Ứng dụng vi điều khiển arduino và cảm biến cường độ ánh sáng để thiết kế bộ thí nghiệm khảo sát sự phân bố cường độ các vân giao thoa nhiễu xạ​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THÀNH PHÚC

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ
CẢM BIẾN CƢỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG ĐỂ THIẾT KẾ
BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ CƢỜNG ĐỘ
CÁC VÂN GIAO THOA NHIỄU XẠ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THÀNH PHÚC

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ
CẢM BIẾN CƢỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG ĐỂ THIẾT KẾ
BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ CƢỜNG ĐỘ
CÁC VÂN GIAO THOA NHIỄU XẠ

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ
Mã số:

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

ThS. NGÔ MINH NHỰT

Thành phố Hồ Chí Minh - 2019


LỜI CẢM ƠN
Trong cuộc sống, thành công không chỉ đến từ cố gắng, nỗ lực của bản thân mà
còn gắn liền với sự giúp đỡ, hỗ trợ từ người khác dù ít hay nhiều. Suốt chặng đường bốn
năm đại học của mình, em nhận được những kiến thức vật lý bổ ích và sự quan tâm, chia
sẻ của thầy cơ, gia đình, bạn bè. Từ tận đáy lịng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến
quý Thầy cô Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh, những
người đã truyền dạy kinh nghiệm quý báu và bản lĩnh nghề giáo cho em trên giảng
đường đại học.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Ngô Minh Nhựt,
người đã tận tình, tận tâm hướng dẫn trong suốt khoảng thời gian em thực hiện khóa
luận. Thầy đã chỉ dạy những kinh nghiệm mà mãi sau này em không bao giờ quên được.
Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn và tri ân đến Thầy Nguyễn Lâm Duy, người đã
luôn quan tâm sâu sát, cho những lời khuyên và giải pháp hữu ích để em giải hồn thành
trọn vẹn khóa luận. Em xin cảm ơn và biết ơn Thầy Nguyễn Tấn Phát, Thầy Nguyễn
Hồng Long đã ln động viên và tạo động lực để em vượt qua bao khó khăn. Ngồi ra,
em cảm ơn các thầy cô trong tổ Vật lý Đại cương, các phòng ban, tổ bảo vệ đã tạo điều
kiện thuận lợi cho em thực hiện khóa luận này.
Lời cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến mẹ của em, người đã luôn bên cạnh, hỗ
trợ về mặt tinh thần và tạo động lực cho em làm việc, học tập. Em cũng rất biết ơn bạn
bè, người thân thương và các bạn trong phịng thí nghiệm Vật lý Đại cương Nâng cao đã
động viên, san sẻ về vật chất và tinh thần trong khoảng thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 04 năm 2019
Sinh viên

Nguyễn Thành Phúc


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1
1.

Tổng quan, lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1

2.

Mục tiêu của đề tài ....................................................................................................... 3

3.

Nội dung nghiên cứu .................................................................................................... 3

4.

Đối tượng và ph

5.

Phương pháp nghi n ứu ............................................................................................. 4

vi nghi n ứu ............................................................................... 4

CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................... 6
1.1. Vi điều khiển Arduino Nano........................................................................................ 6
1.2. Cảm biến ường độ ánh sáng BH1750FVI ................................................................. 7

1.3. Encoder......................................................................................................................... 7
1.4. Module Bluetooth HC-05 ............................................................................................ 8
1.5. M h điều khiển động ơ DC TB6612FNG................................................................ 9
1.6. Giao diện máy tính cá nhân ....................................................................................... 10
1.7. Sơ đồ thiết kế bộ thí nghiệm ...................................................................................... 11
CHƢƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................... 12
2.1. Bộ thí nghiệm hồn chỉnh .......................................................................................... 12
2.2. Thí nghiệm kiểm tra tính ổn định ủa ộ th nghiệ ................................................ 13
2.2.1. Thí nghiệm khảo sát sự tuyến tính cuả cảm biến đo ường độ sáng............. 13
2.2.2. Thí nghiệ

đo ước sóng ánh sáng bằng hiện tượng giao thoa khe Young . 18

2.2.3. Khảo sát hiện tượng nhi u x ánh sáng qua hệ

ột h ............................... 22

2.3. So sánh với các bộ thí nghiệm cùng lo i ................................................................... 26
CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 27
3.1. Kết luận ...................................................................................................................... 27
3.2. Hướng phát triển ........................................................................................................ 27
CHƢƠNG 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 29


DANH MỤC BẢNG
1 Số iệu giá trị thu đượ tr n ả
2 Số iệu á

iến ứng với g

 ......................................... 15

hoảng v n giao thoa ự đ i trong n hảo sát thứ nh t ................ 20

3 Khảo sát hiện tượng giao thoa h Young ........................................................... 21
4 Khảo sát ường độ sáng trong th nghiệ

nhi u x qua

ột h ........................ 25


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Bộ thí nghiệm vẽ ường độ vân giao thoa, nhi u x do Khoa Vật ý trường Đ i
họ Sư Ph m TPHCM thiết kế (a); Bộ thí nghiệ

Xá định ước sóng ánh sáng do Công

ty Nhà sách Thiết bị trường học sản xu t (b); Bộ thí nghiệm giao thoa nhi u x ánh sáng
o h ng thiết ị Pas o sản xu t

3 ................................................................................. 3

H

2 Vi điều hiển Arduino Nano [9] ............................................................................. 6

H

3 Sơ đồ nguyên lý m h ả

H

4 C u t o ủa En o r và h nh ảnh xung ủa hai

H

5 Bluetooth HC-05 ..................................................................................................... 9

