Xây dựng công cụ phát hiện tắc nghẽn trên mạng cảm ứng không dây

Phần A
Tóm tắt các kết quả nổi bật của đề tài.
Mô hình sản phẩm dùng để đo đạc góc lệnh một cách trực quan.
Mô hình có sự kết hợp của bộ vi xử lí Arduino Uno, cảm biến gia tốc MPU6050, laser chiếu điểm đồng thời kết hợp với LCD 16x02 cho hiển thị thông số trực
quan trong mỗi lần đo.
1.Cảm biến gia tốc MPU-6050:
 Đặc điểm:
Có 6 bậc tự do gồm có: 3 trục con quay hồi chuyển (gyroscope) và 3 trục gia
tốc (accelerometer) được thiết kế cùng nhau trong nhân chip Digital Motion Processor
(DMP) sử dụng thuật toán MotionFusion.

Trục quay của cảm biến

1


Cảm biến tích hợp trên
board

 Thông số kỹ thuật:
o

Điện áp cấp: 3~5v.

o

3 góc con quay hồi chuyển với độ nhạy lên đến 131 LSBs/sps và đầy đủ
các độ ±250, ±500, ±1000, and ±2000dps.

o

3 góc gia tốc kế với đầy đủ khả năng lập trình với ±2g, ±4g, ±8g and
±16g.

o

Kích thước: 14 x 21mm.

2. Màn hình hiển thị LCD 16x02:

2


 Đặc điểm:

Màn hình text LCD1602 vàng đen sử dụng driver HD44780, có khả năng
hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều
code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án. Đặc
biệt màn hình được tích hợp sẵn Mạch điều khiển màn hình 16x02 giao tiếp I2C.

 Thông số kỹ thuật:
o

Điện áp hoạt động là 5 V.

o

Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm.

o

Chữ đen, nền xanh lá.

o

Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối
với Breadboard.

o

Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết
nối, đi dây điện.

o

Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để
sử dụng ít điện năng hơn.

o

Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu.

3. Arduino Uno R3

3


 Đặc điểm:
Arduino Uno R3 hiện nay đã được biết đến một cách quen thuộc tại Việt Nam,
và trên thế giới thì nó đã phổ biến! Sức mạnh của chúng ngày càng được chứng tỏ theo
thời gian với vô vàn các ứng dụng mở (open source) độc đáo được chia sẻ rộng

rãi. Arduino Uno R3 bạn có thể ứng dụng vào những mạch đơn giản như mạch cảm
biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ... hoặc cao hơn nữa bạn có thể làm
những sản phẩm như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay không người lái, và
các ứng dụng lớn khác. Arduino Uno R3 thực sự đã gây sóng gió trên thị trường
người dùng DIY (là những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong
thời gian gần đây. Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ
bậc phổ thông lên đến đại học thậm chí là những trường đại học nổi tiếng trên thế giới
và đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ
biến. Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit mega AVR của Atmel với hai
chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560. Các dòng vi xử lý này cho phép
lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các
loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có
khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa
dạng như UART, SPI, TWI (I2C).
 Thông số kỹ thuật:
o

ATmega328.

o

Nguồn vào đề nghị : 7-12V.

o

Dòng tối đa chân 5V : 500mA.

o

Dòng tối đa chân 3.3V : 50mA.

o

Dòng tối đa chân I/O : 30mA.

o

14 chân Digital I/O (6 chân PWM).

o

6 chân Analog Inputs.

o

32k Flash Memory.

o

6Mhz Clock Speed.

4


o

SRAM 2 KB.

o

EEPROM 1 KB.

4. Laser 5V:
 Đặc điểm:
Mắt laser 5V 650nm 5mW có giá rẻ, nguyên liệu cho vô số ứng dụng.

 Thông số kỹ thuật:
o

Tên : Laser đầu đồng nhỏ ( màu đỏ )

o

Truyền tải điện: 50mW

o

Kích thước: Φ6MM Dài 10MM

o

Độ Bền> 1000h

o

Kiểu dọi Điểm

o

Bước sóng: 650nm

o

Điện: 5mW

o

Điện áp: 5V

o

Hiện tại: <20m

o

Nhiệt độ làm việc: -36 ℃~ 65

o

Nhiệt độ lưu trữ: -36 ℃~ 65 ℃

o

Độ Dọi Xa Khoảng cách 15M ( Điểm dọi Φ10mm)

5. Điểm nổi bật của đề tài:
Đo được độ lệch của các trục toạ độ khi xoay cảm biến với độ sai lệch không quá 5o.
 Tính số đo giá trị lượng giác của các góc lệch phương xoay.

