽ là mức cao. Hệ thu phát hồng ngo i A, B được gắn cố định tr n đế trượt sao cho khi đế trượt dịch chuyển đ u ra Encoder quang học sẽ t o ra hai tín hiệu xung vuông lệch pha 900. Hai tín hiệu xung vu ng này được xử lý bởi vi điều khiển Arduino, từ đ thể xá định được vị trí của đế trượt. Dựa vào hai tín hiệu ở hai kênh A, B này có thể xác định được chiều dịch chuyển của đế trượt trên ray. Dây th ng được khắc các v h đều nhau được l y từ trong máy in Canon IP2770; thông qua xử lý xung tín hiệu tính toán đượ ước dịch chuyển của đế trượt là 1 mm . 24 ấu tạo của Encoder và hình ảnh xung của hai kênh , B 1.4. Module Bluetooth HC-05 Trong đề tài này, thiết bị bluetooth HC-05 [13 được sử dụng để truyền nhận dữ liệu cảm biến ường độ ánh sáng theo vị trí từ bộ thí nghiệm về máy tính. Đ y à ột thiết bị cho phép giao tiếp bằng sóng radio ở ăng t n ở 2 4 đến 2,480 GHz với t m thu phát tối đa à 1 . Thiết bị này có hai tr ng thái ho t động: Master-Slave. Tr ng thái Slave là chế độ mặ định, các thiết bị bluetooth khác có thể tìm và kết nối với u tooth đang ở chế độ này. Ở tr ng thái Master: bluetooth sẽ tự động tìm kiếm và
  17. 9 giao tiếp với bluetooth khác ở chế độ Slave. Trong bộ thí nghiệ vi điều khiển Arduino sẽ kết nối với Bluetooth ở tr ng thái S av áy t nh á nh n đ ng vai trò như là tr ng thái Master. Khi ghép nối với nhau, Arduino sẽ truyền tín hiệu về ường độ sáng, vị trí về máy tính cá nhân để máy tinh cá nhân xử lý dữ liệu. Thiết ị Bluetooth HC- 5 đượ tả trong h nh 5. Bluetooth HC-05 Chứ năng ủa các chân sử dụng trên HC-05 bao gồm:  ST TE: Ch n ng để thông báo tr ng thái của Bluetooth.  RXD, TXD: Hai chân truyền, nhận dữ liệu trong kết nối UART.  GND: Chân nối điện thế đ t.  VCC: Chân nối nguồn +5V.  ENB: Ch n ng để chuyển đổi qua l i giữa hai chế độ Command Mode và Data Mode. 1.5. M c điều khiể độ cơ DC TB6612FNG Trong thiết kế này, m h điều khiển động ơ DC TB6612FNG [14-15] để điều khiển động ơ 12V DC để kéo hệ đế trượt i huyển tr n ray trượt. M h điều khiển này được tập đoàn TOSHIBA sản xu t r t thông dụng, nhỏ gọn và có giá thành rẻ trên thị trường. Bên c nh đ ch TB6612FNG có thể sử dụng để điều khiển tối đa hai động ơ DC hoặc một động ơ ước với òng điện ổn định là 1,2 A. Tố độ của mỗi động ơ thể đượ điều khiển qua các xung tín hiệu PWM với t n số đáp ứng lên tới 100 KHz. Mức logic của điện áp cung c p cho m ch từ 2,7 – 5 5V DC. Điện áp c p cho nguồn nu i động ơ được giới h n ở 15V DC.
  18. 10 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ T 12FNG Một số thông số kỹ thuật c n ưu ý ủa m h điều khiển động ơ:  Điện áp nuôi và c p mức Logic: 2,7 ~ 5,5V DC.  Điện áp c p cho động ơ tối đa 15VDC.  Dòng ngõ ra liên tục: 1,2A cho mỗi c u (có thể mắ song song để n đến 2,4A).  Dòng tối đa à ch điều hiển có thể chịu được: 3,2 A.  Bảo vệ quá nhiệt và quá áp.  Tụ lọc ở cả 2 ngõ c p nguồn.  Bảo vệ chống ngược nguồn c p cho động ơ. 1.6. Giao diện máy tính cá nhân Hình 7 là giao diện giao tiếp giữa ộ th nghiệ và áy t nh được viết trên nền tảng ngôn ngữ Labview [16]. Giao iện này đượ phát triển ởi á giảng vi n tổ Vật ý Đ i ương ủa Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph Thành phố Hồ Ch Minh à đượ ứng ụng trong h a uận này. Giao diện này được thiết kế để người sử dụng có thể d àng tương tá với bộ thí nghiệ trong quá tr nh đo đ c, xử ý và ưu trữ các dữ liệu th ng qua áy t nh á nh n. Giao iện áy t nh ung p ột số hứ năng điều hiển việ ghi đo số iệu tr n thanh ng ụ. Tr n giao iện sẽ gồm 3 ph n chính: Thanh công cụ, vùng hiển thị dữ liệu đo ưới d ng số và đồ thị, bảng điều khiển động ơ và xử lý số liệu trực tiếp. Trong bộ thí nghiệm này, thanh công cụ giúp cho việc lựa chọn kết nối với bộ thí nghiệm, chọn các giá trị để vẽ đồ thị. Sau đ người ng điều khiển bộ thí nghiệm trực tiếp trên bảng điều khiển. Các dữ liệu về ường độ sáng và vị trí sẽ được hiển thị và được vẽ đồ thị biểu di n trên vùng hiển thị dữ liệu. Để xử lý các số liệu t á đỉnh cự đ i hoặc cực tiểu th người sử dụng chọn các chế độ trên thanh công cụ và bảng xử lý số liệu. Ngoài ra, giao diện còn có chế độ xu t file excel các dữ liệu đo được, thuận tiện cho việ ưu trữ, xử lý số liệu trên các ứng dụng khác.
