Bộ dụng cụ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

111Equation Chapter 1 Section 1

BỘ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM ĐO TỪ TRƯỜNG VÀ LỰC TỪ
TĨM TẮT

Bộ dụng cụ thí nghiệm đo từ trường và lực từ sử dụng cảm biến Hall để đo từ
trường phát ra từ nam châm điện và một cảm biến trọng lực để đo lục hút của nam
châm. Độ lớn của từ trường sẽ được điều khiển bằng biến trở sau khi có kết quả đo
sẽ được hiển thị lên lcd và dữ liệu được đưa lên mongodb. Bộ vỏ thí nghiệm sẽ
được vẽ bằng phần mềm Solidwork sau đó in 3D phần vỏ và đấu dây mang tính
thẩm mỹ nhất.

1

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI........................................................................4
1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI......................................................................................................4
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI..................................................................................4
1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU............................................................................................4
1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU................................................................................................4
1.5 DỰ KIẾN KẾT QUẢ......................................................................................................4
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG......................................................................5
2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG.......................................................................................5

2.1.1 Khối nguồn..........................................................................................................5
2.1.2 khối chuyển điện áp............................................................................................6
2.1.3 Khối cảm biến.....................................................................................................8
2.1.4 Khối hiển thị......................................................................................................11
2.1.5 Khối xử lí trung tâm..........................................................................................13

2.2 SƠ ĐỒ NGUN LÍ TỔNG QT................................................................................15
2.3 THIẾT KẾ MƠ HÌNH...................................................................................................15
2.3.1 Thiết kế mạch đồng...........................................................................................15
2.3.2 Thiết kế hộp thí nghiệm.....................................................................................17
CHƯƠNG 3. GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN...........................................................20
3.1 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG.....................................................................................20
3.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN................................................................21
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM.....................................................................................22
4.1 TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM.......................................................................................22
4.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM...........................................................................................22
4.3 KẾT LUẬN THỰC NGHIỆM.........................................................................................26
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN..............................................................................................26

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

2

5.1 ƯU ĐIỂM...................................................................................................................26
5.2 NHƯỢC ĐIỂM............................................................................................................27
5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................27
TÀI LIỆU KHAM KHẢO...............................................................................................27
PHỤ LỤC ....................................................................................................................28

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

3

DANH MỤC HÌNH VẼ

HÌNH 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI....................................................................................................6

HÌNH 2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ADAPTER..................................................................7
HÌNH 2.3 HÌNH ẢNH THỰC TẾ ADAPTER................................................................7
HÌNH 2.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ XL7015........................................................................8
HÌNH 2.5 MẠCH THỰC TẾ XL7015.............................................................................8
HÌNH 2.6 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG.................10
HÌNH 2.7 MẠCH THỰC TẾ CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG....................................10
HÌNH 2.8 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN CÂN......................................................12
HÌNH 2.9 MẠCH THỰC TẾ CẢM BIẾN CÂN...........................................................12
HÌNH 2.10 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH HIỂN THỊ.................................................13
HÌNH 2.11 MẠCH THỰC TẾ MẠCH HIỂN THỊ.......................................................14
HÌNH 2.12 SƠ ĐỒ CHÂN ESP32S................................................................................15
HÌNH 2.13 VI ĐIỀU KHIỂN ESP32S............................................................................15
HÌNH 2.14 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TỔNG QUÁT.........................................................16
HÌNH 2.15 SƠ ĐỒ MẠCH ĐỒNG.................................................................................17
HÌNH 2.16 SƠ ĐỒ CHÂN TRÊN PROTUES...............................................................17
HÌNH 2.17 MẠCH THỰC TẾ........................................................................................18
HÌNH 2.18 THÂN HỘP THÍ NGHIỆM........................................................................18
HÌNH 2.19 NẮP HỘP THÍ NGHIỆM............................................................................19
HÌNH 2.20 TRỤC CÂN...................................................................................................19
HÌNH 2.21 ỐNG DÂY NAM CHÂM ĐIỆN..................................................................19
HÌNH 2.22 SẢN PHẨM MƠ PHỎNG...........................................................................20
HÌNH 2.23 SẢN PHẨM THỰC TẾ...............................................................................20
HÌNH 4.1 CẤP NGUỒN CHO BỘ THÍ NGHIỆM......................................................24

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

4

HÌNH 4.2 ESP32 ĐÃ KẾT NỐI WIFI VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU.....................................24
HÌNH 4.3 TIẾN HÀNH CÂN VẬT NẶNG...................................................................25

