Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật II và III newton - Mai Hoàng Phương

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0160 Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 68-75 This paper is available online at THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN KẾT NỐI KHÔNG DÂY VỚI MÁY VI TÍNH KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT II VÀ III NEWTON Mai Hoàng Phương, Ngô Minh Nhựt Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt. Chúng tôi nghiên cứu thiết kế bộ cảm biến không dây (gồm các cảm biến lực và gia tốc) kết nối với máy vi tính thông qua sóng vô tuyến tần số 2.4 GHz. Bộ cảm biến này có thể hỗ trợ giáo viên và học sinh tiến hành thực hiện các thí nghiệm đo vận tốc, gia tốc và lực của một vật chuyển động. Kết quả bước đầu cho thấy cảm biến đo gia tốc cho kết quả đo khá chính xác trong khi kết quả đo lực có độ chính xác chưa cao, nên cần phải nghiên cứu chỉnh sửa mạch xử lí tín hiệu từ cảm biến lực hoặc sử dụng cảm biến khác có độ nhạy cao hơn. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày cơ sở lí thuyết của nghiên cứu cảm biến gia tốc, cảm biến lực và phương pháp tiến hành thí nghiệm đánh giá độ chính xác của bộ cảm biến đã thiết kế. Từ khóa: Cảm biến lực, cảm biến gia tốc, thí nghiệm vật lí, thí nghiệm kết nối với máy vi tính. 1. Mở đầu Trong dạy học phần cơ học, giáo viên và học sinh thường gặp khó khăn trong việc xác định các đại lượng như vận tốc, gia tốc, và lực tác dụng,. . . Các phương pháp truyền thống được sử dụng như phương pháp dùng cần rung điện, đồng hồ đo hiện số, lực kế lò xo chỉ đo được giá trị trung bình của các đại lượng vật lí, nên không thể khảo sát sự thay đổi của các đại lượng vật lí theo thời gian. Hiện nay, một số bộ thí nghiệm ghép nối với máy vi tính cùng với các phần mềm xử lí số liệu thí nghiệm giúp cho việc đo đạc và xử lí số liệu thí nghiệm trở nên nhanh chóng và dễ dàng như các thiết bị ghép nối và các phần mềm tương ứng của Phywe (Đức), Pasco, Vernier (Mỹ),. . . Gần đây, một số tác giả trường đại học Tây Nguyên [1] đã nghiên cứu sử dụng nhiều loại cảm biến để chế tạo các thiết bị thí nghiệm vật lí phổ thông, góp phần 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. Nhưng, các bộ thí nghiệm này thường có dây nối từ máy tính đến vật cần khảo sát, do đó việc bố trí thí nghiệm cồng kềnh, phức tạp, dẫn đến số liệu thu thập được từ cảm biến kém chính xác. Vì vậy, cần thiết phải thiết kế, chế tạo bộ cảm biến không dây nhằm giúp cho việc bố trí thí nghiệm thuận tiện hơn, bên cạnh đó việc tích hợp cảm biến đo lực và đo gia tốc trên cùng một thiết bị giúp khảo sát được mối quan hệ giữa lực tác dụng và gia tốc chuyển động. Ngày nhận bài: 16/7/2016. Ngày nhận đăng: 15/9/2016. Liên hệ: Mai Hoàng Phương, e-mail: phuongmh@hcmup.edu.vn 68 Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật 2 và 3 Newton 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu Hình 1. Cảm biến gia tốc ADXL335 Cảm biến đo gia tốc ADXL335 Cảm biến gia tốc ADXL335 [3] (hình 1) được sử dụng để đo gia tốc của đối tượng cần khảo sát. Cảm biến này được mua ở trên thị trường Việt Nam, cho phép xác định một cách độc lập giá trị gia tốc theo các phương trục tọa độ X, Y và Z với giới hạn đo trong khoảng từ -30 m/s2 đến 30 m/s2. Tín hiệu ngõ ra là tín hiệu tương tự với điện áp ở mỗi trục tỉ lệ tuyến tính với gia tốc theo phương đó. Điện áp ngõ ra biến đổi từ 0 V đến 3,3 V. Cảm biến đo lực Cảm biến lực (hình 3) 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. Cảm biến này, chúng tôi khai thác và sử dụng từ cảm biến lực kết nối có dây của hãng Pasco. Mỗi loadcell gồm