H

6 Sơ đồ

H

7 Giao iện tương tá tr n

H

8 Sơ đồ thiết ế ộ th nghiệ ................................................................................. 11

H

9 H nh ảnh ộ th nghiệ

H

1

iến ường độ sáng BH175 FVI ............................... 7

nh

B .................................... 8

h điều hiển động ơ TB6612FNG ..................................................... 10

Sơ đồ th nghiệ

áy t nh á nh n ........................................................... 11
hoàn hỉnh và hệ

h điện ủa ộ th nghiệ ........... 12

hảo sát sự tuyến tính cuả cảm biến đo ường độ sáng ........ 13

Hình 11. Hệ thí nghiệ : Đèn az r H -Ne (1); Kính phân cực (2); Kính phân tích (3); Bộ
thí nghiệ

hảo sát sự ph n ố ường độ v n giao thoa nhi u x

4 ; Giao iện tương tá

trên máy tính (5).................................................................................................................. 14
H

12 Đồ thị iểu i n giá trị thu đượ tr n ả

iến BH175 FVI th o cos 2 ( ) (a);

Đồ thị biểu di n sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra vào ường độ sáng chiếu tới

phototransistor hi thay đổi góc hợp bởi phương ph n ực của ánh sáng và của kính phân
cự ở ộ th nghiệ

ủa Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph

TPHCM nghi n ứu

4

............................................................................................................................................. 16
H

13 Đồ thị iểu i n giá trị thu đượ tr n ả

H

14 Hệ thí nghiệ

giao thoa h Young: Đèn az r H -N

chỉnh khe Young (2); Bộ thí nghiệ
diện tương tá tr n

iến BH175 FVI ứng với g  .... 17
1 ; Giá đỡ có gắn bộ vi

hảo sát ường độ v n giao thoa nhi u x

3 ; Giao

áy t nh 4 ......................................................................................... 18

H

15 H nh ảnh hệ v n giao thoa đượ hứng tr n tờ gi y trắng ................................... 19

H

16

H

17 Đồ thị iểu i n ường độ sáng th o vị tr ủa th nghiệ

H

18 Hiện tượng nhi u x qua

nh hụp hệ v n giao thoa trong thự tế ............................................................ 20
giao thoa ................ 20

ột h h p ................................................................ 23


H

19 Hệ thí nghiệ

giao thoa h Young: Đèn az r H -N

1 ; Giá đỡ có gắn bộ vi

chỉnh khe Young (2); Bộ thí nghiệm khảo sát sự ph n ố á v n giao thoa nhi u x
Giao diện tương tá tr n
H

2

H

21 Giải pháp

3;

áy t nh 4 ................................................................................ 24

Đồ thị ph n ố ường độ sáng th o vị tr ứng với nhi u x

ột h ................ 25

ới ho hệ ơ h ủa ộ th nghiệ ................................................. 27


NH MỤC VIẾT TẮT
Trung họ phổ th ng

THPT

Đ i họ Cao đ ng

ĐH CĐ

Thành phố Hồ Ch Minh

TPHCM

Integrated Development Enviroment

IDE

Photodiode

PD

Analog Digital Converter

ADC

Volt

V

Ampere

A

Direct Current

DC

Alternating Current

AC

Arbitrary Units

a.u.

Integrated Circuit

IC

Inter - Integrated Circuit

I2C


1

MỞ ĐẦU
1.

Tổng quan, lý do chọ đề tài
Trong những nă

g n đ y hệ thống giáo dục Việt Na

đ tiến hành những thay

đổi chú trọng vào việc bồi ưỡng về nội dung kiến thức và nâng cao khả năng ứng

dụng kiến thức vào thực tế ho người họ . Trong bộ mơn Vật lí, việc thực hành thí
nghiệ

đ ng vai trị quan trọng trong việc từng ước hình thành kỹ năng thực nghiệm

và rèn luyện, củng cố kiến thứ đ học cho học sinh, sinh viên. Tuy nhiên, việc trang
bị và sử dụng các thiết bị thí nghiệm ở nhiều trường trung học phổ thông (THPT),
trường ao đ ng CĐ đ i họ

ĐH

òn nhiều mặt h n chế: dụng cụ thí nghiệ

đ y đủ, một số dụng cụ thí nghiệm có sai số lớn nên kết quả đo đ

hưa

hưa h nh xá và

h ng đúng với các kết quả t nh được trên lý thuyết [1]. Ngoài ra, một số dụng cụ thí
nghiệ

độ ổn định khơng cao, d hỏng hóc trong quá trình vận hành, do vậy việc sử

dụng các thiết bị thí nghiệ

hưa được hiệu quả. Cũng h nh v ý o tr n

á giáo

viên, giảng vi n thường ng i sử dụng thí nghiệm trong các ho t động d y học.
Cụ thể trong hương tr nh Vật lí lớp 12 ph n Sóng ánh sáng, bộ thí nghiệm Xác
định ước sóng ánh sáng bằng hiện tượng giao thoa do Công ty Cổ ph n Sách và Thiết
bị trường học sản xu t đang được trang bị rộng rãi ở á trường THPT và một số
trường CĐ ĐH [2]. Bộ thí nghiệm này sử dụng nguồn as r io

ánh sáng đỏ chiếu

tới khe Young, và hình ảnh của á v n giao thoa được quan sát trên màn trắng có
thước chia v ch với độ chia nhỏ nh t à 1
nghiệ

. Bước sóng của ánh sáng trong thí

này đượ xá định theo biểu thức:



ai
D

(1)

với a là khoảng cách giữa hai khe Young; D là khoảng cách từ khe Young tới màn
trắng quan sát; i là khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp

òn được gọi là khoảng

vân. Dựa vào thước chia v ch ở màn trắng quan sát người làm thí nghiệm sẽ xá định
được khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp.

