Nghiên cứu ứng dụng hệ thống cảm biến điện tử kết hợp với bộ thí nghiệm nhiệt học pasco nhằm tự động hóa hoàn toàn việc thu nhận dữ liệu các thông số trạng thái của chất khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM
---o0o---

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG
CẢM BIẾN ĐIỆN TỬ KẾT HỢP VỚI BỘ THÍ
NGHIỆM NHIỆT HỌC PASCO NHẰM TỰ ĐỘNG
HĨA HỒN TỒN VIỆC THU NHẬN DỮ LIỆU
CÁC THƠNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KHÍ

MÃ SỐ: CS2015.19.70

Chủ nhiệm: TS. Nguyễn Lâm Duy

Thành phố Hồ Chí Minh – 12/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM
---o0o---

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG
CẢM BIẾN ĐIỆN TỬ KẾT HỢP VỚI BỘ THÍ
NGHIỆM NHIỆT HỌC PASCO NHẰM TỰ ĐỘNG
HĨA HỒN TỒN VIỆC THU NHẬN DỮ LIỆU

CÁC THƠNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KHÍ

MÃ SỐ: CS2015.19.70

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài

Chủ nhiệm

TRƯỞNG KHOA VẬT LÝ

TS. Cao Anh Tuấn

TS. Nguyễn Lâm Duy

Thành phố Hồ Chí Minh – 12/2016


DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH
1. TS. Nguyễn Lâm Duy, chủ nhiệm đề tài
2. ThS. Nguyễn Huỳnh Duy Khang


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................... iv
CHƯƠNG 1. THỰC TRẠNG BỘ THÍ NGHIỆM NHIỆT HỌC CỦA HÃNG

PASCO TẠI KHOA VẬT LÝ HIỆN NAY VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ
TÀI 1
1. 1. Tổng quan về các thiết bị nhiệt học hiện có ............................................... 1
1. 2. Cấu trúc của bộ thí nghiệm và yêu cầu cần đạt được ................................. 3
1. 3. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................. 4
CHƯƠNG 2. CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG ............. 5
2. 1. Hệ điều khiển và thay đổi thể tích .............................................................. 5
2. 2. Mạch điện tử sử dụng vi điều khiển để tương tác giữa các sensor và máy
vi tính........................................................................................................................... 6
2. 3. Cảm biến áp suất và nhiệt độ...................................................................... 7
2. 4. Giao diện tương tác trên máy vi tính .......................................................... 8
2. 5. Hệ điều khiển và ổn định nhiệt độ ............................................................ 10
2. 6. Cách kết nối các cảm biến, xi-lanh chứa khí, hệ ổn định nhiệt độ và hệ
cơ-điện tử liên quan đến thể tích ............................................................................... 11
2. 7. Kết quả thử nghiệm hệ thống ................................................................... 12
2. 7. 1. Khảo sát quá trình đẳng nhiệt .......................................................... 12
2. 7. 2. Khảo sát quá trình đẳng tích ............................................................ 14
2. 7. 3. Q trình đẳng áp ............................................................................. 15
CHƯƠNG 3. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH TƯƠNG
TÁC VỚI BỘ THÍ NGHIỆM ........................................................................... 16
3. 1. Giao diện sử dụng ngơn ngữ lập trình Visual Basic................................. 16
3. 1. 1. Thanh chức năng .............................................................................. 17
3. 1. 2. Khối hiển thị..................................................................................... 21
3. 2. Giao diện sử dụng ngôn ngữ lập trình Labview ....................................... 22
3. 2. 1. Thanh cơng cụ .................................................................................. 23
3. 2. 1. Chức năng xử lí số liệu .................................................................... 25
3. 2. 2. Các nút nhấn điều khiển ................................................................... 28


ii

3. 2. 3. Vùng hiển thị dữ liệu ....................................................................... 29
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM DỰA TRÊN BỘ THÍ
NGHIỆM ĐƯỢC CHẾ TẠO ........................................................................... 32
4. 1. XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG CỦA MỘT KHỐI KHƠNG KHÍ TỪ
PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG.............................................. 32
4. 1. 1. Mục đích .......................................................................................... 32
4. 1. 2. Cơ sở lý thuyết ................................................................................. 32
4. 1. 3. Dụng cụ thí nghiệm .......................................................................... 32
4. 1. 4. Tiến hành thí nghiệm ....................................................................... 34
4. 1. 5. Kết quả thí nghiệm ........................................................................... 35
4. 1. 6. Câu hỏi ............................................................................................. 36
4. 2. KIỂM CHỨNG BA ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM CỦA CHẤT KHÍ
LÝ TƯỞNG .............................................................................................................. 37
4. 2. 1. Mục đích .......................................................................................... 37
4. 2. 2. Cơ sở lý thuyết ................................................................................. 37
4. 2. 3. Quá trình đẳng áp – Định luật Gay – Lussac ................................... 38
4. 3. Dụng cụ thí nghiệm .................................................................................. 38
4. 4. Tiến hành thí nghiệm ................................................................................ 40
4. 4. 1. Giai đoạn chuẩn bị ........................................................................... 40
4. 4. 2. Kiểm nghiệm định luật Boyle – Mariotte ........................................ 40
4. 4. 3. Kiểm nghiệm định luật Charles ....................................................... 42
4. 4. 4. Kiểm nghiệm lại định luật Gay – Lussac ......................................... 44
4. 5. CÂU HỎI.................................................................................................. 46
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN......................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 48
PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................... 50
PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................... 51
PHỤ LỤC 3 ............................................................................................................... 52
PHỤ LỤC 4 ............................................................................................................... 53