5

 Tuỳ chỉnh code cho phù hợp và thay đổi theo nhu cầu người học.
 Tạo hứng thú cho lứa tuổi học sinh, tạo tiền đề cho các em có nhu cầu tìm hiểu
khoa học và sáng tạo trong học tập.
 Học sinh có thể hình dung ra phép chiếu của lượng giác để vận dụng tốt cho
giải bài tập.
 Có thể thu nhỏ mô hình để giáo viên có thể trình chiếu trên bảng, và cho
những buổi học ngoài trời.
 Dữ liệu truy xuất được trên máy tính, có thể lấy ra để cho thông số làm bài tập
kiểm tra.
 Nguồn pin có thể USB, Pin rời (có thể dung pin sạc dự phòng của thiết bị sạc
di động) hoặc qua sạc adapter.
 Giá thành rẻ, phụ tùng dễ tìm mua ở thị trường trong nước.
Sản phẩm này trên thực tế đã có nhiều ứng dụng như: đo góc điện tử [1]. Tuy
nhiên giá thành quá cao và sản phẩm không tuỳ biến theo nhu cầu cũng như mục đích
nghiên cứu.
Sản phẩm tạo ra nhằm đáp ứng nhu cầu khó hiểu khi phân tích lực, các độ lớn
của lực tương ứng khi chiếu lên hệ trục quy chiếu khi làm toán vật lí.
Với mã nguồn lập trình trên nền tảng C,C++,C#... các học sinh có thể dễ dàng
thay đổi mã code và nghiên cứu với các mục đích khác nhau tạo tiền đề cho sự đam
mê và sáng tạo trong học tập.

Phần B:
1.Đặt vấn đề:
1.1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu:
+ Trong bài tập phân tích lực thuộc chương trình vật lí 10 trung học phổ thông,
học sinh dễ mắc sai lầm trong việc phân tích lực.
6

+ Đề tài cần thiết: sản phẩm giúp học sinh có thể dễ dàng hiểu, cảm thụ bài
giảng nhanh chóng và trực quan hơn. Giáo viên không quá khó trong việc trình bày
cũng như hướng dẫn học sinh khi phân tích các vec-tơ lực. Tạo tiền đề cho học sinh có
thể chiếm lĩnh, làm chủ tri thức để vận dụng lượng giác vào giải một số bài tập vật lí
và ứng dụng cho dao động cơ học thuộc chương trình vật lí 12.
Sản phẩm dự kiến có thể làm ra hai mô hình: dành cho giáo viên giảng dạy và
từng cá nhân học sinh.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
a. Mục đích:
Giúp học sinh biết, hiểu quan sát góc lệch của các lực so với quy chiếu (trục
Ox, Oy nằm song song với mặt đất) và biết vận dụng linh hoạt các phép toán lượng
giác trong các bài toán cơ học ở lớp 10.
Rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức toán học tính góc trong tam giác vuông
và sử dụng công thức lượng giác vào việc giải bài toán vật lí.
Giúp học sinh tìm độ lớn các lực thành phần khi phân tích lên các phương chiếu
giáo viên có thể dễ dàng truyền đạt ý tưởng cho học sinh học vật lí dễ dàng.
b. Mục tiêu nghiên cứu:
Ứng dụng công nghệ thông tin, khoa học kỹ thuật tạo sản phẩm mô hình tính ra
giá trị góc lệch so hệ quy chiếu (cụ thể là theo phương Ox, Oy để phù hợp với học sinh
phổ thông có thể mở rộng thêm phương Oz).
Mô hình có thể tính góc quay theo hướng Ox và Oy với mức độ sai số  3o. Sản
phẩm mô hình biểu diễn được trên bảng và có khả năng tinh chỉnh tuỳ biến độ lệch.
Giáo dục kỹ thuật tổng hợp: học sinh giải thích được các hiện tượng cân bằng,
dịch chuyển thường gặp trong đời sống.

2.Tổng quan tài liệu:
Nội dung kiến thức vật lí lớp 10 sách giáo khoa trung học phổ thông. Học sinh
cấp III, ở một số trường thuộc khu vực TP. HCM và sinh viên trường Đại học Sài Gòn

7


chuyên ngành sư phạm vật lí. (Tùy mức độ đánh giá và hỗ trợ kinh phí, phạm vi được
thay đổi thích hợp).
Nghiên cứu phương pháp tìm ra độ lệch của góc quay so với hệ quy chiếu đã
cho, tính ra giá trị góc lệch và độ lớn lượng giác lệch góc quay của từng trục so với
phương ngang (mặt phẳng song song với mặt đất). Học sinh quan sát trực quan, hứng
thú trong học tập, tích cực chủ động làm chủ tri thức trước mắt và tạo tiền đề cho
nghiên cứu rộng hơn và sâu hơn.

3.Đối tượng và phương pháp nghiên cứu:
 Thiết kế nghiên cứu của đề tài: tính góc quay lệch trục toạ độ dựa vào MPU6050, lập code cho chương trình xuất ra góc lệch so với phương ngang, tính ra
giá trị Sin và Cos của góc lệch so với phương ngang khi chuyển động MPU6050.
 Nội dung nghiên cứu
o Sưu tầm và tạo code cho phần mềm phù hợp với nội dung phân tích lực
cụ thể là phân tích góc nghiêng của MPU-6050 để có tương ứng vơi nội
dung bài học của giáo khoa lớp 10 phần động học chất điểm.
o Số liệu góc nghiêng so với phương ngang của hai trục được hiện thị
trên màn hình LCD của thiết bị đồng thời được xuất trên máy tính khi
được đồng bộ mã code và phần mềm trên mạng [3].
o Nội dung kiến thức vật lí lớp 10 sách giáo khoa trung học phổ thông.
Học sinh trung học phổ thông, ở một số trường thuộc khu vực TP.
HCM
 Phương pháp nghiên cứu:
o Phương pháp điều tra viết: (biểu mẫu kết hợp với câu hỏi mở) ( Khoảng
1000 phiếu)
o Phương pháp phỏng vấn và nghe ý kiến
o Thí nghiệm

o Quan sát

8


o Phương pháp thống kê: so sánh giữa trước và sau khi tiếp xúc với sản
phẩm

4. Kết quả nghiên cứu:
Mô hình sản phẩm bao gồm:
 Phần mềm dựa trên nền tản lập trình C, C+, C#.
 Phần cứng là Arduino Uno và các module tích hợp: con quay hồi chuyển
MPU6050, màn hình LCD phân giải 16 bit 16x02, chuyển đổi tín hiệu, dây nối.
 Mô hình đo trực quan dựa vào nguồn pin hoặc nguồn pin USB từ máy tính.
 Mô hình đo được góc quay theo 3 phương Ox, Oy, Oz dựa trên thông số xuất ra
của MPU6050.
Đã thiết lập và tạo code cho phù hợp với chương trình nhằm tính ra góc lệch,
khi xoay góc quay lệch phương Ox và Oy (kết quả đo chính xác hơn các gia tốc kế của
smartphone: iphone 5 trở lên...). Số liệu có thể lấy trên máy tính theo chương trình cấp
theo máy.

9


So sánh trực quan

10


Thay đổi code theo mục đích và số liệu từ máy tính.

Dựa vào thông số cung cấp của MPU-6050, tinh chỉnh và lập code nạp cho
chương trình để tạo ra mô hình phù hợp với chương trình phổ thông. Có cổng USB để
nâng cấp chương trình từ tác giả để lựa chọn phù hợp mục đích sử dụng.

Tính góc nghiêng với gia tốc MPU6050 [2]
Nếu ta xem xét rằng lực chỉ tác động lên cảm biến trọng lực. Sau đó, các giá trị,
chúng tôi nhận được trong các thành phần của gia tốc tương ứng với mức độ nghiêm
trọng và góc độ của các kết quả sẽ được độ nghiêng của mặt phẳng của cảm biến, vì
lực hấp dẫn luôn là thẳng đứng. Để hiểu nó tốt hơn, chúng tôi sẽcho rằng chúng ta
11


đang ở trong một mặt phẳng XZ và nghiêng MPU6050 một góc θ, góc này được tính
như sau: điều này phục vụ để tính toán các góc trong một mặt phẳng 2D, nhưng để tính
toán các góc trong không gian 3D trong cả X và Y sử dụng các công thức sau đây:

Hãy nhớ rằng chúng tôi đang tính toán các góc độ nghiêng tĩnh không phụ
thuộc thời gian và tốc độ quay, nếu chúng ta muốn các góc tức thời và phụ thuộc vào
thời gian cũng như vận tốc xoay ta cần dung thêm thiết bị và code khác cho phù hợp.
Code để tính toán các góc nghiêng là như sau:

#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050.h"
#include "Wire.h"
MPU6050 sensor;
#include <LiquidCrystal_I2C_1602.h>
const int MPU_addr=0x68;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);
int ax, ay, az;
void setup() {

Serial.begin(57600);
Wire.begin();
sensor.initialize();
if (sensor.testConnection()) Serial.println("Sensor begin");

12


else Serial.println("Error sensor");
}
void loop() {
sensor.getAcceleration(&ax, &ay, &az);
float accel_ang_x=atan(ax/sqrt(pow(ay,2) + pow(az,2)))*(180.0/3.14);
float accel_ang_y=atan(ay/sqrt(pow(ax,2) + pow(az,2)))*(180.0/3.14);
Serial.print("OX xoay : ");
Serial.print(accel_ang_x);
Serial.print(" OY xoay: ");
Serial.println(accel_ang_y);
delay(10);
}

5. Áp dụng trong bài tập:
Bài toán 1:
Có một thùng gỗ hình lập phương nằm yên trên mặt phẳng ngang. Học sinh
An dùng sợi dây thùng gỗ, sợi dây có phương hợp với phương ngang góc 30 0 với
lực kéo là 60N. Hỏi độ lớn của lực cần thiết nếu học sinh An kéo thùng gỗ song
song phương ngang.
Bài làm

⃗

30o

Phương án 1: Theo phương pháp truyền thống
Chọn trục Ox nằm ngang
Lực kéo của học sinh An hợp với phương ngang là
Khi chiếu lên trục Ox thì độ lớn là
√

√

(I)

Phương án 2: Ứng dụng mô hình
Ta đặt thiết bị hợp với phương ngang 1 góc
Thông số lập trình sẳn cho ta giá trị
Học sinh dễ dàng lấy giá trị F đang lệch với phương ngang nhân với cos góc lệnh
là tìm được độ lớn của lực khi chiếu xuống phương ngang.
(II)

13


Nhận xét kết quả (I) và (2) giống nhau.
Bài toán 2:
Một tòa nhà cao 5 tầng, tính chiều cao tòa nhà.
Tính năng của mô hình là đo được góc nghiêng so với phương ngang.
Trên mô hình còn tích hợp một laser chiếu điểm.
Vậy với dạng bài tập thực tế này ta chỉ việc khởi động mô hình, rọi laser chiếu
điểm lên nóc tòa nhà thứ 5 và đọc thông số độ nghiêng trên mô hình. Sau đó đo

khoảng cách từ nơi chiếu đến tòa nhà (đo hình chiếu vuông góc xuống phương
ngang). Rồi áp dụng hệ thức lượng giác trong tam vuông ta tính ra được chiều cao
tòa nhà.
Áp dụng: đo chiều cao bình nước:

14


15


16


6. Hướng dẫn sử dụng:
a. Trực tiếp:
Cắm pin cho thiết bị khởi động

Đặt thiết bị ngang trên mặt phẳng để kiểm tra phương ngang. Thấy góc Ox lệch gần 0o
là chính xác.
Đặt thiết bị hít chặc lên bảng từ: ta xác định được góc đo lệch theo phương ngang và
cos góc lệch.
lệch góc với phương
ngang khi treo dính trên
bảng từ

17


Khi cắm dây cable usb với máy tính và đi kèm chương trình, ta có thể truy suất số liệu

góc nghiêng và các gía trị lượng giác đã lập trình sẳn

18


Năng lượng cun cấp cho thiết bị có thể từ cổng usb máy tính, pin dự phòng, pin
sạc...với nguồn DC dưới 12 vol và dòng từ 1A đến 2A để thiết bị ổn định.
7. Kết luận và kiến nghị:
Sản phẩm đem lại nhu cầu hứng thú trong học tập, học sinh quan sát góc lệch
khi chuyển động trên các máng nghiêng một cách dễ dàng, vận dụng lý luận để làm cơ
sở thực nghiệm kiểm chứng các lực khi phân tích các lực hợp góc khác nhau khi
chuyển động và mở rộng cho nghiên cứu, người dùng có thể nghiên cứu các mã code
trên mạng trên thư viện cộng đồng www.arduino.vn , www.arduino360.com ...kết hợp
với các thuật toán để tạo mã code cho riêng mình.
Cảm biến gia tốc MPU-6050 dùng nhiều trong các thiết bị di động và các xe tự
cân bằng [4], chắc chắn tạo cho học sinh sự tìm tòi sáng tạo là động lực thúc đẩy, ươm
mầm cho ngành công nghiệp hoá, hiện đại hoá.
Mã code sẽ hoàn thiện hơn nếu lập vào cách tính góc theo Euler.

“ h

ng ph p

c u er :



Các góc Euler là 3 góc được định nghĩa bởi Leonhard Euler để xác định hướng

của một đối tượng. Để xác định hướng trong không gian Euclide 3 chiều, 3 tham số được đòi

hỏi. Chúng có thể được chọn theo nhiều cách khác nhau, và các góc Euler là một trong số đó.


Các góc Euler thay thế cho ba chuyển động quay kết hợp, di chuyển hệ trục

tham chiếu đến một hệ trục ta đang xét. Hay nói một cách khác, bất kì một hướng nào trong
không gian Euclide 3 chiều cũng có thể được xác định bằng sự kết hợp của 3 chuyển động
xoay thành phần (chuyển động xoay quanh một trục cơ bản), và tương tự như thế, ma trận
xoay từ hệ trục cố định tham chiếu đến hệ trục ta đang xét cũng có thể được phân tích thành 3
ma trận xoay thành phần.


Không tính đến việc xét dấu của chuyển động quay cũng như việc di chuyển

các hệ trục tham chiếu, có tất cả 12 quy ước khác nhau trong việc kết hợp chuyển động quay,
từ đó là các quy ước về góc khác nhau. Một trong số chúng được gọi là góc Euler chính xác.
Số còn lại được gọi là góc Tait-Bryan. Đôi lúc chúng đều được gọi chung là góc Euler.

19




Việc xác định các góc là thuộc nhóm nào phụ thuộc vào cách định nghĩa

đường cơ sở dùng để hỗ trợ việc xác định các góc này. Có thể sử dụng đường cơ sở là giao
của 2 mặt phẳng tương đồng (2 mặt phẳng trùng nhau khi các góc bằng 0). Tuy nhiên cũng có
thể xác định dựa vào 2 mặt phẳng trực giao (2 mặt phẳng vuông góc nhau khi các góc bằng
0). Các góc được xác định bằng cách chọn thứ nhất được gọi là các góc Euler chính xác. Còn
với cách chọn thứ hai, các góc được gọi là góc Nautical, góc Cardan, hoặc là góc TaitBryan.”......trích dẫn.

7. Tài liệu tham khảo:
[1] />[2] />[3] />[4] /> />
20


o/la-ban-so-gy271-hmc5883l-processing-gui-and-lcd16x2/
/> /> />
hần A ................................................................................................................................................... 1

T m tắt c c kết quả nổi bật của đề tài. ....................................................................................................1
1.Cảm biến gia tốc M U-6050: ..................................................................................................................1
2. Màn hình hiển thị LCD 16x02: ..............................................................................................................2
3. Arduino Uno R3 ........................................................................................................................................3
4. Laser 5V:....................................................................................................................................................5
5. Điểm nổi bật của đề tài: ...........................................................................................................................5

hần B:.................................................................................................................................................. 6

1.Đặt vấn đề: ...................................................................................................................................................6
1.1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu:...................................................................................................................... 6
1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: .................................................................................................................. 7
a. Mục đích:................................................................................................................................................................ 7
b. Mục tiêu nghiên cứu:.......................................................................................................................................... 7
2.Tổng quan tài iệu: .....................................................................................................................................7
3.Đối t ợng và ph ng ph p nghiên cứu: ...............................................................................................8
4. Kết quả nghiên cứu: .................................................................................................................................9
Tính góc nghiêng với gia tốc MPU6050 [2] .......................................................................................... 11
5. Áp dụng trong bài tập: ......................................................................................................................... 13
6. Kết uận và kiến nghị: ........................................................................................................................... 17

7. Tài iệu tham khảo:................................................................................................................................ 20

21