Sai số tương đối của phép đo được tính bởi biểu thức:









i D a


i
D
a

(2)


2
Khoảng cách D từ h Young đến

àn quan sát thường lớn, do vậy sai số của

phép đo ướ s ng  phụ thuộc r t nhiều vào sai số của khoảng vân i . Để phép đo
ướ s ng  được chính xác thì c n phải cải thiện sai số dụng cụ hi đo hoảng vân i .
Bên c nh đ

tr n thị trường cịn có nhiều bộ thí nghiệm khảo sát hệ vân giao thoa

nhi u x do các hãng chuyên sản xu t trang thiết bị về d y họ như Pas o L yBo
Phyw … Đặc biệt trong số đ
sử ụng

ột ả

đượ gắn tr n

à ộ thí nghiệm ủa h ng thiết ị Pas o [3] sản xu t

iến để đo ường độ sáng vân giao thoa. Cảm biến ánh sáng này
ột ả

iến xá định vị tr và đượ người

ng i huyển ọ th o

trường giao thoa. Dữ iệu về vị tr và ường độ v n giao thoa sẽ đượ

ập nhật n

áy

t nh và vẽ đượ đồ thị thể hiện sự phân bố ường độ á v n giao thoa nhi u x trên
trường giao thoa. Từ đ

người làm thí nghiệm có thể xá định được vị trí các cự đ i

giao thoa và t nh được khoảng vân i . H n hế ủa ộ th nghiệ

phải i huyển hệ thống thu nhận ữ iệu ường độ sáng
đ

đượ

h nh xá . Do đ

việ thự hiện th nghiệ

ột á h

này à người

ng

n thận để việ đo

đòi hỏi kỹ năng và thao tá tốt.

Hơn nữa giá thành của bộ thí nghiệm này r t đắt, khó trang bị rộng rãi ở á trường
phổ thơng.
Ngồi ra, hiện nay đ
t o và phát triển bộ thí nghiệ
biệt trong số đ

ột số phịng thí nghiệ

đ tập trung nghiên cứu, cải

i n quan đến vẽ ường độ vân giao thoa nhi u x đặc

à sản ph m của Tổ Vật ý Đ i ương thuộc Khoa Vật ý trường Đ i

họ Sư ph m Thành phố Hồ Chí Minh [4]. Bộ thí nghiệm này có khả năng vẽ đượ đồ
thị ường độ vân giao thoa, nhi u x ánh sáng với bề rộng trường giao thoa là 5cm và
độ phân giải nhỏ nh t là 0,1mm. Bộ thí nghiệ

ũng thu nhận dữ liệu tự động và trao

đổi với máy vi tính thơng qua giao diện tương tá
nhiên, việc thực hành thí nghiệm cịn thủ
thống đo đ c bằng tay

ằng cơng nghệ Bluetooth. Tuy

ng người làm thí nghiệm phải đ y hệ

o đ việc thực hiện đo đ c vẫn còn phụ thuộc r t nhiều vào

khả năng thực nghiệm của người làm thí nghiệm.


3

Hình 1. Bộ thí nghiệm vẽ cường độ vân giao thoa, nhiễu xạ do Khoa Vật lý trường Đại học
Sư Phạm TPHCM thiết kế (a); Bộ thí nghiệm Xác định bước sóng ánh sáng do Cơng ty Nhà
sách Thiết bị trường học sản xuất (b); Bộ thí nghiệm giao thoa nhiễu xạ ánh sáng do hãng
thiết bị Pasco sản xuất (c) [3]

Bên c nh đ

việc sử dụng các bộ thí nghiệm kết nối với máy tính là một trong

những xu thế t t yếu trong việ đổi mới phương pháp

y và học kiến thức vật lý.

Nhiều nghiên cứu trong nướ đ ứng dụng á vi điều khiển tích hợp với một số cảm
biến chuyên dụng để cải tiến, tự động hóa các bộ thí nghiệm; giúp cho việc thực hiện
thí nghiệ

được d

àng hơn [5-8]. Từ những ý o đ n u việc ứng dụng vi điều

khiển Arduino và cảm biến ánh sáng để thiết kế bộ thí nghiệm khảo sát sự phân bố
ường độ các vân giao thoa nhi u x là một đề tài mang tính c p thiết. Bộ thí nghiệm
có khả năng hảo sát tự động sự phân bố của các vân giao thoa nhi u x tr n trường
giao thoa, thu nhận dữ liệu một cách nhanh chóng nhờ vi điều khiển và cảm biến ánh
sáng. Đồng thời, việc sử dụng vi điều khiển

r uino và cơng nghệ Bluetooth giúp bộ

thí nghiệm có thể giao tiếp với giao diện xử lý trên máy tính cá nhân, giúp việc xử lý
số liệu một cách hiệu quả.
2.

Mục tiêu của đề tài
Xây dựng bộ thí nghiệm có khả năng hảo sát được vị trí và sự phân bố ường độ

của các vân giao thoa, nhi u x ánh sáng. Bộ thí nghiệm có khả năng truyền nhận dữ
liệu ường độ sáng theo vị trí về máy tính cá nhân thơng qua cơng nghệ Bluetooth và
hiển thị, xử lí kết quả trên giao diện. Thực hiện một số thí nghiệm về giao thoa, nhi u
x ánh sáng để kiểm tra tính ổn định của bộ thí nghiệm.
3.