iii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Bảng dữ liệu các thông số trạng thái của quá trình biến đổi. .................. 21
Bảng 4.1 Khối lượng của khối khơng khí đo đạc ................................................... 35


iv

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các linh kiện của bộ thí nghiệm nhiệt học. ................................................. 2
Hình 1.2 Mối liên hệ giữa áp suất và và tích khơng tuân theo định luật BoyleMariotte .............................................................................................................. 2
Hình 1.3 Cấu trúc tổng thể của bộ thí nghiệm nhiệt học của đề tài. .......................... 4
Hình 2.1 Hệ thống động cơ và đếm xung quang học: LED phát (1), photodiode thu
(2), encoder quang học (3), động cơ điện (4), và hệ bánh răng truyền động (5).5
Hình 2.2 Sơ đồ khối mạch điện tử. ............................................................................. 6
Hình 2.3 Vi điều khiển PIC16F877A (trái) và phần mềm CCS Compiler (phải). ..... 7
Hình 2.4 Cảm biến áp suất MPXH6400A (a) và cảm biến nhiệt độ LM35DZ (b). ... 8
Hình 2.5 Giao diện giao tiếp với người dùng trên máy vi tính viết bằng Visual
Basic. .................................................................................................................. 9
Hình 2.6 Giao diện giao tiếp với người dùng trên máy vi tính viết bằng Labview. .. 9
Hình 2.7 Các bộ phần của hệ ổn định nhiệt: máy quạt gắn nam châm (1), cá từ (2),
bóng đèn đốt nóng (3). ..................................................................................... 10
Hình 2.8 Một số bộ phận cơ bản của bộ thí nghiệm: cảm biến áp suất (1), cảm biến
nhiệt độ (2), xi-lanh và bình nhơm chứa khí (3), động cơ điện (4), hệ thống
đếm xung quang học (5), piston (6), hệ thống khuấy từ (7) và đèn đốt nóng (8).11
Hình 2.9 Hệ thống thiết bị thí nghiệm hồn chỉnh. .................................................. 12
Hình 2.10 Kết quả thực nghiệm quá trình biến đổi đẳng nhiệt của một khối khơng

khí ở các nhiệt độ 300K, 320K và 350K. ......................................................... 13
Hình 2.11 Đồ thị mối quan hệ giữa lnp và –lnV của các khối khí trong quá trình
đẳng nhiệt. ........................................................................................................ 14
Hình 2.12 Kết quả thực nghiệm q trình biến đổi đẳng tích của khối khơng khí. . 15
Hình 2.13 Kết quả thực nghiệm quá trình biến đổi đẳng áp của khối khơng khí..... 15
Hình 3.1 Giao diện chương trình giao tiếp với người dùng trên máy vi tính........... 16
Hình 3.2 Thanh chức năng trong chương trình giao tiếp. ........................................ 17
Hình 3.3 Kiểm tra vị trí cổng kết nối giữa bộ thí nghiệm và máy vi tính. ............... 18
Hình 3.4 Cổng kết nối Prolific USB-to-Serial Comm Port đang ở vị trí cổng
COM12. ............................................................................................................ 18
Hình 3.5 Chọn một trong ba đẳng q trình cần tiến hành thí nghiệm. ................... 19
Hình 3.6 Các thơng số cần thiết cho q trình đẳng áp. ........................................... 20


v

Hình 3.7 Các thơng số cần thiết cho q trình đẳng tích.......................................... 20
Hình 3.8 Các thơng số cần thiết cho q trình đẳng nhiệt........................................ 20
Hình 3.9 Các thơng số trạng thái tức thời của khối khí. ........................................... 21
Hình 3.10 Đồ thị thể hiện quá trình biến đổi trạng thái của khối khí. ...................... 22
Hình 3.11 Giao diện chương trình điều khiển sử dụng ngơn ngữ lập trình Labview.23
Hình 3.12 Cơng cụ chức năng đối với phần cứng bộ thí nghiệm. ............................ 23
Hình 3.13 Hộp thoại “Nhap thong so P_V_T” ứng với quá trình đẳng nhiệt. ....... 25
Hình 3.14 Một số chức năng trong thanh cơng cụ xử lí số liệu. .............................. 25
Hình 3.15 Bảng biểu và đồ thị. ................................................................................. 26
Hình 3.16 Bảng số liệu dạng file Excel. ................................................................... 26
Hình 3.17 Hộp thoại chức năng vẽ và lưu đồ thị...................................................... 27
Hình 3.18 Bảng chọn màu cho điểm vễ trên đồ thị. ................................................. 28
Hình 3.19 Hộp thoại dùng để sửa đổi một số thuộc tính khi lưu đồ thị. .................. 28
Hình 3.20 Hộp thoại khi muốn thêm đồ thị. ............................................................. 29

