Ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A và các cảm biến điện tử để chế tạo bộ thí nghiệm có tương tác với máy tính nhằm phát huy tính tích cực, sáng tạo trong hoạt động dạy học về các định luật thực nghiệm của chất khí lí tưởng

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE<br /> Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 128-137<br /> This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn<br /> <br /> DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0167<br /> <br /> ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀ CÁC CẢM BIẾN ĐIỆN TỬ<br /> ĐỂ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM CÓ TƯƠNG TÁC VỚI MÁY TÍNH NHẰM<br /> PHÁT HUY TÍNH TÍCH CỰC, SÁNG TẠO TRONG HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC<br /> VỀ CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM CỦA CHẤT KHÍ LÍ TƯỞNG<br /> Nguyễn Huỳnh Duy Khang, Nguyễn Tấn Phát, Nguyễn Lâm Duy<br /> Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh<br /> Tóm tắt. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ban đầu việc chế tạo một bộ thí nghiệm<br /> khắc phục những hạn chế của các bộ thí nghiệm cùng loại hiện có về các định luật của chất<br /> khí lí tưởng. Chúng tôi sử dụng vi điều khiển PIC16F877A, các cảm biến áp suất và nhiệt<br /> độ với sai số tương đối nhỏ hơn 2%, cùng với cơ cấu truyền lực có thể tạo ra một lực tối đa<br /> 80N và hệ thống ghi nhận thể tích bằng bộ đếm xung quang học có độ chính xác nhỏ hơn<br /> 0.1ml để thu nhận ba thông số trạng thái của khối khí cần nghiên cứu một cách liên tục, tự<br /> động thông qua chương trình giao tiếp đơn giản trên máy tính cá nhân và cho kết quả phù<br /> hợp các định luật thực nghiệm đã biết. Với thiết kế nhỏ gọn, bộ thí nghiệm này đơn giản<br /> hoá các thao tác lắp đặt, tiến hành và hiển thị dữ liệu đo đạc, cho phép giáo viên có thể<br /> thực hiện được các thí nghiệm về ba định luật thực nghiệm của chất khí một cách nhanh<br /> chóng, dễ dàng trong phạm vi một tiết học. Ngoài ra, học sinh có thể thực hành với bộ thí<br /> nghiệm này để hiểu sâu sắc hơn về các kiến thức trừu tượng được học, góp phần phát huy<br /> hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh.<br /> Từ khóa: Bộ thí nghiệm; định luật thực nghiệm chất khí; vi điều khiển; cảm biến; nhiệt<br /> động học.<br /> <br /> 1.<br /> <br /> Mở đầu<br /> <br /> Đổi mới phương pháp dạy học và ứng dụng khoa học, công nghệ vào dạy học đang là một<br /> nhu cầu cấp thiết [1]. Việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm nhằm giúp cho học<br /> sinh có thể tiếp xúc với các hiện tượng thực tế một cách trực quan là vô cùng cần thiết. Trong phần<br /> Nhiệt học, chương trình Vật Lí lớp 10 THPT, bên cạnh các bộ thí nghiệm do các hãng chế tạo thiết<br /> bị giáo dục nước ngoài (Pasco, Leybold, Phywe, . . . ) sản xuất có sử dụng cảm biến nhiệt độ, áp<br /> suất và bộ ghép nối [2-4] thì trong nước cũng đã có một số công trình nghiên cứu chế tạo các bộ<br /> thí nghiệm từ các vật liệu đơn giản (chai nhựa, vỏ lon, xi-lanh y tế, . . . ) [5-11] cho đến sử dụng<br /> cảm biến nhiệt độ và áp suất [12-15] để kiểm chứng các định luật thực nghiệm và phương trình<br /> trạng thái của khí lí tưởng. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn còn một số nhược điểm cần khắc<br /> phục như không có hệ thống cơ học điều chỉnh thể tích khí được điều khiển bằng hệ thống điện và<br /> việc ghi nhận đồng thời ba thông số nhiệt độ, áp suất và thể tích vẫn chưa thể thực hiện được.<br /> Ngày nhận bài: 18/8/2016. Ngày nhận đăng: 20/9/2016.<br /> Liên hệ: Nguyễn Tấn Phát, e-mail: phatnt@hcmup.edu.vn<br /> <br /> 128<br /> <br /> Ứng dụng vi điều khiển Pic16f877a và các cảm biến điện tử để chế tạo bộ thí nghiệm...<br /> <br /> Như vậy, việc nghiên cứu chế tạo một bộ thí nghiệm về các định luật của chất khí lí tưởng<br /> có khả năng thay đổi thể tích của khối khí tự động thông qua chương trình điều khiển, cùng với cơ<br /> cấu đo thể tích với độ chính xác cao là một yêu cầu được đặt ra từ thực tiễn. Bằng cách sử dụng<br /> vi điều khiển PIC16F877A [16], cảm biến áp suất và nhiệt độ, bài báo này trình bày một bộ thí<br /> nghiệm có khả năng ghi nhận đồng thời và liên tục ba thông số trạng thái (áp suất, thể tích và nhiệt<br /> độ) của một khối khí xác định, có khả năng tương tác với người sử dụng thông qua chương trình<br /> giao tiếp trên máy tính cá nhân. Với cấu trúc hệ thống nhỏ gọn được đặt trên một đế nhựa kích<br /> thước 31cm 15cm và bộ ghép nối điện tử kích thước 15cm 14cm, cùng với giao diện tương tác đơn<br /> giản nhưng vẫn đảm bảo được đầy đủ các tính năng ghi nhận, xử lí, biểu thị và lưu trữ kết quả đo<br /> đạc, bộ thí nghiệm này sẽ làm đơn giản hoá các bước lắp đặt dụng cụ và các thao tác thực hiện<br /> thí nghiệm, giá trị đo của cả ba thông số trạng thái được cập nhật liên tục theo thời gian thực trên<br /> màn hình máy tính sẽ giúp tiết kiệm thời gian và công sức của người giáo viên khi sử dụng bộ thí<br /> nghiệm này để giảng dạy. Đối với học sinh, khi được giảng dạy hoặc trực tiếp thực hành trên bộ<br /> thí nghiệm này sẽ làm cho việc học bớt khô khan, trừu tượng, tăng tính hấp dẫn và góp phần khắc<br /> sâu kiến thức được học.<br /> <br /> Hình 1. Một số bộ thí nghiệm hiện có để giảng dạy về các định luật thực nghiệm của chất khí<br /> lí tưởng do (a) Phywe [4], (b) Leybold [3] và (c) Công ty Sách và Thiết bị trường học TP. Hồ<br /> Chí Minh [11] sản xuất<br /> <br /> 2.<br /> <br /> Nội dung nghiên cứu<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm<br /> Trên cơ sở xác định các phương pháp và đối tượng nghiên cứu cụ thể, chúng tôi tiến hành<br /> thiết kế hệ thống thí nghiệm với ba phần chính và có mối liên hệ chặt chẽ với nhau được minh hoạ<br /> như hình 2.<br /> 129<br /> <br /> Nguyễn Huỳnh Duy Khang, Nguyễn Tấn Phát, Nguyễn Lâm Duy<br /> <br /> a. Hệ cơ học<br /> Xi-lanh thuỷ tinh 50ml (3) được sử dụng làm dụng cụ chứa khối khí cần nghiên cứu, có một<br /> đầu là piston (6) có thể dịch chuyển trong xi-lanh ít ma sát. Cảm biến áp suất (1) đóng kín đầu<br /> còn lại tạo thành bình chứa khí kín. Xi-lanh được đặt trong buồng mica chứa nước (8). Do thành<br /> xi-lanh mỏng, quá trình truyền nhiệt diễn ra nhanh nên nước và khối khí xem như ở cùng một nhiệt<br /> độ khi piston dịch chuyển chậm với tốc độ bình thường là 0.15mm/s. Giá trị nhiệt độ này được ghi<br /> nhận bằng cảm biến nhiệt độ (2) gắn chặt trên thành xi-lanh. Nhiệt dung riêng của không khí nhỏ<br /> hơn nhiệt dung riêng của nước nên sự cân bằng nhiệt giữa cảm biến nhiệt độ và khối khí sẽ cần<br /> nhiều thời gian hơn so với trường hợp cân bằng nhiệt giữa nước và cảm biến nhiệt độ. Ngoài ra,<br /> nếu đưa cảm biến nhiệt độ nằm trong xi-lanh chứa khí thì hệ thống ống nối giữa đầu ra xi-lanh với<br /> lỗ cắm cảm biến áp suất, ngõ ra của dây điện cảm biến nhiệt độ sẽ phức tạp hơn và tăng khả năng<br /> rò rỉ khí, làm cho kết quả thí nghiệm kém chính xác. Do đó, phương án đặt cảm biến nhiệt độ vào<br /> bên trong xi-lanh chứa khí không được chúng tôi lựa chọn. Hệ thống khuấy từ (7) đảm bảo nhiệt<br /> độ của nước luôn đồng đều trong toàn buồng chứa.<br /> <br /> Hình 3. Một số bộ phận cơ bản của bộ thí nghiệm: cảm biến áp suất (1), cảm biến nhiệt độ (2),<br /> xi-lanh (3), động cơ điện một chiều (4), hệ thống đếm xung quang học (5), piston (6), hệ thống<br /> khuấy từ (7) và buồng chứa nước (8).<br /> Piston được kết nối với hệ thống truyền động cơ học để điều khiển. Sự thay đổi thể tích của<br /> khối khí được xác định bằng cách đo khoảng dịch chuyển của piston thông qua việc đếm xung từ<br /> hệ thống đếm xung quang học (5) với sai số nhỏ hơn 0.1ml. Hệ thống truyền động bánh răng làm<br /> tăng lực đẩy/kéo của động cơ điện một chiều (4), giúp hệ thống có thể đạt được lực đẩy/kéo tối đa<br /> là 80N, đảm bảo piston di chuyển liên tục với tốc độ tối đa là 1mm/s.<br /> b. Mạch điện tử<br /> Mạch điện tử ghi nhận các giá trị áp suất, nhiệt độ từ các cảm biến, giá trị thể tích từ hệ<br /> thống đếm xung quang học và tương tác với người sử dụng thông qua giao diện trên máy vi tính.<br /> Sơ đồ khối của mạch điện tử được mô tả tổng quan như hình 5.<br /> Bộ xử lí trung tâm<br /> Vi điều khiển PIC16F877A được lập trình trên nền tảng ngôn ngữ C bằng phần mềm CCS<br /> Compiler có chức năng: thu nhận, xử lí tín hiệu từ các cảm biến, tương tác với người sử dụng thông<br /> 130<br /> <br /> Ứng dụng vi điều khiển Pic16f877a và các cảm biến điện tử để chế tạo bộ thí nghiệm...<br /> <br /> Hình 4. Hệ thống động cơ và đếm xung quang học: LED phát (1) và photodiode thu (2)<br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ khối mạch điện tử<br /> qua giao diện được viết riêng cho bộ thí nghiệm này, nhận các lệnh điều khiển từ người sử dụng<br /> để điều khiển động cơ hoạt động theo các chế độ phù hợp, ghi nhận giá trị từ hệ thống đếm xung<br /> quang học để cập nhật chính xác thể tích của khối khí. Tất cả các thông số trạng thái tức thời của<br /> khối khí sau khi được thu nhận và xử lí sẽ được truyền dẫn lên máy tính thông qua chuẩn giao tiếp<br /> RS232.<br /> Bộ cảm biến<br /> Cảm biến áp suất MPXH6400A [17] được sử dụng trong nghiên cứu này vì có khả năng đo<br /> đạc áp suất tuyệt đối trong khoảng 20kPa đến 400kPa với điện áp ngõ ra tăng tuyến tính từ 0.2V<br /> đến 4.8V theo áp suất, có khả năng làm việc trong khoảng nhiệt độ từ -40◦ C đến 125◦ C và cho sai<br /> số tương đối tối đa là 1.5%.<br /> 131<br /> <br /> Nguyễn Huỳnh Duy Khang, Nguyễn Tấn Phát, Nguyễn Lâm Duy<br /> <br /> Hình 6. Vi điều khiển PIC16F877A (trái) và phần mềm CCS Compiler (phải)<br /> Cảm biến nhiệt độ LM35DZ [18] là một cảm biến nhiệt độ thông dụng, đáp ứng tốt các yêu<br /> cầu đặt ra của bộ thí nghiệm: đo đạc nhiệt độ trong dải nhiệt rộng từ -55◦ C đến 150◦ C, có điện áp<br /> ngõ ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ, sai số tuyệt đối thấp (±0.6◦ C). Để đánh giá cảm biến LM35DZ,<br /> R HI<br /> chúng tôi so sánh giá trị nhiệt độ thu nhận được từ cảm biến này với cảm biến Checktemp <br /> 1<br /> ◦<br /> ◦<br /> 98509 [19] trong môi trường nước có nhiệt độ thay đổi từ 80 C đến 40 C. Sai số tuyệt đối lớn nhất<br /> giữa hai cảm biến này trong suốt quá trình là 0.1◦ C. Như vậy, cảm biến LM35DZ hoạt động ổn<br /> định, cho kết quả chính xác và đáng tin cậy.<br /> <br /> Hình 7. Cảm biến áp suất MPXH6400A (a) và cảm biến nhiệt độ LM35DZ (b)<br /> c. Giao diện tương tác trên máy vi tính<br /> Giao diện (hình 8) được viết bằng phần mềm Visual Studio 2015 Professional trên nền tảng<br /> Visual Basic. Sau khi đã chọn cổng kết nối ở vùng 1, người sử dụng có thể chọn đẳng quá trình cần<br /> tiến hành thí nghiệm ở vùng 2; thiết lập các thông số áp suất, thể tích và tốc độ lấy mẫu ở vùng 4;<br /> điều khiển sự dịch chuyển của piston thông qua các nút trong vùng 5; ghi nhận hoặc xoá dữ liệu,<br /> lưu trữ dữ liệu và đồ thị bằng các nút trong vùng 3. Các thông số trạng thái tức thời của khối khí<br /> được thể hiện lên vùng 6, đồng thời được lưu trữ trong bảng 7 và cập nhật trên đồ thị 8. Tất cả thao<br /> tác của người sử dụng được ghi nhận tại thanh trạng thái 9.<br /> <br /> 3.<br /> <br /> Kết quả<br /> <br /> Sau khi xây dựng hoàn chỉnh hệ thống thí nghiệm như hình 9, chúng tôi tiến hành các thí<br /> nghiệm ban đầu để đánh giá mức độ ổn định và chính xác của hệ thống thông qua việc kiểm<br /> nghiệm lại các định luật thực nghiệm của khí lí tưởng.<br /> <br /> 132<br /> <br />