Nội dung nghiên cứu


4
Nghiên cứu, tìm hiểu và hiểu được các kiến thức về điện tử ơ ản.
Nghiên cứu và tìm hiểu cách sử dụng các linh kiện điện tử như
động

h điều khiển

ơ TB6612FNG, màn hình hiển thị LCD, module giao tiếp I2C, module

Bluetooth HC-05.
Nghiên cứu c u t o, cách thức ho t động của vi điều khiển Arduino Nano.
Nghiên cứu về ngơn ngữ lập trình C. Lập tr nh vi điều khiển Arduino Nano kết nối với
từng linh kiện điện tử trên giao diện Arduino IDE (Integrated Development
Enviroment).
Nghiên cứu về cảm biến ường độ sáng BH1750FVI và kết nối với vi điều khiển
r uino để truyền nhận dữ liệu.
Nghiên cứu về En o r để xá định vị tr độ dịch chuyển. Thiết kế hệ ơ h ủa
bộ thí nghiệm. Tích hợp t t cả các linh kiện điện tử với vi điểu khiển Arduino và vận
hành bộ thí nghiệm. X y ựng và hoàn hiện ộ th nghiệ

hảo sát sự ph n ố ường

độ á v n giao thoa nhi u x ánh sáng.
Thực hiện một số thí nghiệ
ra ưu nhượ điể
4.

để kiểm chứng tính ổn định của bộ thí nghiệm, rút

và đề xu t phương án điều chỉnh, cải tiến phù hợp.

Đối tƣợng và

i nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong đề tài này à vi điều khiển Arduino; cảm biến ường
độ sáng BH1750FVI; một số linh kiện điện tử; kiến thức về điện tử ơ ản; xá định vị
trí thông qua Encoder; kiến thức và các tài liệu liên quan về giao thoa, nhi u x ánh
sáng.
Ph m vi nghiên cứu về kiến thức về quang học; hiện tượng và lý thuyết về giao
thoa và nhi u x ánh sáng trong hương tr nh Trung học Phổ th ng trong hương tr nh
Đ i họ Cao đ ng.
5.

P ƣơ

á

iê cứu

Đề tài khóa luận được thực hiện với a phương pháp h nh:

Phương pháp nghi n ứu lý thuyết phương pháp này đ ng vai trò quan trọng,
làm nền tảng cho việc thực hiện đề tài. Nghiên cứu các tài liệu về điện tử ơ ản, hiểu
rõ về linh kiện điện tử và vi điều khiển Arduino sẽ t o điều kiện thuận lợi cho việc
thực hiện á

ước nghiên cứu tiếp theo. Do đ

hiểu rõ và vận dụng phương pháp

nghiên cứu lý thuyết một cách hiệu quả là vô cùng c n thiết.


5
Phương pháp thứ hai được sử dụng trong đề tài này h nh à phương pháp l y ý
kiến chuyên gia. Để đo đ

đượ

ường độ sáng và vị trí của các vân giao thoa nhi u

x , việc xây dựng hệ ơ h à r t quan trọng. Vì vậy, việc tham khảo ý kiến chuyên
gia trong thiết kế hệ ơ h và sử dụng các linh kiện điện tử giúp giảm thời gian thiết
kế và thử nghiệm bộ thí nghiệm.
Phương pháp uối

ng à phương pháp thự nghiệm. Chương tr nh xử lý của vi

điều khiển Arduino cho bộ thí nghiệ
trình lắp ráp ph n ơ h

được xây dựng và hiệu chỉnh thông qua quá

kiểm tra cách thức ho t động của từng bộ phận trên

testboard, ch y thử từng bộ phận thí bị điện tử; sau đ rút ra ưu nhượ điểm của từng
bộ phận và thiết kế m h điện thích hợp đ ng vai trị quyết định cho việc hồn thiện
bộ thí nghiệm. Cuối cùng, hệ ơ h và hương tr nh xử ý được hoàn thiện và kết nối
với máy tính cá nhân trên giao diện máy tính nhờ cơng nghệ Bluetooth. Việc xây dựng
và hồn thiện á

ng đo n đ n u nhận được sự hỗ trợ và hướng dẫn từ th y hướng

dẫn và các th y cô trong tổ bộ môn.


6
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.1. Vi điều khiển Arduino Nano
Vi điều khiển Arduino [9-10] là nền tảng thiết bị điện tử mã nguồn mở có thể sử
dụng để d dàng giao tiếp với ph n cứng và nhiều thiết bị cảm biến. Đặ điểm nổi bật
của Arduino là KIT phát triển trên nền tảng chip AVR, hỗ trợ đa hứ năng tích sẵn
m ch n p, có các cổng giao tiếp, … Người dùng viết hương tr nh để lập trình cho
Arduino sẽ thơng qua ph n mềm Arduino IDE (Integrated Development Enviroment)
dựa trên ngôn ngữ lập trình C. Với giá thành rẻ th ng ụng trrên thị trường và do kích
thước nhỏ gọn d lắp đặt n n
H nh 2

tả á

r uino Nano được sử dụng trong bộ thí nghiệm này.

h n vi điều hiển r uino Nano.

i điều khiển rduino Nano [9]

Một số thông số nổi bật của vi điều khiển r uino Nano như:


Vi điều khiển

i ro ontro r được dùng là ATmega328P-AU thuộc họ 8

bit.


Điện áp ho t động của vi điều khiển là 5VDC.



Điện áp vào giới h n từ 6 – 20 VDC.



Bộ nhớ Flash của vi điều khiển là 32KB. Bộ nhớ SRAM là 2KB. Bộ nhớ
EEPROM là 1KB.



Cường độ òng điện tiêu thụ khi ho t động là 30 mA.



T n số khi ho t động là 16 MHz.



14 chân Digita trong đ

6 h n PWM : 6 chân PWM: D3, D5, D6, D9,

D10 và D11 cho phép xu t tín hiệu điện áp có thể điều chỉnh từ 0V-5V. 4


7
chân giao tiếp SPI: D10 (SS), D11 (MOSI), D12 (MISO), D13 (SCK). Ngồi
các chứ năng th ng thường, cịn có thể

ng để truyền phát dữ liệu bằng

giao thức SPI với các thiết bị khác.


