›

Khóa luận 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

pdf 38 trang thiennha21 16/04/2022 4261
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận 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", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_ung_dung_vi_dieu_khien_arduino_va_cam_bien_cuong_d.pdf

Nội dung text: Khóa luận 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

  1. 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
  2. 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
  3. 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 cô, gia đình, bạn bè. Từ tận đáy lòng, 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 hoàn thành trọn vẹn khóa luận. Em xin cảm ơn và biết ơn Thầy Nguyễn Tấn Phát, Thầy Nguyễn Hoàng Long đã luôn động viên và tạo động lực để em vượt qua bao khó khăn. Ngoài 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 phòng 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
  4. 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 vi nghi n ứu 4 5. Phương pháp 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 hoàn 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
  5. DANH MỤC BẢNG 1 Số iệu giá trị thu đượ tr n ả iến ứng với g  15 2 Số iệu á 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
  6. 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 iến ường độ sáng BH175 FVI 7 H 4 C u t o ủa En o r và h nh ảnh xung ủa hai nh B 8 H 5 Bluetooth HC-05 9 H 6 Sơ đồ h điều hiển động ơ TB6612FNG 10 H 7 Giao iện tương tá tr n áy t nh á nh n 11 H 8 Sơ đồ thiết ế ộ th nghiệ 11 H 9 H nh ảnh ộ th nghiệ hoàn hỉnh và hệ h điện ủa ộ th nghiệ 12 H 1 Sơ đồ th nghiệ 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 cos2 ( ) (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 iến BH175 FVI ứng với g  17 H 14 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 nghiệ hảo sát ường độ v n giao thoa nhi u x 3 ; Giao diện tương tá tr n 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 nh hụp hệ v n giao thoa trong thự tế 20 H 17 Đồ thị iểu i n ường độ sáng th o vị tr ủa th nghiệ giao thoa 20 H 18 Hiện tượng nhi u x qua ột h h p 23
  7. 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 3 ; Giao diện tương tá tr n áy t nh 4 24 H 2 Đồ thị ph n ố ường độ sáng th o vị tr ứng với nhi u x ột h 25 H 21 Giải pháp ới ho hệ ơ h ủa ộ th nghiệ 27
  8. 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
  9. 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 môn Vật lí, việc thực hành thí nghiệ đ ng vai trò 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 hưa đ y đủ, một số dụng cụ thí nghiệm có sai số lớn nên kết quả đo đ 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 không 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 . Bước sóng của ánh sáng trong thí nghiệ này đượ xá định theo biểu thức: ai  (1) D 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  (2)  i D a
  10. 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 . Bên c nh đ tr n thị trường còn 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 à ộ thí nghiệm ủa h ng thiết ị Pas o [3] sản xu t sử ụng ột ả iến để đo ường độ sáng vân giao thoa. Cảm biến ánh sáng này đượ gắn tr n 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 . H n hế ủa ộ th nghiệ này à người ng phải i huyển hệ thống thu nhận ữ iệu ường độ sáng ột á h n thận để việ đo đ đượ h nh xá . Do đ việ thự hiện th nghiệ 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 thông. Ngoài ra, hiện nay đ ột số phòng thí nghiệ đ tập trung nghiên cứu, cải t o và phát triển bộ thí nghiệ i n quan đến vẽ ường độ vân giao thoa nhi u x đặc biệt trong số đ 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 thông qua giao diện tương tá ằng công nghệ Bluetooth. Tuy nhiên, việc thực hành thí nghiệm còn thủ ng người làm thí nghiệm phải đ y hệ thống đo đ c bằng tay 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.
  11. 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 Công 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 công 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 thông qua công 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
  12. 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 h điều khiển động 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 ngôn 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 để kiểm chứng tính ổn định của bộ thí nghiệm, rút ra ưu nhượ điể và đề xu t phương án điều chỉnh, cải tiến phù hợp. 4. 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.
  13. 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 được xây dựng và hiệu chỉnh thông qua quá trình lắp ráp ph n ơ h 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 trò quyết định cho việc hoàn 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 công nghệ Bluetooth. Việc xây dựng và hoàn 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.
  14. 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 thông 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 r uino Nano được sử dụng trong bộ thí nghiệm này. H nh 2 tả á 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
  15. 7 chân giao tiếp SPI: D10 (SS), D11 (MOSI), D12 (MISO), D13 (SCK). Ngoài các chứ năng th ng thường, còn 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 được thiết kế hệ thống encoder quang học. Encoder quang họ à ột thiết ị ả iến th o õi sự thay đổi huyển động và huyển đổi
  16. 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 vuông 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 toán đượ ước dịch chuyển của đế trượt là 1 mm . 24 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
  17. 9 giao tiếp với bluetooth khác ở chế độ Slave. Trong bộ thí nghiệ vi điều khiển Arduino sẽ kết nối với Bluetooth ở tr ng thái S av 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 thông 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.