Hình 3.21 Giao diện chương trình khi có 2 đồ thị cùng lúc. .................................... 30
Hình 3.22 Minh họa chức năng phóng to (zoom in), thu nhỏ (zoom out) đồ thị. .... 30
Hình 3.23 Chức năng xem tọa độ của một điểm biểu diễn bất kì trên đồ thị. .......... 31
Hình 4.1 Hình ảnh bộ thí nghiệm. ............................................................................ 33
Hình 4.2 Chương trình điều khiển trên máy vi tính. ................................................ 34
Hình 4.3 Thiết lập thể tích ban đầu cho khối khí. .................................................... 34
Hình 4.4 Hình ảnh bộ thí nghiệm về nhiệt học. ....................................................... 38
Hình 4.5 Chương trình điều khiển trên máy vi tính. ................................................ 39
Hình 4.6 Khu vực thiết lập thể tích ban đầu cho khối khí. ....................................... 40
Hình 4.7 Chọn q trình cần tiến hành thí nghiệm là q trình đẳng nhiệt. ............ 41
Hình 4.8 Nhập vào các thơng số cần thiết cho quá trình đẳng nhiệt. ....................... 41
Hình 4.9 Chọn tốc độ ghi nhận dữ liệu phù hợp. ..................................................... 42
Hình 4.10 Chọn q trình cần tiến hành thí nghiệm là q trình đẳng tích. ............ 43
Hình 4.11 Nhập vào các thơng số cần thiết cho q trình đẳng tích. ....................... 43
Hình 4.12 Chọn q trình cần tiến hành thí nghiệm là q trình đẳng áp................ 44
Hình 4.13 Nhập vào các thơng số cần thiết cho quá trình đẳng áp. ......................... 45


vi

TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN ĐIỆN
TỬ KẾT HỢP VỚI BỘ THÍ NGHIỆM NHIỆT HỌC PASCO NHẰM TỰ
ĐỘNG HĨA HỒN TỒN VIỆC THU NHẬN DỮ LIỆU CÁC THÔNG SỐ
TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KHÍ
Mã số: CS2015.19.70
Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Lâm Duy

Tel: 01652258949

E-mail:
Cơ quan chủ trì đề tài : Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM
Cơ quan phối hợp thực hiện : không
Thời gian thực hiện: 09/2015 – 09/2016.
3. Mục tiêu:
- Nghiên cứu và thử nghiệm các loại sensor khác nhau để đo thể tích, áp suất,
nhiệt độ mà có thể kết hợp với hệ thống xi-lanh chứa khí hiện có nhằm khắc phục
các hạn chế hiện tại của bộ thí nghiệm nhiệt học của hãng Pasco và nhằm tự động
hóa hồn tồn việc điều khiển và ghi nhận dữ liệu các thơng số (p,V,T).
4. Nội dung chính
-Nghiên cứu ứng dụng cảm biến hiện có trên thị trường Tp. HCM về nhiệt độ,
áp suất để sử dụng một cách tối ưu cho hệ thống.
-Nghiên cứu chế tạo cảm biến thể tích có độ chính xác và ổn định cao đáp ứng
được yêu cầu của một thí nghiệm vật lí chứng minh.
-Thiết kế và chế tạo mạch điện tử sử dụng vi điều khiển PIC16F877A.
-Lập trình cho vi điều khiển tương tác với máy vi tính.
-Chế tạo hệ thống ổn định nhiệt độ của khối khí theo các giá trị nhiệt độ cần
thiết.
-Viết phần mềm điều khiển và ghi nhận, xử lí dữ liệu (p,V,T).
-Chế tạo và thử nghiệm hệ thí nghiệm hồn chỉnh.
-Biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng và các bài thí nghiệm có thể được thực
hiện bởi hệ thống thiết bị tạo được.


vii

5. Kết quả chính đạt được (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế-xã hội)
-Xác định được cảm biến nhiệt độ LM35DZ và cảm biến áp xuất
MPXH6400A thỏa mãn được độ chính xác của phép đo, có giá thành hợp lý và kết

hợp rất tốt với các thành phần điện tử còn lại của hệ thống.
-Chế tạo được hệ cơ-điện tử cho phép thay đổi thể tích của khối khí với độ
chính xác 0,05ml.
-Thiết kế; chế tạo mạch điện tử điều khiển để tương tác với hệ các cảm biến và
tương tác được với máy tính để điều khiển và thu nhận dữ liệu.
- Viết phần mềm điều khiển và ghi nhận, xử lí dữ liệu (p,V,T) bằng ngơn ngữ
lập trình Visual Basic và Labview .
-Chế tạo hệ thống ổn định nhiệt độ của khối khí từ 30°C đến 70°C với độ
thăng giáng dưới 0,1°C .
-Biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng và các bài thí nghiệm có thể được thực
hiện bởi hệ thống thiết bị tạo được.
-Một bài báo được đăng trên tạp chí khoa học, trường Đại học Sư phạm Hà
Nội, năm 2016.
-Hướng dẫn 1 Đề tài Khóa luận Tốt nghiệp, sẽ bảo vệ năm 2017.