8 chân Analog (từ h n

đến chân A7) với độ phân giải 1

it

ng để đọc

giá trị điện áp trong khoảng từ 0-5V. 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ
giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
1.2. C m biế cƣờ

độ ánh sáng BH1750FVI

Cảm biến ường độ ánh sáng BH1750FVI [11] là IC cảm biến ánh sáng được
thiết kế để kết nối với vi điều khiển Arduino thông qua giao tiếp I2C. Cảm biến đo
ường độ sáng này có thể phát hiện ánh sáng trong dải ước sóng của vùng khả kiến từ
400nm tới 760nm với độ phân giải 16 bit từ 1 – 65535 lux. C u t o của cảm biến
ường độ ánh sáng BH175 FVI được thể hiện như h nh 3. Một photodiode (PD) có thể
phát hiện

ước sóng trong vùng khả kiến. Khi có ánh sáng ph

hợp hiếu tới,

photodiode xu t hiện òng quang điện tỉ lệ tuyến tính với ường độ sáng. Sau đ
OPAMP khuế h đ i ường độ òng quang điện của photodiode thành tín hiệu điện áp.
Kế đến m ch ADC (Analog Digital Converter) chuyển đổi tín hiệu điện áp này thành
giá trị số ứng với 16 bit dữ liệu. Tín hiệu số ADC sẽ được chuyển đổi thành mã nhị
phân ở m ch logic và truyền dữ liệu ường độ sáng qua phương thức I2C nhờ hai chân
SCL và SDA.

Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến cường độ sáng BH1750FVI

1.3. Encoder
Cảm biến BH175 FVI đượ đặt trên một hệ đế trượt và có thể di chuyển d dàng
trên ray trượt ài 27

. Để xá định được vị trí của đế trượt tr n ray tr n đế trượt và

ph n ơ h của bộ thí nghiệ
quang họ

à

ột thiết ị ả

được thiết kế hệ thống encoder quang học. Encoder
iến th o õi sự thay đổi huyển động và huyển đổi


8
thành t n hiệu điện chuyển đến á vi điều hiển [12]. C u t o ủa En o r quang học
đượ

tả trong h nh 4. En o r này bao gồm một dây th ng được khắc các v h đ n

đều nhau xen kẽ; hai kênh phát và thu hồng ngo i A, B tích hợp với m h điện tử được
đặt đối xứng với nhau trên dây. Nếu giữa hai đ u thu phát ở kênh A là v h đ n ánh
sáng từ đ u phát sẽ h ng được truyền tới đ u thu, vì vậy điện thế ngõ ra của m ch
điện tử Encoder ở kênh A sẽ ở mức th p. Trường hợp giữa hai đ u thu phát là v ch
trong, ánh sáng từ đ u phát được truyền tới đ u thu điện thế ngõ ra ở kênh A sẽ là
mức cao. Hệ thu phát hồng ngo i A, B được gắn cố định tr n đế trượt sao cho khi đế
trượt dịch chuyển đ u ra Encoder quang học sẽ t o ra hai tín hiệu xung vng lệch pha
900. Hai tín hiệu xung vu ng này được xử lý bởi vi điều khiển Arduino, từ đ

thể

xá định được vị trí của đế trượt. Dựa vào hai tín hiệu ở hai kênh A, B này có thể xác
định được chiều dịch chuyển của đế trượt trên ray. Dây th ng được khắc các v h đều
nhau được l y từ trong máy in Canon IP2770; thông qua xử lý xung tín hiệu tính tốn
đượ

ước dịch chuyển của đế trượt là 1

24

mm .

ấu tạo của Encoder và hình ảnh xung của hai kênh , B

1.4. Module Bluetooth HC-05
Trong đề tài này, thiết bị bluetooth HC-05 [13 được sử dụng để truyền nhận dữ
liệu cảm biến ường độ ánh sáng theo vị trí từ bộ thí nghiệm về máy tính. Đ y à

ột

thiết bị cho phép giao tiếp bằng sóng radio ở ăng t n ở 2 4 đến 2,480 GHz với t m
thu phát tối đa à 1

. Thiết bị này có hai tr ng thái ho t động: Master-Slave. Tr ng

thái Slave là chế độ mặ định, các thiết bị bluetooth khác có thể tìm và kết nối với
u tooth đang ở chế độ này. Ở tr ng thái Master: bluetooth sẽ tự động tìm kiếm và


9
giao tiếp với bluetooth khác ở chế độ Slave. Trong bộ thí nghiệ

Arduino sẽ kết nối với Bluetooth ở tr ng thái S av

vi điều khiển

áy t nh á nh n đ ng vai trò như

là tr ng thái Master. Khi ghép nối với nhau, Arduino sẽ truyền tín hiệu về ường độ
sáng, vị trí về máy tính cá nhân để máy tinh cá nhân xử lý dữ liệu. Thiết ị Bluetooth
HC- 5 đượ

tả trong h nh 5.

Bluetooth HC-05

Chứ năng ủa các chân sử dụng trên HC-05 bao gồm:
 ST TE: Ch n

ng để thông báo tr ng thái của Bluetooth.

 RXD, TXD: Hai chân truyền, nhận dữ liệu trong kết nối UART.
 GND: Chân nối điện thế đ t.
 VCC: Chân nối nguồn +5V.
 ENB: Ch n

ng để chuyển đổi qua l i giữa hai chế độ Command Mode và

Data Mode.
1.5. M c điều khiể độ

cơ DC TB6612FNG

Trong thiết kế này, m h điều khiển động ơ DC TB6612FNG [14-15] để điều
khiển động ơ 12V DC để kéo hệ đế trượt i huyển tr n ray trượt. M h điều khiển
này được tập đoàn TOSHIBA sản xu t r t thơng dụng, nhỏ gọn và có giá thành rẻ trên
thị trường. Bên c nh đ

ch TB6612FNG có thể sử dụng để điều khiển tối đa hai

động ơ DC hoặc một động ơ ước với òng điện ổn định là 1,2 A. Tố độ của mỗi
động ơ

thể đượ điều khiển qua các xung tín hiệu PWM với t n số đáp ứng lên tới

100 KHz. Mức logic của điện áp cung c p cho m ch từ 2,7 – 5 5V DC. Điện áp c p
cho nguồn nu i động ơ được giới h n ở 15V DC.