  18. 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). Dòng 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 trong quá tr nh đo đ c, xử ý và ưu trữ các dữ liệu th ng qua áy t nh á nh n. Giao iện áy t nh ung p ột số hứ năng điều hiển việ ghi đo số iệu tr n thanh ng ụ. Tr n giao iện sẽ gồm 3 ph n chính: Thanh công 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. Ngoài ra, giao diện còn 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.
  19. 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 công nghệ truyền nhận không dây Bluetooth. Các dữ liệu sẽ được hiển thị và xử lý trên máy tính thông qua giao diện máy tính cá nhân. Ngoài ra, vi điều khiển xu t t n hiệu để hiển thị các chế độ làm việc của bộ thí nghiệm thông qua màn hình LCD và các nút nh n.
  20. 12 CHƢƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1. Bộ thí nghiệm hoàn chỉnh Sau quá 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 hoàn chỉnh và hệ mạch điện của bộ thí nghiệm C u t o ủa ộ th nghiệ hoàn hỉnh ao gồ (1): Hộp đ n 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 được thiết kế nhỏ gọn trên hệ m ch in, ụ đ h giữ ho á inh iện điện tử đượ ố định hệ 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 y uroa để kéo ả iến trượt trên thanh ray. Ngoài ra 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 thông qua hai chế độ làm việc: chế độ tự động và chế độ thủ công. Ở chế độ tự động người ng điều khiển động ơ điều khiển đế trượt nhờ giao diện tương tá tr n 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
  21. 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 ước di chuyển và chiều dịch chuyển của đế trượt. Sau đ 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 iệ 2.2.1. 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 đ ị thay đổi so với thông số an đ u của nhà sản xu t. Một thí nghiệ 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 mô 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: 2 II o cos ( ) (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; Io 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 thông 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 iến ánh sáng sẽ tỉ ệ tuyến t nh với cos2 ( ) theo định luật Malus.
  22. 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 h sáng, th u kính, các kính lọc sao cho chúng ở ng độ cao, mặt các dụng cụ vuông 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 vuông 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 vuông 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
  23. 15 bởi phương ph n ực của ánh sáng tới và mặt ph ng phân cực của kính phân tích là 0 0 2  90 và  270 v cos ( ) 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  Giá trị Giá trị Giá trị Giá trị Góc (0) Góc (0) Góc (0) Góc (0) (a.u.) (a.u.) (a.u.) (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
  24. 16 Dựa tr n số iệu tr n ảng 1 tiến hành vẽ đượ đồ thị giá trị ường độ sáng th o cos2 ( ) với  900 đến  1800 ứng với giá trịcos2 ( ) 0 đến cos2 ( ) 1. Khớp á điể thự nghiệ với đường th ng tuyến t nh đi qua gố tọa độ ng y ax . Với y tương ứng à giá trị ường độ sáng thu đượ tr n ả iến x à giá trị ủa . Ta đồ thị 12a như h nh vẽ: Đồ thị biểu diễn giá trị thu được trên cảm biến BH1750FVI theocos2 () (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 nghiên cứu (b)[4] Dựa tr n đồ thị tr n h nh 12a ta thể th y giá trị thu đượ tr n ả iến ường độ sáng nhỏ nh t hi ứng với ; giá trị tr n ả iến ường độ sáng ớn nh t hi ứng với . Sự ph n ố ủa á điể thự nghiệ này ph hợp với ý thuyết ủa định uật Ma us. B n nh đ hệ số tương quan R-Squared ủa á điể thự nghiệ với đường th ng tuyến t nh à 99747. Điều này hứng tỏ á điể thự nghiệ tương quan tuyến t nh với đường th ng ng đến 99,7%. Trong ộ th nghiệ ng o i o Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph TPHCM nghi n ứu 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 cos2 ( ) . Đồ thị 12 à đồ thị iểu i n sự phụ thuộ ủa điện áp ngõ ra vào ường độ sáng hiếu tới phototransistor hi thay đổi g hợp ởi phương ph n ự ủa ánh sáng và nh ph n ự ở ộ th nghiệ ủa Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph TPHCM. So sánh giữa đồ thị 12a và 12 việ