HÌNH 4.4 ĐỐI CHIẾU KHỐI LƯỢNG VẬT NẶNG..................................................25
HÌNH 4.6 NGƯNG KÍCH ÁP CHO CUỘN DÂY CỦA NAM CHÂM ĐIỆN...........26
HÌNH 4.5 KÍCH ĐIỆN ÁP QUA CUỘN DÂY CỦA NAM CHÂM ĐIỆN.................26
HÌNH 4.7 DỮ LIỆU ĐƯỢC GỬI LÊN MONGODB...................................................27

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu đề tài
Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ dùng để sử dụng trong môi trường giáo dục,
sử dụng cảm biến từ trường và cảm biến cân định lượng để đo độ lớn từ trường phát
ra từ nam châm điện và độ lớn lực từ mà nam châm điện tác dụng lên một vật nặng
có cấu tạo từ sắt. Sau khi các cảm biến đọc được giá trị thì sẽ được đưa lên web
sever để hiển thị và luu trữ thơng tin của bộ thí nghiệm.

1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài
Ứng dụng vi điều khiển tích hợp mulde wifi ESP32 trong bộ thí nghiệm để điều
khiển các thiết bị cảm biến và kết nối với MongoDB sau khi cảm biến đọc giá trị có
thể gửi dữ liệu lên web sever khi bộ thí nghiệm hoạt động.

1.3 Đối tượng nghiên cứu
Vi điều khiển tích hợp module wifi ESP32.
Cảm biến từ trường, cảm biến cân định lượng và màn hình hiển thị LCD.
Thuật tốn kết nối, điều khiển nối ESP32 với các cảm biến và kết nối với
MongoDB.

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài được ứng dụng trong lĩnh vực giáo dục và với mục đích nghiên cứu giảng
dạy cho các trường trung học phổ thông.
Giới hạn cảm biến đo từ trường từ -500uT đến 500Ut.
Giới hạn cảm biến cân định lượng từ 0kg đến 1kg.

1.5 Dự kiến kết quả
Bộ thí nghiệm sẽ mang tính thẩm mỹ cao, hoạt động một cách tự động và ổn định.
Có thể giám sát thống số khí bộ thí nghiệm hoạt động gián tiếp qua web sever. Hệ
thống sẽ cho ra kết quả chính xác lên đến 90% vì độ chính xác sẽ được điều chỉnh
bằng các hàm tốn học thơng qua phần mềm Matlab.

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

6

2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.1 sơ đồ khối

2.1.1 Khối nguồn
Chức năng : cấp nguồn 12V

Linh kiện sử dụng chính : nguồn adapter 12V

Thơng số kỹ thuật :

Đầu vào 100 - 240VAC
Đầu ra

50/60 hz

0.5A
12VDC

2A

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

7

Sơ đồ nguyên lý :

Hình 2.2 sơ đồ nguyên lý adapter

Hình 2.3 hình ảnh thực tế adapter

2.1.2 khối chuyển điện áp
Chức năng : chuyển đổi nguồn 12VDC sang 5VDC
Linh kiện sử dụng chính : XL7015
Thơng số kỹ thuật :
XL7015

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

Điện áp đầu vào 8
Điện áp đầu ra
Dòng diện đầu ra 5 - 80 VDC
Tần số dao động 5 - 20 VDC
1.1 - 0.6 A

Sơ đồ nguyên lý : 120 - 180 KHz

Hình 2.4 sơ đồ nguyên lý XL7015

Hình 2.5 mạch thực tế XL7015

2.1.3 Khối cảm biến
1) Cảm biến từ trường

Chức năng : xác định từ trường từ nam châm điện
Linh kiện sử dụng chính : SS49E và LM393

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

Thông số kỹ thuật : 9

LM393 2 - 36 V
Điện áp cung cấp đơn 1 - 18 V
Điện áp cung cấp kép 2 - 36 V
Dải điện áp đầu vào 0.5 mA (điện áp đơn)
Dòng tiêu thụ 1 mA (điện áp kép)
1,4 V
Điện áp đầu ra 20 mA
Dòng điện đầu ra tối đa -25 - 85 độ C
Nhiệt độ hoạt động
3 - 6.5 V
SS49E Max 8 mA
Điện áp cung cấp đầu vào Min 1 mA
Dòng điện cung cấp 3 uS
Dòng đầu ra 2.25 - 2.75 V