10

Sơ đồ mạch điều khiển động cơ T

12FNG

Một số thông số kỹ thuật c n ưu ý ủa m h điều khiển động ơ:
 Điện áp nuôi và c p mức Logic: 2,7 ~ 5,5V DC.
 Điện áp c p cho động ơ tối đa 15VDC.
 Dòng ngõ ra liên tục: 1,2A cho mỗi c u (có thể mắ song song để

n đến

2,4A).
 Dịng tối đa

à

ch điều hiển có thể chịu được: 3,2 A.

 Bảo vệ quá nhiệt và quá áp.
 Tụ lọc ở cả 2 ngõ c p nguồn.
 Bảo vệ chống ngược nguồn c p cho động ơ.
1.6. Giao diện máy tính cá nhân
Hình 7 là giao diện giao tiếp giữa ộ th nghiệ

và

áy t nh được viết trên nền

tảng ngôn ngữ Labview [16]. Giao iện này đượ phát triển ởi á giảng vi n tổ Vật
ý Đ i ương ủa Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph

Thành phố Hồ Ch Minh à

đượ ứng ụng trong h a uận này. Giao diện này được thiết kế để người sử dụng có
thể d

àng tương tá với bộ thí nghiệ

liệu th ng qua

trong quá tr nh đo đ c, xử ý và ưu trữ các dữ

áy t nh á nh n. Giao iện

hiển việ ghi đo số iệu tr n thanh

áy t nh ung

p

ột số hứ năng điều

ng ụ. Tr n giao iện sẽ gồm 3 ph n chính:

Thanh cơng cụ, vùng hiển thị dữ liệu đo ưới d ng số và đồ thị, bảng điều khiển động
ơ và xử lý số liệu trực tiếp. Trong bộ thí nghiệm này, thanh công cụ giúp cho việc lựa
chọn kết nối với bộ thí nghiệm, chọn các giá trị để vẽ đồ thị. Sau đ

người

ng điều

khiển bộ thí nghiệm trực tiếp trên bảng điều khiển. Các dữ liệu về ường độ sáng và vị
trí sẽ được hiển thị và được vẽ đồ thị biểu di n trên vùng hiển thị dữ liệu. Để xử lý các
số liệu t

á đỉnh cự đ i hoặc cực tiểu th người sử dụng chọn các chế độ trên

thanh công cụ và bảng xử lý số liệu. Ngồi ra, giao diện cịn có chế độ xu t file excel
các dữ liệu đo được, thuận tiện cho việ ưu trữ, xử lý số liệu trên các ứng dụng khác.

11

Giao diện tương tác trên máy tính cá nhân

1.7. Sơ đồ thiết kế bộ thí nghiệm

Sơ đồ thiết kế bộ thí nghiệm

Sơ đồ của bộ thí nghiệm khảo sát sự phân bố ường độ vân giao thoa, nhi u x
theo vị tr được mô tả như h nh 8. Bộ thí nghiệ

được thiết kế bao gồ

đế trượt có thể

di chuyển trên hệ ray. Encoder quang học và cảm biến ường độ sáng BH1750FVI sẽ
được tích hợp tr n đế trượt. Vi điều khiển r uino đ ng vai trò quan trọng trong ộ th
nghiệ . Ngoài nhiệ

vụ à trung tâm xử ý điều khiển các tác vụ, vi điều khiển xu t

tín hiệu điều khiển động ơ 12 VDC để đế trượt di chuyển trên ray. Các tín hiệu về vị
trí của Encoder; tín hiệu về cảm biến ánh sáng BH175 FVI được chuyển về vi điều
khiển. Sau đ

á

ữ liệu về ường độ sáng theo vị trí sẽ được mã hóa và gửi về máy

tính cá nhân dựa trên cơng nghệ truyền nhận không dây Bluetooth. Các dữ liệu sẽ
được hiển thị và xử lý trên máy tính thơng qua giao diện máy tính cá nhân. Ngồi ra,
vi điều khiển xu t t n hiệu để hiển thị các chế độ làm việc của bộ thí nghiệm thơng qua
màn hình LCD và các nút nh n.


12
CHƢƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
2.1. Bộ thí nghiệm hồn chỉnh
Sau q trình nghiên cứu, thực nghiệm, bộ thí nghiệm hoàn chỉnh để đo sự phân
bố ường độ vân giao thoa nhi u x được mô tả như h nh 9.

Hình ảnh bộ thí nghiệm hồn chỉnh và hệ mạch điện của bộ thí nghiệm

C u t o ủa ộ th nghiệ
(1): Hộp đ n

hoàn hỉnh ao gồ

n trong

hứa hệ thống ray trượt và đế trượt có mắt cảm biến

ường độ ánh sáng BH1750FVI.
(2): Rãnh ngang có bề rộng 2 mm.
(3): Bệ nâng và các chốt

ng để điều khiển độ ao và độ nghiêng ủa hệ đo.

(4): Màn hình LCD.

(5): Nút nh n LEFT.
(6): Nút nh n OK.
(7): Nút nh n RIGHT.
M h điện của bộ thí nghiệ
giữ ho á

inh iện điện tử đượ

được thiết kế nhỏ gọn trên hệ m ch in,
ố định hệ

ụ đ h

h in sẽ ho t động ổn định. Bộ thí

nghiệm đượ đ ng hộp để bảo vệ m h điện điều khiển bộ thí nghiệm và hệ cảm biến
phía trong. Bên trong hộp bảo vệ ph n ơ h

chứa ray trượt và đế trượt đ t h hợp

cảm biến ánh sáng và encoder. Động ơ 12V DC quay
trượt trên thanh ray. Ngoài ra

y uroa để kéo ả

iến

ặt trước của hệ đo được thiết kế một khe nằm ngang

có bề rộng 2mm và kéo dài trên toàn bộ ph m vi dịch chuyển 27cm của ơ hệ. Cảm

biến ánh sáng BH1750FVI có mắt cảm biến có thể di chuyển dọc theo khe h p. Người
sử dụng bộ thí nghiệm có thể điều khiển sử dụng bộ thí nghiệm thơng qua hai chế độ
làm việc: chế độ tự động và chế độ thủ công. Ở chế độ tự động người
động ơ điều khiển đế trượt nhờ giao diện tương tá tr n

ng điều khiển

áy t nh á nh n th ng qua

công nghệ truyền nhận không dây Bluetooth. Dữ liệu vị tr và ường độ sáng đo được


13
trên hệ sẽ truyền về máy tính cá nhân và vẽ đồ thị trên máy tính cá nhân. Ở chế độ thủ
ng người dùng sẽ điều chỉnh trướ
trượt. Sau đ

ước di chuyển và chiều dịch chuyển của đế

động ơ sẽ kéo cho đế trượt di chuyển để thu nhận dữ liệu cảm biến và

ường độ sáng. Cuối

ng người dùng sẽ quan sát dữ liệu ường độ sáng và vị trí trên

màn hình LCD.
2.2. Thí nghiệm kiểm tra tính ổ định của ộ t
2.2.1.

iệ

Thí nghiệm kh o sát sự tuyến tính cu c m biến đo cƣờ

độ sáng

Để cho việc khảo sát hệ v n giao thoa được thuận lợi, cảm biến ường độ sáng đ
được thu nhỏ diện tích vùng nhận ường độ sáng của photodiode. Do vậy, quang thông
đi qua tiết diện của photo io
xu t. Một thí nghiệ

đ

ị thay đổi so với thông số an đ u của nhà sản

đơn giản được xây dựng để khảo sát giá trị thu đượ tr n cảm

biến BH1750FVI th o ường độ sáng chiếu tới. Sơ đồ thí nghiệ

được mơ tả như

trong hình 10.

Sơ đồ thí nghiệm khảo sát sự tuyến tính cuả cảm biến đo cường độ sáng

Cường độ của ánh sáng được phát ra từ nguồn lazer He-Ne LG-471-830 của hãng
Leybold chiếu tới cảm biến ường độ sáng BH1750FVI. Giữa nguồn lazer và cảm biến
ường độ sáng là một kính phân cực. Ánh sáng từ nguồn lazer He-Ne hi đi qua

nh

phân cực sẽ được phân cực theo một phương xá định. Tr n phương truyền ánh sáng,
giữa kính phân cực và cảm biến ường độ sáng BH1750FVI là kính phân tích. Cường
độ sáng của ánh sáng sau hi đi ra hỏi kính phân tích sẽ tuân theo biểu thức của định
uật Malus:
I  I o cos2 ( )

(3)

với  là góc hợp bới phương ph n ực của ánh sáng trước khi vào kính phân tích và
mặt ph ng phân cực của kính phân tích; I o à ường độ sáng của ánh sáng sau hi đi
qua kính phân cực; I à ường độ sáng của ánh sáng sau hi đi ra hỏi kính phân tích.
Khi thay đổi góc  thơng qua việc xoay kính phân tích quanh trục quang học của hệ,
ường độ sáng chiếu tới cảm biến BH1750FVI sẽ thay đổi. Nếu m ch BH1750FVI
ho t động tốt thì giá trị thu đượ tr n ả
theo định luật Malus.

iến ánh sáng sẽ tỉ ệ tuyến t nh với cos 2 ( )


14
Lắ đặt thí nghiệm
Thí nghiệm sẽ được lắp đặt l n ượt các thiết bị trên giá quang học theo thứ tự từ
trái qua phải bố tr như h nh 11.

Hình 11. Hệ thí nghiệm: Đèn lazer He-Ne (1); Kính phân cực (2); Kính phân tích (3); Bộ thí
nghiệm khảo sát sự phân bố cường độ vân giao thoa, nhiễu xạ (4); Giao diện tương tác trên
máy tính (5)

Điều chỉnh
Bật công tắc nguồn điện 12VAC của đèn Laz r H -Ne. Sau khoảng 5 phút đèn sẽ

sáng ổn định.
Sử dụng các vít vặn tr n á gá đỡ dụng cụ để điều chỉnh độ cao của đèn
sáng, th u kính, các kính lọc sao cho chúng ở

h

ng độ cao, mặt các dụng cụ vng góc

với gá đỡ.
Đặt kính phân cự vào gá đỡ, chỉnh kính phân cực sao cho có tia sáng ló ra khỏi
kính phân cực, mặt kính vng góc với gá đỡ. Tia sáng này đ được phân cực theo một
phương ưu đ i.
Đặt kính phân tích vào gá đỡ sao cho có tia sáng truyền qua kính phân tích, mặt
kính vng góc với gá đỡ.
Bật

ng tắ hệ thống đo ường độ vân giao thoa, chuyển qua Mode 1. Kết nối

với giao diện tương tá tr n

áy t nh. Điều chỉnh tia sáng đi ra hỏi kính phân tích

chiếu vào mắt cảm biến ường độ sáng BH1750FVI. Quá trình này phải làm c n thận,
tránh sai sót.
Đo đ c số liệu
Sau hi đèn ổn định, tiến hành xoay kính phân tích để số chỉ cảm biến ường độ
sáng thu nhận được là nhỏ nh t. Vị tr

à ường độ nhỏ nh t sẽ tương ứng với góc hợp

15
bởi phương ph n ực của ánh sáng tới và mặt ph ng phân cực của kính phân tích là

  900 và   2700 v cos2 ( )  0 .
L n ượt xoay kính phân tích từ vị tr

ường độ nhỏ nh t mỗi l n xoay 50, ghi

nhận giá trị cảm biến ường độ sáng thu được trên BH1750FVI ứng với mỗi giá trị góc
quay.
Số liệu giá trị thu được trên cảm biến ứng với góc 

Góc (0)

Giá trị
(a.u.)