một vật đàn hồi đóng vai trò như vật chịu tải (load), trên khối nhôm có dán 4 (hoặc ít hơn tùy loại) tấm strain gauge (cell) giống nhau đóng vai trò như các điện trở mắc thành mạch cầu Wheastone (hình 2), trong đó có 2 tấm strain gauge chịu nén và 2 tấm strain gauge chịu dãn. Hình 2. Mạch cầu Wheastone và tấm strain gauge Hình 3. Cảm biến lực Khi cung cấp điện áp nguồn VEX cho mạch cầu, ngõ ra V0 là điện thế chênh lệch giữa 2 nút a và b [2] được tính bởi công thức: V0 = ( R3 R3 +R4 − R2 R1 +R2 ) VEX (1) Hình 4. Module nRFL01 và sơ đồ các chân Khi không bị tác động lực, điện trở của 4 tấm strain không đổi, nên cầu ở trạng thái cân bằng (V0 = 0). Khi bị tác động (tác động kéo hoặc nén), 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 V0. Truyền nhận dữ liệu bằng sóng radio tần số 2.4 GHz Để truyền và nhận dữ liệu giữa hai bảng mạch, module nRFL01 cho phép kết nối không dây truyền và nhận dữ liệu giữa 2 module nhanh chóng thông qua sóng radio tần số 2,4 GHz. 69 Mai Hoàng Phương, Ngô Minh Nhựt Ưu điểm của module nRFL01 là có thể lựa chọn 3 mức tốc độ kết nối là 2 Mbit/s, 1Mbit/s và 250Kbit/s [5, tr.1] với khoảng cách truyền nhận xa nhất trong môi trường không vật cản là 100m. 2.2. Phương pháp thực hiện Xử lí tín hiệu cảm biến lực 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 mV) nên cần phải khuếch đại điện áp V0 để có thể thu nhận được tín hiệu đầu ra. 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. Điện áp đầu ra Vout sau khi khuếch đại được xác định theo biểu thức (2) [3]: Vout = 2, 5 + [( V +in − V −in )( 4 + 60kΩ RG )] (2) Xử lí tín hiệu cảm biến gia tốc Khi cung cấp điện áp hoạt động là 3.3 V thì tín hiệu theo lí thuyết ở mỗi trục sẽ thay đổi từ 0 V đến 3,3 V tương ứng với giá trị gia tốc đo được từ −3g đến 3g. Như vậy, khi gia tốc trên mỗi trục bằng 0 (giá trị zero g) thì điện áp ngõ ra theo lí thuyết là 1,65 V. Tiến hành chuẩn cảm biến để xác định giá trị zero-g và độ nhạy (sensitivity) bằng cách đo hình chiếu gia tốc trọng trường lên một trục khi thay đổi góc nghiêng của cảm biếnđể xác định giá trị điện áp 0 g - zero g và độ nhạy (sensitivity) thực tế trên mỗi trục. Khi đặt cảm biến nằm ngang trên mặt phẳng được cân chỉnh bằng thước, trục Ox của cảm biến vuông góc với phương của trọng lực tác dụng lên cảm biến. Tiến hành nghiêng mặt phẳng theo trục Ox một góc α, lúc này hình chiếu gia tốc trọng trường lên trục Ox là gsinα. Như vậy khi nghiêng mặt phẳng từ −90◦ đến 90◦ thì hình chiếu gia tốc lên trục Ox sẽ thay đổi từ −1 g đến +1 g. Đo giá trị điện thế tín hiệu ngõ ra trục Ox của cảm biến khi thay đổi góc α, ta tìm được mối quan hệ tuyến tính giữa điện thế ngõ ra và gia tốc trên trục Ox. Mối liên hệ giữa điện áp ngõ ra trục X và giá trị gia tốc có biểu thức VX = 1, 555 + 0, 0318aX (3) Giá trị điện thế offset trục X: 1,555 V. Độ nhạy sensitivity trục x 31,8 mV/m/s2. Ta được hàm biễu diễn mối quan hệ giữa gia tốc và điện thế ngõ ra trên trục X là ax = Voutx − 1, 555 0, 0318 (m/s2) (4) Tiến hành chuẩn cảm biến với trục Y và Z tương tự như trên. Sơ đồ bộ thí nghiệm Hình 5. Sơ đồ bộ thí nghiệm kết nối máy tính thông qua sóng radio 70 Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật 2 và 3 Newton 2.3. Kết quả Phần cứng Phần cứng gồm có 2 phần: bộ cảm biến đo lực, đo gia tốc và mạch thu nhận tín hiệu. Hình 6. Bộ cảm biến đo lực, đo gia tốc và bộ thu tín hiệu Bộ cảm biến đã thiết kế đạt được một số thông số sau: Gia công khối nhựa mica có kích thước 5 cm x 8 cm x 5 cm để lắp các cảm biến thành bộ cảm biến, khối lượng bộ cảm biến 230 g; giới hạn đo gia tốc trong khoảng từ −30m/s2 − 30m/s2 với sai số ±0, 06m/s2; Cảm biến