Thời gian đáp ứng 1.6 - 2.0 mV/G
Điện áp đầu ra
Độ nhạy

Sơ đồ nguyên lý :

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

10

Hình 2.6 sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến đo từ trường

Hình 2.7 mạch thực tế cảm biến đo từ trường

2) Cảm biến cân định lượng
Chức năng : xác định từ trường từ nam châm điện
Linh kiện sử dụng chính : HX711 và Load cell

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

11

Thông số kỹ thuật : 2.6 - 5.5 V
AGND+1.2 - AVDD-1.3 V
LM393 800000-7FFFFF HEX
Điện áp cung cấp đầu vào Max 1.5 Ma
Chế độ chung đầu vào 24 bit ADC
Mã hóa dữ liệu đầu ra 40 mA
Dòng tiêu thụ 10 - 80 SPS (tùy chỉnh)
Độ phân giải

Độ phân giải điện áp 5 V
Tốc độ lấy mẫu -20 - 65 độ C
1066±20 Ω
Load cell 1000±20 Ω
Điện áp cung cấp đầu vào 2000 MΩ
Nhiệt độ hoạt động 0.05 %
Trở kháng đầu vào ±0.1%RO
Trở kháng đầu ra 0.003 %RO/độ C
Trở kháng cách li 0.02 %RO/độ C
Độ lệch tuyến tính 1 Kg
Độ cân bằng điểm không
Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhạy
Nhiệt độ ảnh hưởng đến điểm không
Tải trọng

Sơ đồ nguyên lý :

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

12

Hình 2.8 sơ đồ nguyên lý cảm biến cân

Hình 2.9 mạch thực tế cảm biến cân

2.1.4 Khối hiển thị
Chức năng : hiển thị kết quả đo được từ cảm biến
Linh kiện sử dụng chính : LCD1602 và I2C
Thơng số kỹ thuật :

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

LCD1602 13
Điện áp cung cấp đầu vào
Nhiệt độ hoạt động 2.7 - 5.5 V
Điện áp cực đại -30 - 75 độ C
Điện áp cực tiểu 7 V
Điện áp ra mức cao -0.3 V
Điện áp ra mức thấp
Dòng điện cấp nguồn > 2.4 V
< 0.4 V
I2C 350 – 600 uA
Điện áp cung cấp đầu vào
Hỗ trợ loại màn hình 2.5 - 6 V
Địa chỉ mặc định LCD1602, 1604, 2004
0x27 hoặc 0x3f
Sơ đồ nguyên lý :

Hình 2.10 sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị
Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

14

Hình 2.11 mạch thực tế mạch hiển thị

2.1.5 Khối xử lí trung tâm
Chức năng : điều khiển toàn mạch và kết nối với cơ sở dữ liệu

Linh kiện sử dụng chính : ESP32 NodeMCU

Thông số kỹ thuật :

ESP32 NodeMCU 5 VDC từ cổng Micro USB
Điện áp cung cấp 2400 – 2483.5 MHz
Dải tần số 32 Mb
SPI flash 520 KB
Ram 448 KB
Rom BR / EDR
Bluetooth
Chuẩn wifi 802.11 b/g/n/e/i
Hỗ trợ giao diện UART/SPI/SDIO/PWM/I2S/IR/ADC/

DAC

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

15

Sơ đồ chân :

Hình 2.12 sơ đồ chân ESP32s
Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

16

2.2 Sơ đồ nguyên lí tổng quát

Hình 2.14 sơ đồ nguyên lý tổng quát

2.3 Thiết kế mô hình

2.3.1 Thiết kế mạch đồng Kích thước Đơn vị
Thành phần 48.26 x 22.86 mm
ESO32S nodemcu 80 x 36 x 12.5 mm
LCD1602 41.5 x 19 x 15.3 mm
I2C 38 x 21 x 10 mm
HX711 75.3 x 12.7 .12.7 mm
Load cell 36 x 15 mm
Cảm biến từ trường (Hall-SS49E) 44 x 16 mm
Mạch tăng áp (XL7015)

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

17

Hình 2.15 sơ đồ chân trên protues

Hình 2.16 sơ đồ mạch đồng
Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

18

Hình 2.17 mạch thực tế

2.3.2 Thiết kế hộp thí nghiệm

Hình 2.18 thân hộp thí nghiệm
Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ

19

Hình 2.19 nắp hộp thí nghiệm
Hình 2.20 trục cân

Bộ thí nghiệm đo từ trường và lực từ