viii

SUMMARY
Project Title: Application of electronic sensors to automatically collect
data of the three state variables of gases
Code number: CS2015.19.70
Coordinator: PhD. Nguyễn Lâm Duy
Implementing Institution: Faculty of Physics, Ho Chi Minh City University
of Pedagogy.
Cooperating Institution(s): none.
Duration: from Sep-2015 to Sep-2016
6. Objectives
- Studying the usage of different temperature and pressure sensors combined
with the remaining thermophysics setup, produced by PASCO company, to fully

automatic control and data acquisition of state variables of gases.
7. Main contents
- Determining temperature and pressure sensors sold in the local market which
satisfy the accuracy required by the experimental system.
- Constructing the mechano-electrical system for controlling and measuring
the volume of gases.
- Fabricating the electronic circuit board.
- Programming the sofware for microcontroller PIC16F877A.
-Programming the software connecting the electronic circuit board and
computer for data transmission.
-Assembling and testing the experiment set-up.
- Compiling the lab’s activities for students.
8. Results obtained
-Choosing the LM35DZ and MPXH6400A as the most suitable temperature
and pressure sensors for the experimental system.
- Creating the mechano-electrical system for varying and collecting values of
the volume state variable of gases with the tolerance of 0,05ml.


ix

- Writing the software for data transfer between the circuit board and computer
using Visual Basic and Labview languages.
-Making the temperature control system with 0,1°C accuracy from 30°C to
70°C.
- 2 lab’s problems are compiled.
- 1 article published in Journal of Science, Hanoi National University of
Education, 2016.
-1 graduation thesis will be finished in 2017.

1

CHƯƠNG 1. THỰC TRẠNG BỘ THÍ NGHIỆM NHIỆT
HỌC CỦA HÃNG PASCO TẠI KHOA VẬT LÝ HIỆN NAY
VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
1. 1. Tổng quan về các thiết bị nhiệt học hiện có
Các hãng sản xuất trang thiết bị giáo dục trong nước (ví dụ như Cơng ty Sách và
Thiết bị trường học Tp. HCM) hiện nay chỉ có bộ thí nghiệm về định luật BoyleMarriotte với đồng hồ đo áp suất cơ học và thể tích được xác định thơng qua các vạch
trên xi-lanh mà chưa có sản phẩm về bộ thí nghiệm kiểm chứng 3 định luật thực nghiệm
của chất khí được tự động hóa bằng hệ thống sensor điện tử.
Trên thế giới hiện nay, các hãng chuyên về trang thiết bị dạy học như Pasco,
Leybold, Phywe,…đã đưa ra sản phẩm có sử dụng cảm biến và kết nối với máy tính. Tuy
nhiên, các bộ thí nghiệm này khơng có sensor thể tích để có thể thu nhận/điều khiển được
cả 3 thông số p, V, T cùng lúc. Các bài thí nghiệm này cũng chưa thể hiện được hiệu quả
ở nước ta do khó khăn khi đặt mua, giá thành cao nên không thể trang bị cho nhiều tỉnh
thành, phần mềm khơng được Việt hóa và chưa có tài liệu hướng dẫn sử dụng bằng tiếng
Việt để tiến hành các thí nghiệm phù hợp với chương trình dạy học ở nước ta.
Hiện nay, khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Tp.HCM đang có 1 bộ thí nghiệm
khảo sát mối liên hệ giữa các thông số trạng thái (p,V,T) của chất khí do hãng Pasco sản
xuất, được trang bị năm 2007. Các thành phần đầy đủ của hệ (Hình 1.1)bao gồm:
-Một xi-lanh thủy tinh chứa khí, một đầu có piston graphit, cịn đầu kia có vịi gắn
ống nhựa kết nối.
-Một bình nhơm rời để tăng thể tích khối khí và thực hiện việc thay đổi nhiệt độ khí
khi làm thí ngiệm.
-Các cảm biến áp suất.
-Hộp giao tiếp sensor-máy vi tính.
-Phần mềm giao diện ghi nhận dữ liệu.

2

Bình chứa
khí phụ

Hộp kết nối
sensor-máy
vi tính

Xy-lanh

Piston

Sensor
áp suất

a)

b)

Hình 1.1 Các linh kiện của bộ thí nghiệm nhiệt học [3].
Tuy nhiên, piston và xi-lanh khơng cịn kín khí như lúc ban đầu do bị mài mịn
trong q trình sử dụng. Để kiểm tra mức độ rị rỉ khí đựng trong xi-lanh này, chúng tơi
kết nối xi-lanh chứa khí trên với cảm biến áp suất và thực hiện quá trình nén đẳng nhiệt
một khối khơng khí ở nhiệt độ phịng. Kết quả được biểu diễn trong Hình 1.2. Hình dạng
parabol của đường biểu diễn áp suất theo thể tích của q trình đẳng nhiệt khơng được

Áp suất (kPa)

thể hiện cho dù có sử dụng một lớp mỡ bôi trơn để làm giảm đi sự rị rỉ khí.

Thể tích (ml)

Hình 1.2 Mối liên hệ giữa áp suất và và tích khơng tn theo định luật
Boyle-Mariotte
Ngồi ra, hộp giao tiếp sensor-máy vi tính và cảm biến áp suất khơng cịn hoạt
động; phần mềm điều khiển bị thất lạc nên không thể cài đặt lên máy vi tính thế hệ mới;


3
đồng thời khơng có cảm biến thể tích và hệ thống ổn định nhiệt cho khối khí khảo sát.
Các thơng số trạng thái của khối khí khơng ổn định và rất khó để có được kết quả chính
xác. Hệ thống này, vì vậy, khơng phát huy được hiệu quả của thiết bị và khơng được sử
dụng thường xun.
Để có bài thí nghiệm này sử dụng cho giảng dạy, khoa Vật lí phải mua lại tồn bộ
bài thí nghiệm vì nhà phân phối tại Việt Nam không bán linh kiện riêng lẻ. Điều này dẫn
đến kinh phí tái trang bị thí nghiệm này sẽ cao và tốn nhiều thời gian. Mặt khác, nếu
thành cơng, nhóm nghiên cứu của khoa Vật lý trường ĐHSP Tp.HCM sẽ làm chủ được
công nghệ và kĩ thuật chế tạo; có thể sản xuất để cung cấp cho các trường Trung học Phổ
thông và các trường Đại học trong phạm vi toàn quốc.
1. 2. Cấu trúc của bộ thí nghiệm và yêu cầu cần đạt được
Trong phần Nhiệt học, chương trình Vật Lý lớp 10 THPT, bên cạnh các bộ thí
nghiệm do các hãng chế tạo thiết bị giáo dục nước ngoài (Pasco, Leybold, Phywe, …)
sản xuất có sử dụng cảm biến nhiệt độ, áp suất và bộ ghép nối [4], [5], [6] thì trong nước
cũng đã có một số cơng trình nghiên cứu chế tạo các bộ thí nghiệm từ các vật liệu đơn
giản từ chai nhựa, vỏ lon, xi-lanh y tế,… [12], [13], [16] cho đến việc sử dụng cảm biến
nhiệt độ và áp suất [11], [14], [15] để kiểm chứng các định luật thực nghiệm và phương
trình trạng thái của khí lí tưởng. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn còn một số nhược
điểm cần khắc phục như khơng có hệ thống điều chỉnh thể tích khí được điều khiển bằng
hệ thống điện và việc ghi nhận đồng thời ba thông số nhiệt độ, áp suất và thể tích vẫn

chưa thể thực hiện được.
Trong khuôn khổ của đề tài nghiên cứu này, chúng tôi muốn hướng đến việc chế
tạo bộ thí nghiệm nhiệt học khảo sát các thơng số trạng thái của chất khí, mà cả 3 thông
số nhiệt độ, áp suất và thể tích đều được ghi nhận một cách tự động. Bên cạnh đó, bộ thí
nghiệm cịn có hệ thống cơ-điện tử để ổn định nhiệt độ và thay đổi thể tích của khối khí
với giá trị chính xác được thiết lập hoặc điều khiển bởi người sử dụng. Một vi xử lý được
dùng để làm thành phần trung gian trong việc tương tác giữa máy vi tính, hệ sensor và hệ
cơ-điện tử. Các thành phần trong cấu trúc tổng thể của hệ được đặc tả như Hình 1.3.
Các yêu cầu mà hệ thống cần được thỏa mãn để việc sử dụng dễ dàng, thuận tiện và
kết quả đo đạc chính xác nhất: Giao diện chương trình điều khiển tương tác trên máy tính
phải được lập trình sao cho đơn giản nhất để người dùng có thể sử dụng dễ dàng, thành
thạo trong khoảng thời gian ngắn. Ngồi ra, phần mềm cịn phải tương tác được với vi
điều khển, không xảy ra xung đột trong quá trình xử lý lệnh điều khiển hoặc truyền dữ


4
liệu. Các linh kiện và dụng cụ được bán rộng rãi trên thị trường, dễ tìm mua và thay thế.
Hệ xilanh và piston chứa khí phải kín và ít ma sát.

Hệ thống điều
chỉnh và ghi
nhận thể tích

Hệ thống
điều nhiệt

Khối khí khảo sát

Sensor
nhiệt độ

Vi điều
khiển giao
tiếp sensorcomputer

Giao diện sử
dụng trên
computer

Sensor
áp suất

Hình 1.3 Cấu trúc tổng thể bộ thí nghiệm nhiệt học của đề tài.
1. 3. Tính cấp thiết của đề tài
Ta thấy rằng việc nghiên cứu, chế tạo một bộ thí nghiệm về các định luật của khí lí
tưởng có khả năng thay đổi thể tích của khối khí một cách tự động, thơng qua chương
trình điều khiển, cùng với cơ cấu đo thể tích với độ chính xác cao là một đòi hỏi khách
quan.
Do vậy, việc nghiên cứu và thử nghiệm các hệ thống cảm biến khác nhau về các
thông số trạng thái p, V, T và tạo giao diện thân thiện với người sử dụng, cho phép thực
hiện nhiều thí nghiệm khác nhau trên cùng một bộ thiết bị là một yêu cầu cấp thiết được
đặt ra từ thực tiễn của đơn vị.