  19. 11 Giao diện tương tác trên máy tính cá nhân 1.7. Sơ đồ thiết kế bộ thí nghiệm Sơ đồ thiết kế bộ thí nghiệm Sơ đồ của bộ thí nghiệm khảo sát sự phân bố ường độ vân giao thoa, nhi u x theo vị tr được mô tả như h nh 8. Bộ thí nghiệ được thiết kế bao gồ đế trượt có thể di chuyển trên hệ ray. Encoder quang học và cảm biến ường độ sáng BH1750FVI sẽ được tích hợp tr n đế trượt. Vi điều khiển r uino đ ng vai trò quan trọng trong ộ th nghiệ . Ngoài nhiệ vụ à trung tâm xử ý điều khiển các tác vụ, vi điều khiển xu t tín hiệu điều khiển động ơ 12 VDC để đế trượt di chuyển trên ray. Các tín hiệu về vị trí của Encoder; tín hiệu về cảm biến ánh sáng BH175 FVI được chuyển về vi điều khiển. Sau đ á ữ liệu về ường độ sáng theo vị trí sẽ được mã hóa và gửi về máy tính cá nhân dựa trên công nghệ truyền nhận không dây Bluetooth. Các dữ liệu sẽ được hiển thị và xử lý trên máy tính thông qua giao diện máy tính cá nhân. Ngoài ra, vi điều khiển xu t t n hiệu để hiển thị các chế độ làm việc của bộ thí nghiệm thông qua màn hình LCD và các nút nh n.
  20. 12 CHƢƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1. Bộ thí nghiệm hoàn chỉnh Sau quá trình nghiên cứu, thực nghiệm, bộ thí nghiệm hoàn chỉnh để đo sự phân bố ường độ vân giao thoa nhi u x được mô tả như h nh 9. Hình ảnh bộ thí nghiệm hoàn chỉnh và hệ mạch điện của bộ thí nghiệm C u t o ủa ộ th nghiệ hoàn hỉnh ao gồ (1): Hộp đ n n trong hứa hệ thống ray trượt và đế trượt có mắt cảm biến ường độ ánh sáng BH1750FVI. (2): Rãnh ngang có bề rộng 2 mm. (3): Bệ nâng và các chốt ng để điều khiển độ ao và độ nghiêng ủa hệ đo. (4): Màn hình LCD. (5): Nút nh n LEFT. (6): Nút nh n OK. (7): Nút nh n RIGHT. M h điện của bộ thí nghiệ được thiết kế nhỏ gọn trên hệ m ch in, ụ đ h giữ ho á inh iện điện tử đượ ố định hệ h in sẽ ho t động ổn định. Bộ thí nghiệm đượ đ ng hộp để bảo vệ m h điện điều khiển bộ thí nghiệm và hệ cảm biến phía trong. Bên trong hộp bảo vệ ph n ơ h chứa ray trượt và đế trượt đ t h hợp cảm biến ánh sáng và encoder. Động ơ 12V DC quay y uroa để kéo ả iến trượt trên thanh ray. Ngoài ra ặt trước của hệ đo được thiết kế một khe nằm ngang có bề rộng 2mm và kéo dài trên toàn bộ ph m vi dịch chuyển 27cm của ơ hệ. Cảm biến ánh sáng BH1750FVI có mắt cảm biến có thể di chuyển dọc theo khe h p. Người sử dụng bộ thí nghiệm có thể điều khiển sử dụng bộ thí nghiệm thông qua hai chế độ làm việc: chế độ tự động và chế độ thủ công. Ở chế độ tự động người ng điều khiển động ơ điều khiển đế trượt nhờ giao diện tương tá tr n áy t nh á nh n th ng qua công nghệ truyền nhận không dây Bluetooth. Dữ liệu vị tr và ường độ sáng đo được
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược