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

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 MƠ HÌNH
MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG
PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC

Khóa luận giáo dục 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 MƠ HÌNH
MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG
PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC

Khóa luận giáo dục 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 q trình thực hiện khóa
luận này. Thầy đã tận tâm, tận tình chia sẻ và chỉ dạy mọi thứ cho em để hồn thành
thật tốt khóa luận.
Em xin gửi lời cảm ơn từ tận đáy lịng đến Thầy Nguyễn Hồng Long đã luôn
giúp đỡ, hỗ trợ ý tưởng và kỹ thuật cho mơ hình của em hoạt động một cách sn 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

Khóa luận giáo dục học

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 phịng 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

Khóa luận giáo dục học

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 mơ hình mơ 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.

Mơ hình mơ 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 MƠ HÌNH .......................................................................20

2.1.1.

Sơ đồ khối q trình thiết kế và chế tạo .......................................20

2.1.2.

Hệ bánh răng truyền động ............................................................20
CHẾ TẠO MƠ HÌNH VÀ NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG................25

2.2.
2.2.1.

Sơ đồ ngun lý hoạt động của bộ mơ hình mơ phỏng hệ Mặt Trời

– Trái Đất – Mặt Trăng: ....................................................................................25
giá bộ mơ hình
khóa luậndục
đã thực hiện
..............................27
KhóaĐánhluận
giáo
học

2.2.2.
2.3.

GỢI Ý CÁCH ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TRONG DẠY HỌC .........28

2.3.1.

Cách thức hoạt động và cách áp dụng mơ 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 mơ hình mơ 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

Khóa luận giáo dục học


v

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Mơ hình thiên văn của nhà sách thiết bị trường học .........................5

Hình 1.2: Hình ảnh mơ 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 q trình thực hiện .............................................................20
Hình 2.2: Giao diện phần mềm Gearotic 3x ....................................................22

Khóa luận giáo dục học

Hình 2.3: Sơ đồ hệ truyền động bằng bánh răng sử dụng trong mơ 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: Mơ hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng hồn chình ..............27
Hình 2.9: Hình ảnh hộp điều khiển .................................................................28
Hình 2.10: Mơ hình Trái Đất – Mặt Trăng (a) và mơ 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 tồn diện về kinh

tế, văn hóa và giáo dục nhằm thực hiện được mục tiêu cơng 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 thơng 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

Khóa luận giáo dục học

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, cịn nhiều khó khăn
và thiếu sót.
Hiện nay, các mơ hình phục vụ giảng dạy ở các cấp học cịn 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, mơ 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 tịi, 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, mơ hình phục
vụ giảng dạy thiên văn học hiện còn rất hạn chế, chủ yếu là các sản phẩm nước ngồi
nên khơng phù hợp với điều kiện giảng dạy ở nước ta.
Từ những lý do nêu trên, đề tài khóa luận “THIẾT KẾ MƠ 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 mơ
hình Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng là một mơ hình mơ phỏng đơn giản, nhỏ gọn
nhưng được thiết kế với các tỉ lệ phù hợp với mục đích giảng dạy của người giáo
viên. Mơ 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.

Khóa luận giáo dục học

Ngồi ra, bộ mơ hình này cịn 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 mơ 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 mơ hình mơ 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; mơ 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 mơ hình mơ 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 mơ hình. Nghiên cứu mạch điều khiển động cơ L298 để
điều khiển động cơ DC.

-

Mô phỏng vàluận
chạy thử bảng
mạch điềudục
khiển động
cơ trên phần mềm mơ
Khóa
giáo
học
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 mơ phỏng.

-

Nghiên cứu các phương pháp dạy học tích cực hiện nay.

-

Đánh giá việc ứng dụng mơ hình trong một tiết dạy tự nhiên xã hội thông
qua giáo án bài dạy. Nêu rõ tính đổi mới thơng qua việc sử dụng mơ hình

trong việc dạy và học.

-

Đánh giá tổng quan bộ mơ hình mơ 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 mơ hình.

-

Phương pháp thực nghiệm: Kiểm tra hoạt động của hệ mơ hình.

Khóa luận giáo dục học

5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hiện nay các mơ hình thiên văn được sử dụng trên thị trường dạy học chủ yếu
là bộ mơ hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng của nhà sách thiết bị trường học
Nguyễn Tri Phương.

Khóa luận giáo dục học
Hình 1.1: Mơ hình thiên văn của nhà sách thiết bị trường học
Hệ mơ hình trên nhỏ gọn, tuy nhiên trên thực tế chưa quay chính xác về số vịng
quay của Trái Đất, Mặt Trăng. Bên cạnh đó mơ hình chưa trình bày được các pha và
quỹ đạo quay của Mặt Trăng nghiêng khoảng 5°. Hệ mơ 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 mơ hình tự chế tạo và trang trí, thơ 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 mơ hình sáng tạo dạy học tại một cuộc thi tại Hà Nội.
Bộ mơ hình trong khóa luận của tơi 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 mơ hình. Bên cạnh đó mơ hình

Khóa luận giáo dục học

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 mơ
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 khơng chun 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 cơng cụ thử nghiệm và học tập cho sinh viên không chun,
ngày nay nó đã đạt tới quy mơ tồn 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 ngơn 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 mơi
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 mơ 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,…).

-

Động cơ.

-

Các module chức năng hỗ trợ.

- Các thiết luận
bị cảm biến. giáo dục học
Khóa

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 tơi, tơi sử dụng dịng 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).

Khóa luận giáo dục học
-

6 chân nhận tín hiệu analog (từ A0 – A5).

Trên board mạch cịn có 1 nút reset, 1 cổng Usb, 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack
2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ nguồn bên ngồi.

68mm

50,5mm

Hình 1.4: Sơ đồ các chân của Arduino Uno [6]


9

2.1.2.2.

Chức năng của Arduino trong mơ 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, mơi 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 A0học
và A1.
Khóa
luận
giáo
dục
NÚT NHẤN

CẢM BIẾN
TỪ HALL

BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM
ARDUINO UNO R3

MẠCH
CẦU H
L298

HIỂN THỊ MÀN
HÌNH LCD

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 trị 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 ơ mỗi 2 hàng, mỗi một ơ có 40 pixel.

Khóa luận giáo dục học
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 cịn 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 0250).

(a)

(b)

Hình 1.7: Module chuyển I2C (a) và màn hình LCD tích hợp I2C (b)

Cảm biến luận
từ Hall sensor
KY 024 dục học
Khóa
giáo

1.2.3.

Module cảm ứng từ Hall sensor KY 024 là một cảm biến nhận biết từ trường
ngoài như nam châm, dây dẫn có dịng điện chạy qua… theo ngun 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 thơng
tin.
Trong mơ hình của tơi 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.

Khóa
luận
giáo
dục học
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 dịng 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 mơ 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, mơ hình quay được mịn và chính
xác hơn.


13

Module điều khiển động cơ L298

1.3.2.

Nhằm điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ, mơ hình cịn 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 đơi có khả năng hoạt động ở điện
thế cao, dòng cao [12]. L298 có hai chân enable nhằm cho phép hoặc khơng 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].

Khóa luận giáo dục học

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.