5

CHƯƠNG 2. CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH
HỆ THỐNG
2. 1. Hệ điều khiển và thay đổi thể tích
Điểm nổi bật của đề tài về thiết bị này là bộ thí nghiệm phải có một hệ cơ-điện tử

để thay đổi thể tích khối khí và đồng thời cũng ghi nhận dữ liệu về thể tích một cách tự
động, chính xác.
Hệ thống được chúng tôi đề xuất thử nghiệm bao gồm một môtơ điện một chiều gắn
với bộ bánh răng truyền động nhằm tăng lực đẩy/kéo lên piston thủy tinh, giúp hệ thống
có thể đạt được lực đẩy/kéo tối đa là 80N, đảm bảo piston di chuyển liên tục với tốc độ
tối đa là 1mm/s. Hệ thống truyền động cơ học được gắn kết với piston thủy tinh nhằm
điều khiển sự thay đổi thể tích khí.

4

3
5





Hình 2.1 Hệ thống động cơ và đếm xung quang học: LED phát (1),
photodiode thu (2), encoder quang học (3), động cơ điện (4), và hệ bánh răng truyền
động (5).
Để xác định giá trị của thể tích khối khí, chúng tơi sử dụng bộ đếm xung quang học
gồm một bánh xe encoder và cặp LED phát-photodiode hồng ngoại được gắn cùng với hệ
bánh răng truyền động cơ học. Sự thay đổi thể tích của khối khí được xác định bằng cách
đo khoảng dịch chuyển của piston thông qua việc đếm xung từ hệ thống tạo xung quang
học. Sai số về thể tích thực tế khoảng 0,05ml.


6

2. 2. Mạch điện tử sử dụng vi điều khiển để tương tác giữa các sensor và máy vi

tính
Mạch điện tử có nhiệm vụ ghi nhận các giá trị áp suất, nhiệt độ từ các cảm biến, giá
trị thể tích từ hệ thống đếm xung quang học và tương tác với người sử dụng thông qua
giao diện trên máy vi tính. Các thành phần chủ yếu của mạch điện tử gồm nguồn điện,
các cổng kết nối và vi điều khiển PIC16F877A. Sơ đồ khối của mạch điện tử được mô tả
tổng quan như Hình 2.2.

Hình 2.2 Sơ đồ khối mạch điện tử.
Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng vi điều khiển PIC16F877A vì giá thành hợp lý
và được bán rộng rãi trên thị trường linh kiện điện tử. Vi điều khiển này được lập trình
trên nền tảng ngơn ngữ C bằng phần mềm CCS Compiler có chức năng: thu nhận, xử lý
tín hiệu analog từ các cảm biến, tương tác với người sử dụng thông qua giao diện được
viết riêng cho bộ thí nghiệm này, nhận các lệnh điều khiển từ người sử dụng để điều
khiển động cơ hoạt động theo các chế độ phù hợp, ghi nhận giá trị từ hệ thống đếm xung
quang học để cập nhật chính xác thể tích của khối khí. Tất cả các thơng số trạng thái tức
thời của khối khí sau khi được thu nhận và xử lý sẽ được truyền dẫn lên máy tính thơng
qua chuẩn giao tiếp RS232.


7

Hình 2.3 Vi điều khiển PIC16F877A (trái) và phần mềm CCS Compiler
(phải) [7].
2. 3. Cảm biến áp suất và nhiệt độ
Cảm biến áp suất MPXH6400A [1] được sử dụng trong nghiên cứu này vì nó có
khả năng đo được giá trị áp suất tuyệt đối trong khoảng 20kPa đến 400kPa với điện áp
ngõ ra tăng tuyến tính từ 0,2V đến 4,8V theo áp suất. Ngồi ra, cảm biến này cịn có khả
năng làm việc trong khoảng nhiệt độ từ -400C đến 1250C và cho sai số tương đối tối đa là
1,5%.
Cảm biến nhiệt độ LM35DZ [8] là một cảm biến nhiệt độ thông dụng, đáp ứng tốt

các yêu cầu đặt ra của bộ thí nghiệm như có thể đo nhiệt độ trong dải nhiệt rộng từ -550C
đến 1500C, có điện áp ngõ ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ, sai số tuyệt đối thấp (±0,60C).
Để đánh giá tính ổn định và độ chính xác của cảm biến nhiệt độ LM35DZ, chúng
tôi đã tiến hành so sánh giá trị nhiệt độ thu nhận được từ cảm biến này với nhiệt kế điện
tử Checktemp ®1 HI 98509 [2] trong cùng mơi trường nước có nhiệt độ thay đổi từ
800C đến 400C. Sai số tuyệt đối lớn nhất giữa hai cảm biến này được ghi nhận trong suốt
dãi nhiệt độ trên là khơng q 0,10C. Ta có thể kết luận rằng cảm biến LM35DZ hoạt
động ổn định, cho kết quả chính xác và đáng tin cậy. Vì vậy, ta có thể sử dụng cảm biến
nhiệt độ này để xác định nhiệt độ của nước, và từ đó suy ra nhiệt độ của khí trong xilanh
thủy tinh. Cần chú ý rằng, để điều này đúng trong thực tế, ta phải cho các thông số trạng
thái của khí biến đổi thật chậm để quá trình cân bằng nhiệt độ giữa nước, thủy tinh và
khối khí được đảm bảo.


8
a

b

Hình 2.4 Cảm biến áp suất MPXH6400A (a) và cảm biến nhiệt độ LM35DZ (b).
2. 4. Giao diện tương tác trên máy vi tính
Trong khi thực hiện đề tài, chúng tôi đã lần lượt sử dụng 2 ngôn ngữ lập trình khác
nhau là Visual Basic (VB) và Labview để viết giao diện tương tác với thiết bị ngoại vi
với máy vi tính.
Giao diện viết bằng Visual Basic có ưu điểm là kích thước file chương trình nhỏ,
các dịng lệnh rõ ràng, dễ hiểu. Tuy nhiên, khuyết điểm của nó liên qquan tới các tính
năng xử lý sau q trình khi thu nhận dữ liệu (như khả năng vẽ đồ thị, khớp hàm, hoặc
xuất file dữ liệu) bị hạn chế; và trong thực tế, chương trình đơi khi cịn bị lỗi treo chương
trình mà khơng rõ lý do. Vì vậy, chúng tơi đã tiến hành sử dụng ngơn ngữ lập trình
Labview để viết lại giao diện tương tác, và đã khắc phục được những hạn chế nêu ra ở

trên.
Hình 2.5 trình bày giao diện tương tác được viết bằng phần mềm Visual Studio
2015 Professional trên nền tảng Visual Basic. Trên đó, các tính năng tương tác được bố
trí theo từng khu vực khác nhau để người sử dụng dễ dàng thao tác. Các trình tự thao tác
sử dụng giao diện này có thể được mơ tả vắn tắt: Sau khi đã chọn cổng kết nối ở vùng 1,
người sử dụng có thể chọn đẳng q trình cần tiến hành thí nghiệm ở vùng 2; thiết lập
các thông số áp suất, thể tích và tốc độ lấy mẫu ở vùng 4; điều khiển sự dịch chuyển của
piston thông qua các nút trong vùng 5; ghi nhận hoặc xoá dữ liệu, lưu trữ dữ liệu và đồ
thị bằng các nút trong vùng 3. Các thơng số trạng thái tức thời của khối khí được thể hiện
lên vùng 6, đồng thời được lưu trữ trong bảng 7 và cập nhật trên đồ thị 8. Tất cả thao tác
của người sử dụng được ghi nhận tại thanh trạng thái 9.


9

Hình 2.5 Giao diện giao tiếp với người dùng trên máy vi tính viết bằng Visual
Basic.
Hình 2.6 thể hiện giao diện tương tác được viết bằng ngôn ngữ Labview. Cấu trúc
và cách thức sử dụng giao diện này cũng tương tự như giao diện viết bằng VB, và được
mô tả chi tiết trong chương 3.

Hình 2.6 Giao diện giao tiếp với người dùng trên máy vi tính viết bằng
Labview.


10
2. 5. Hệ điều khiển và ổn định nhiệt độ
Khi khảo sát q trình đẳng nhiệt của khối khí, nhiệt độ của khí phải được giữ ở
một giá trị nhất định nào đó trong suốt q trình làm thí nghiệm. Mặt khác, người dùng
cịn có thể muốn tiến hành thí nghiệm đẳng nhiệt ở một vài nhiệt độ khác nhau. Vì vậy,

hệ thống này phải được thiết kế sao cho có thể đáp ứng được những yêu cầu này.
Để giải quyết vấn đề, chúng tôi sử dụng nước làm tác nhân trao đổi nhiệt khi nó tiếp
xúc trực tiếp với xi-lanh chứa khí trong hộp nước. Khi muốn thiết lập một giá trị nhiệt độ
nhất định nào đó, người dùng sử dụng giao diện tương tác trên máy tính để thiết lập giá
trị. Giá trị này được truyền xuống cho vi điều khiển để ra lệnh bật/tắt điện cho các bóng
đèn đốt nóng, được nhúng vào hộp nước. Chương trình được viết cho vi điều khiển sao
cho nhiệt độ nhận được bởi sensor nhiệt nằm trong phạm vi sai số ±0,1°C so với giá trị
mong muốn. Một quạt điện 6VDC-2W có gắn 2 miếng nam châm nhỏ được đặt bên dưới
hộp mica để có thể kéo “cá từ” khuấy nước nhằm đảm bảo nhiệt độ của nước đồng đều
nhau tại tất cả các vị trí trong hộp. Cơ cấu ổn định nhiệt độ nước (và khí) được mơ tả chi
tiết trong Hình 2.7

1

2
3

Hình 2.7 Các bộ phận của hệ ổn định nhiệt: máy quạt gắn nam châm (1), cá
từ (2), bóng đèn đốt nóng (3).
Cách thức thiết kế này có ưu điểm là đơn giản. Tuy nhiên, phương pháp này có
nhược điểm là nhiệt độ của nước chỉ có thể thay đổi từ nhiệt độ phòng cho đến 70°C, còn
nếu muốn giảm nhiệt độ thì ta chỉ có thể chờ cho q trình tỏa nhiệt của nước cho mơi
trường bên ngồi diễn ra. Vì vậy, thời gian tiến hành thí nghiệm sẽ lâu và có thể khơng
phù hợp với một q trình dạy học nào đó trong thực tế.


11
2. 6. Cách kết nối các cảm biến, xi-lanh chứa khí, hệ ổn định nhiệt độ và hệ cơ-điện
tử liên quan đến thể tích
Khi kết nối tất cả các thành phần để làm một bộ thí nghiệm duy nhất, chúng có thể

được lắp ráp trên một đế mica có kích thước 15x31cm như Hình 2.8
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống này có thể được mơ tả ngắn gọn như sau: Xilanh thuỷ tinh 50ml và bình nhơm bổ sung được tận dụng tù bộ thí nghiệm nhiệt học của
Pasco (3) được sử dụng làm dụng cụ chứa khối khí cần nghiên cứu. Xi-lanh có một đầu
là piston (6) có thể dịch chuyển trong xi-lanh ít ma sát. Cảm biến áp suất (1) đóng kín
đầu cịn lại tạo thành bình chứa khí kín. Xi-lanh được đặt trong buồng mica chứa nước.
Do thành xi-lanh mỏng, quá trình truyền nhiệt diễn ra nhanh nên nước và khối khí xem
như ở cùng một nhiệt độ khi piston dịch chuyển chậm với tốc độ bình thường là
0,15mm/s. Giá trị nhiệt độ của nước và khối khí được ghi nhận bằng cảm biến nhiệt độ
(2) gắn chặt trên thành xi-lanh. Nhiệt dung riêng của không khí nhỏ hơn nhiệt dung riêng
của nước nên sự cân bằng nhiệt giữa cảm biến nhiệt độ và khối khí sẽ cần ít thời gian hơn
so với trường hợp cân bằng nhiệt giữa nước và cảm biến nhiệt độ.
3
2
4

6

1
8

5

7

Hình 2.8 Một số bộ phận cơ bản của bộ thí nghiệm: cảm biến áp suất (1),
cảm biến nhiệt độ (2), xi-lanh và bình nhơm chứa khí (3), động cơ điện (4), hệ
thống đếm xung quang học (5), piston (6), hệ thống khuấy từ (7) và đèn đốt nóng
(8).

12
Ý tưởng đưa cảm biến nhiệt độ nằm trong xi-lanh chứa khí sẽ gây khó khăn khi
thiết kế hệ thống ống nối giữa đầu ra xi-lanh với lỗ cắm cảm biến áp suất, ngõ ra của dây
điện cảm biến nhiệt độ sẽ phức tạp hơn và tăng khả năng rò rỉ khí, làm cho kết quả thí
nghiệm kém chính xác. Do đó, phương án đặt cảm biến nhiệt độ vào bên trong xi-lanh
chứa khí khơng được chúng tơi lựa chọn. Hệ thống khuấy từ (7) có tác dụng đảm bảo
nhiệt độ của nước ln đồng đều trong tồn buồng chứa.
2. 7. Kết quả thử nghiệm hệ thống
Sau khi xây dựng từng phần riêng lẻ các thành phần khác nhau, chúng tôi lắp ráp lại
với nhau để tạo thành một bộ thí nghiệm hồn chỉnh như Hình 2.9. Bước tiếp theo là tiến
hành các thí nghiệm để đánh giá mức độ ổn định và chính xác của hệ thống thơng qua
việc kiểm nghiệm lại các định luật thực nghiệm của khí lí tưởng.

Hình 2.9 Hệ thống thiết bị thí nghiệm hồn chỉnh.
2. 7. 1. Khảo sát quá trình đẳng nhiệt
Thực hiện quá trình biến đổi trạng thái đẳng nhiệt với một khối khơng khí có áp
suất ban đầu 101,3kPa, có thể tích là 8ml, tại nhiệt độ 300K, 320K và 350K. Các thông
số trạng thái được ghi nhận với tốc độ 1 dữ liệu trên giây và kết quả của các quá trình
được thể hiện như Hình 2.10.


13

Hình 2.10 Kết quả thực nghiệm quá trình biến đổi đẳng nhiệt của một khối
khơng khí ở các nhiệt độ 300K, 320K và 350K.
Tại mỗi giá trị nhiệt độ, khối khí được nén và dãn liên tiếp ba lần. Đồ thị biểu diễn
các quá trình biển đổi này nằm chồng lên nhau, gần như là một đường liền nét, chứng tỏ
hệ thống xilanh kín khí và hoạt động của các cảm biến ổn định.
Đường biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất vào thể tích của khối khí trong quá trình
này là một đường hyperbol, nghiệm đúng dạng của định luật Boyle – Mariotte:

𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

(1)

Để đánh giá mức độ chính xác của hệ thống, phương trình (1) được biến đổi thành:
𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 = −𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 + 𝐶𝐶

(2)

với C là hằng số.

Đồ thị biểu diễn phương trình (2) là một đường thẳng có hệ số góc bằng 1 với mọi

giá trị số mol và nhiệt độ của khối khí.
Trên ý tưởng đó, chúng tôi biểu diễn mối quan hệ giữa lnp và –lnV như Hình 2.11.
Các đường thẳng thu được tương ứng với các nhiệt độ 300K, 320K, và 350K có hệ số
góc lần lượt là 0,76939; 0,76056; và 0,75942. Các giá trị này xấp xỉ bằng nhau, tuy nhiên
lại có sai biệt tương đối lớn so với giá trị lý thuyết. Nguyên nhân của vấn đề này có thể
xuất phát từ việc khối khí được nghiên cứu là khí thực mà khơng phải là khí lý tưởng. Vì
vậy, một số thí nghiệm bổ sung cần được thực hiện để khảo sát chi tiết và cụ thể hơn.