Góc (0)

Giá trị
(a.u.)

Góc (0)

Giá trị
(a.u.)

Góc (0)

Giá trị
(a.u.)

90

12

185

12312

280

86

15

11460

95

66

190

11520

285

260

20

10492

100

266

195

10920

290

560

25

10752

105

592

200

10486

295

640

30

9140

110

1060

205

9010

300

1360

35

8366

115

1552

210

8410

305

1946

40

6858

120

2360

215

8360

310

2506

45

5660

125

3938

220

7386

315

3718

50

5412

130

5046

225

6490

320

4500

55

4686

135

6446

230

6372

325

6412

60

2920

140

7232

235

5246

330

7012

65

2492

145

7938

240

4266

335

8432

70

966

150

8666

245

3126

340

9966

75

952

155

9386

250

2666

345

10260

80

426

160

9630

255

1872

350

10000

85

118

165

10240

260

918

355

12300

90

12

170

10760

265

392

360

12424

175

11082

270

118

5

11886

180

11706

275

6

10

11606

Xử lý số liệu và nhận xét


16
Dựa tr n số iệu tr n ảng 1 tiến hành vẽ đượ đồ thị giá trị ường độ sáng th o

cos 2 ( ) với   900 đến   1800 ứng với giá trị cos2 ( )  0 đến cos2 ( )  1. Khớp
á điể

thự nghiệ

Với y tương ứng à giá trị ường độ sáng thu đượ tr n ả

cos 2 ( ) . Ta

ng y  ax .

với đường th ng tuyến t nh đi qua gố tọa độ

iến x à giá trị ủa

đồ thị 12a như h nh vẽ:

Đồ thị biểu diễn giá trị thu được trên cảm biến BH1750FVI theo cos 2 ( ) (a); Đồ thị
biểu diễn sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra vào cường độ sáng chiếu tới phototransistor khi
thay đổi góc hợp bởi phương phân cực của ánh sáng và của kính phân cực ở bộ thí nghiệm
của Khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm TPH

Dựa tr n đồ thị tr n h nh 12a ta

nghiên cứu (b)[4]

thể th y giá trị thu đượ tr n ả

độ sáng nhỏ nh t hi   900 ứng với cos2 ( )  0 ; giá trị tr n ả

ớn nh t hi   1800 ứng với cos2 ( )  1. Sự ph n ố ủa á điể
ph hợp với ý thuyết ủa định uật Ma us. B n
ủa á điể
á điể

thự nghiệ

thự nghiệ

với đường th ng tuyến t nh à

iến ường độ sáng
thự nghiệ

này

hệ số tương quan R-Squared
99747. Điều này hứng tỏ

tương quan tuyến t nh với đường th ng

99,7%. Trong ộ th nghiệ
TPHCM nghi n ứu

nh đ

iến ường

ng y  ax đến

ng o i o Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph

ộ th nghiệ

này sử ụng

ột phototransistor để thu nhận

ường độ sáng. Nếu phototransistor ho t động tốt th điện áp ngõ ra ở phototransistor tỉ
ệ tuyến t nh với ường độ sáng hiếu tới th o cos 2 ( ) . Đồ thị 12
sự phụ thuộ
đổi g

à đồ thị iểu i n

ủa điện áp ngõ ra vào ường độ sáng hiếu tới phototransistor hi thay

hợp ởi phương ph n ự

Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph

ủa ánh sáng và

nh ph n ự ở ộ th nghiệ

TPHCM. So sánh giữa đồ thị 12a và 12

ủa
việ

17
sử ụng phototransitor để thu nhận ường độ sáng hiếu tới tuyến t nh trong v ng

cos2 ( )  0 tới cos2 ( )  0,05 , còn từ giá trị cos2 ( )  0,05 đến cos2 ( )  1 th giá trị
điện áp thu đượ tr n ngõ ra ủa phototransistor h ng hảo sát đượ v đ t đến điện
thế

o hòa. Việ sử ụng ả

iến ường độ sáng BH1750FVI hảo sát đượ

ường

độ sáng ứng với cos2 ( )  0 thay đổi đến cos2 ( )  1 và ho th y đượ giá trị đo đ
thự nghiệ
B n

ph hợp với ý thuyết.
nh đ

hi sử dụng các số liệu thu nhận ta xá định đượ

á điểm thực

nghiệm biểu di n giá trị ường độ sáng của cảm biến BH1750FVI theo góc quay  .
Nếu ả

iến ường độ sáng ho t động hiệu quả th đồ thị iểu i n giá trị thu đượ

tr n ả

iến th o g  sẽ ph n ố th o

ng cos 2 ( ) . Tiến hành khớp hàm các điểm

thực nghiệm này theo hàm số có d ng y  a  b cos(

2 x
) (4). Với y tương ứng là giá
180

trị ường độ sáng của cảm biến, x là giá trị góc quay t nh th o đơn vị độ. Ta

đồ

thị như h nh 13:

13. Đồ thị biểu diễn giá trị thu được trên cảm biến H1

0F I ứng với góc 

Hệ số tương quan ủa việc khớp hàm so với dữ liệu thực nghiệm R-Squared là
0,95826. Điều này chứng tỏ á điểm thực nghiệm của giá trị thu được trên cảm biến