lực đo được theo 2 chiều nén và kéo với sai số 0,05N, giới hạn đo của lực nén là 0 – 15N, của lực kéo là 0 – 7N. Tốc độ lấy mẫu tối đa là 50 mẫu/ giây; Khoảng cách tối đa mà máy tính có thể nhận được dữ liệu từ bộ cảm biến: 10 m trong môi trường có vật cản, 20m trong môi trường không vật cản. Phần mềm Hình 7. Giao diện dạy học của chương trình Giao diện dạy học của chương trình được thiết kế như hình 7. Phần mềm hỗ trợ giáo viên trong quá trình giảng dạy như: ghi số liệu, vẽ đồ thị, lưu trữ và các chức năng xử lí số liệu như tính trung bình, tìm Max – Min, kiểm tra dạng toán học của đồ thị,. . . Thí nghiệm đánh giá độ chính xác của bộ cảm biến Thí nghiệm 1 – Khảo sát dao động điều hòa của con lắc lò xo để kiểm chứng lại định luật II Newton. Trong dao động điều hòa của con lắc lò xo, gia tốc biến thiên điều hòa theo thời gian và tỉ lệ với lực kéo về F = ma = −kx. Như vậy tại ví trí cân bằng, li độ bằng không nên lực kéo về có độ 71 Mai Hoàng Phương, Ngô Minh Nhựt lớn bằng không. Mục đích của việc khảo sát dao động điều hòa của con lắc lò xo là khảo sát mối quan hệ giữa gia tốc tức thời và lực kéo về tức thời nhằm nghiệm lại định luật II Newton. Trong trường hợp con lắc lò xo dao động theo phương thẳng đứng, tại vị trí cân bằng, lực kéo về bằng không và lực đàn hồi khác không và có độ lớn bằng trọng lượng của con lắc. Trong thí nghiệm này, ta sẽ đo lực kéo về thông qua lực đàn hồi của lò xo tác dụng vào bộ cảm biến. Tại vị trí cân bằng, lực đàn hồi có độ lớn bằng trọng lượng của bộ cảm biến. Trong quá trình dao động, giá trị lực đàn hồi mà bộ cảm biến đo được là hợp lực của trong lực và lực kéo về tác dụng vào cảm biến Fđh = Fkv + P. Như vậy để đo được lực kéo về ta đo lực đàn hồi trong quá trình dao động và trừ đi trọng lượng của bộ cảm biến Fkv =Fđh – P (5). Tiến hành thí nghiệm: Bố trí thí nghiệm như hình 8, dùng lò xo móc vào cảm biến lực, đầu còn lại treo vào giá đỡ. Khi bộ cảm biến ở vị trí cân bằng, nhấp chuột vào nút Zero trên dao diện dạy học, lúc này chương trình sẽ tự động lưu giá trị lực đàn hồi tại vị trí cân bằng. Kéo nhẹ bộ cảm biến để nó dao động, ta tiến hành ghi nhận giá trị lực đàn của lò xo tác dụng vào cảm biến và gia tốc tức thời theo thời gian. Chương trình sẽ tự tính giá trị của lực kéo về tác dụng vào lò xo theo công thức 5 và hiển thị lên đồ thị. Hình 8. Bố trí thí nghiệm dao dộng điều hòa của con lắc lò xo Hình 9. Đồ thị lực kéo về - thời gian (Fkv – t) trong dao động điều hòa Hình 9 biểu diễn đồ thị lực kéo về tác dụng vào cảm biến theo thời gian (Fkv – t) có dạng hình sin của dao động điều hòa. Hình 10 biểu diễn hai đại lượng gia tốc a và lực kéo về −→ Fkv trên cùng một đồ thị, ta nhận thấy giữa gia tốc −→a và lực −→Fkv có mối quan hệ và có dạng gần đúng với đường thẳng tuyến tính đi qua góc tọa độ phù hợp với định luật II Newton . −→ Fkv = m −→a (6) Trên đồ thị (Fkv – a), ta thấy ứng với một giá trị lực có nhiều giá trị gia tốc tương ứng. Sử dụng chức năng tìm hàm tuyến tính, ta tìm được đường thẳng tuyến tính biểu thị mối quan hệ giữa lực kéo về Fkv và gia tốc a: Fkv = 0,2a + 0,038 N. Hệ số góc của đường thẳng là 0,2, theo công thức (6), hệ số góc này là khối lượng của con lắc lò xo (tức là khối lượng của bộ cảm biến 0,23kg). Tuy nhiên ta thấy hệ số góc nhỏ hơn 0,23; nguyên nhân có thể do phương tác dụng của lực đàn hồi không đi qua trọng tâm bộ cảm biến. Do đó lực mà cảm biến ghi nhận được nhỏ giá trị thực tế. 72 Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật 2 và 3 Newton Hình 10. Đồ thị lực – gia tốc (Fkv – t) trong dao động điều hòa Thí nghiệm 3 – So sánh cảm biến lực đã thiết kế với lực kế lò xo và bộ cảm biến lực của hãng Vernier. Để kiểm tra độ chính xác của cảm biến lực đã thiết kế. Chúng tôi tiến hành đo độ lớn lực tác dụng kéo giữa cảm biến lực đã thiết kế với lực kế lò xo và bộ cảm biến lực của Vernier. Hình 11. So sánh cảm biến lực đã thiết kế với lực kế lò xo và bộ cảm biến lực của hãng Vernier Số liệu thu được thể hiện ở bảng 1. Bảng 1. Bảng số liệu so sánh cảm biến lực đã thiết kế lò xo và cảm biến lực của hãng Vernier So sánh cảm biến lực đã thiết kế So sánh cảm biến lực đã thiết kế với lực kế lò xo với cảm biến lực Vernier Lực kế lò xo (N) Cảm biến lực đã thiết kế (N) Sai số (%) Cảm biến lực đã thiết kế (N) Cảm biến lực Vernier (N) Sai số (%) 0,5 0,49 2,0 1,12 1,05 6,67 73 Mai Hoàng Phương, Ngô Minh Nhựt 1,0 1,05 5,0 1,52 1,50 1,33 1,5 1,47 3,0 1,52 1,62 6,17 2,0 2,0 2,0 1,82 1,84 1,09 2,5 2,54 1,6 2,44 2,54 3,94 3,0 3,06 2,0 2,79 2,69 3,72 3,5 3,48 0,6 2,98 2,94 1,36 4,0 4,02 0,5 3,70 3,56 3,93 4.5 4,53 0,7 3,80 3,76 1,06 5,0 5,04 0,8 3,73 3,81 2,10 7,02 6,92 1,45 7,73 7,78 0,64 8,3 8,23 0,85 Trung bình 1,82 2,64 Qua bảng so sánh, ta thấy cảm biến lực đã thiết kế cho kết quả đo tương đối chính xác khi so sánh giá trị lực của nó với cùng kết quả đo được từ lực kế lò xo và bộ cảm biến lực của Vernier. Sai số giữa các kết quả đo dưới 5%. 3. Kết luận Chúng tôi đã thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính cho kết quả đo gia tốc khá chính xác, giúp cho việc bố trí thí nghiệm thuận tiện hơn, đồng thời việc tích hợp cảm biến đo lực và đo gia tốc trên cùng một thiết bị giúp giáo viên và học sinh thuận tiện trong việc khảo sát được mối quan hệ giữa lực tác dụng và gia tốc của vật chuyển động. Tuy nhiên kết quả đo lực có độ chính xác chưa cao, nên cần phải nghiên cứu chỉnh sửa mạch xử lí tín hiệu từ cảm biến lực hoặc sử dụng cảm biến khác có độ nhạy cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Văn Huệ, Phùng Việt Hải, Nguyễn Thị Thanh Hương, 2012. Nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến và thí nghiệm ghép nối với máy vi tính trong dạy học vật lí ở trường phổ thông. Đề tài khoa học và công nghệ cấp bộ, Trường Đại học Tây Nguyên, tr.10, 17-18. [2] AnalogDevices, 2009. Small, Low Power, 3-Axis± g Accelerometer. U.S.A, One Technology Way. [3] Atme Corporation, 2015. Atme 8-Bit Microcontroller with 4/8/16/32Kbytes In-System programe Flash Datasheet. USA, San Jose. [4] Nordicn Semiconductor, 2008. nRFL01+Singal Chip 2.4GHz Transciver Prelimiary Product Specification v1.0. 74 Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật 2 và 3 Newton ABSTRACT Designing of a computer-assisted wireless sensor system to verify Newton’s second and third laws Mai Hoang Phuong, Ngo Minh Nhut Faculty of Physics, Ho Chi Minh City University of Pedagogy We studyingand designing of a computer-assisted wireless sensor system (acceleration and force sensor)via radio frequency 2.4 GHz. This computer-assisted wireless sensor systemcan support teachers and students conduct experiments measuring the speed, acceleration and force of a moving object. Initial results showed that the measured acceleration sensor for measuring results quite accurately while measuring results with accuracy not high, so the need to study the signal processing circuit editing from the sensor or use other sensors have a higher sensitivity. In this paper, we present the theoretical basis of the study of sensor, acceleration sensor and method of conducting experiments evaluating the accuracy of the computer-assisted wireless sensor system has been designed. Keywords: Acclecration sensor, force sensor, physical experiments, computer-based laboratoty. 75