  25. 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 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 thay đổi đến và ho th y đượ giá trị đo đ thự nghiệ ph hợp với ý thuyết. B n 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 cos2 ( ) . Tiến hành khớp hàm các điểm 2 x thực nghiệm này theo hàm số có d ng y a bcos( ) (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
  26. 18 phân bố theo d ng hàm cos2 ( ) với tỉ ệ ph hợp tới 95,8%. uan sát đồ thị ta thể th y giá trị ả iến ường độ sáng giá trị ự tiểu ở  900 và  2700 ; giá trị ả iến ường độ sát đ t ự đ i ở  00 và  3600 . Vì vậy, thể ết uận rằng số iệu đo từ th nghiệ ph hợp với ý thuyết ủa định uật Ma us. Do đ cảm biến ường độ sáng BH1750FVI sau khi thu nhỏ vùng diện tích chiếu sáng ho t động tốt và tuyến t nh, có thể sử dụng cảm biến này để khảo sát các thí nghiệm tiếp theo. 2.2.2. Thí nghiệ đo ƣớc sóng ánh sáng bằng hiệ tƣợng giao thoa khe Young Thí nghiệ này được thiết kế để kiể tra độ ổn định của bộ thí nghiệm sau khi được chế t o hoàn chỉnh. Trong thí nghiệ này người dùng sẽ sử dụng đèn az r H - N ước s ng 632 8 n . nh sáng phát ra ởi az r được công bố bởi nhà sản xu t à ánh sáng phương ph n ực th ng và phương ph n ự h ng thay đổi. Khe Young được dùng có khoảng cách hai khe là i . Khoảng cách từ hai khe tới mắt thu cảm biến ánh sáng là D . Bước sóng  tính toán từ số liệu trong thực tế được tính theo công thức (1). Bước sóng  được tính toán trong thực tế sẽ được so sánh với ước sóng ánh sáng mà nhà sản xu t ghi tr n az r H – N . Nhờ vậy ta rút ra được kết luận về độ ổn định, tính chính xác của bộ thí nghiệm. Lắ đặt thí nghiệm Thí nghiệm đo ước sóng ánh sáng bằng hiện tượng giao thoa khe Young được bố tr như h nh 14. 4. Hệ thí nghiệm giao thoa khe Young: Đèn lazer He-Ne (1); Giá đỡ có gắn bộ vi chỉnh khe Young (2); Bộ thí nghiệm khảo sát cường độ vân giao thoa, nhiễu xạ (3); Giao diện tương tác trên máy tính (4) Điều chỉnh
  27. 19 Bật công tắc nguồn điện 12V AC 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 h sáng, bộ vi chỉnh khe Young sao cho chúng ở ng độ cao, mặt các dụng cụ vuông góc với chùm tia laser. Đặt hệ khe Young của Công ty nhà sách thiết bị trường học trên bộ vi chỉ khe Young. Điều chỉnh hệ thướ an để hệ khe Young di chuyển sao ho ánh sáng đi qua hai khe young. Sử dụng một tờ gi y trắng để hứng hệ v n giao thoa như h nh 15. Điều chỉnh hệ thướ an để hệ v n giao thoa thu được một cách rõ nét nh t. Sau đ , tiến hành điều chỉnh độ cao của bộ thí nghiệm khảo sát ường độ vân giao thoa nhi u x sao cho phương ủa khe h p 2mm của bộ thí nghiệm có thể hứng được hoàn toàn hệ vân giao thoa. . Hình ảnh hệ vân giao thoa được hứng trên tờ giấy trắng 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 Quá trình khảo sát này được sử dụng ở chế độ tự động. Việ điều khiển hệ đế trượt dịch chuyển cảm biến ánh sáng thông qua giao diện tương tá tr n áy t nh á nhân. Trong thí nghiệm này, tố độ trung bình của đế trượt được thiết lập là 0,68 mm/s. Nhờ thiết lập tố độ này, đế trượt có thể dịch chuyển chậ tr n trường giao thoa, từ đ việ đo đ c số liệu đượ h nh xá hơn. Sử dụng h Young được dùng có khoảng cách hai khe là a = 0,18mm. Hình 16 à ảnh chụp hệ vân giao thoa trong thực tế.
  28. 20 6. nh chụp hệ vân giao thoa trong thực tế Tiến hành dịch chuyển cảm biến BH1750FVI theo một chiều ta thu đượ đồ thị biểu di n sự phân bố ường độ vân giao thoa nhi u x như h nh 17. 7. Đồ thị biểu diễn cường độ sáng theo vị trí của thí nghiệm giao thoa Dựa vào đồ thị này ta thể nhận th y ác vân sáng phân bố tương đối đều nhau ường độ vân sáng trung tâm là lớn nh t (vị trí 111,50mm và ường độ giảm d n ở các vị tr v n sáng đối xứng ở hai bên trung tâm. Xen kẽ các vân sáng cự đ i giao thoa là những vị tr à ường độ vân sáng g n như triệt tiêu. Dựa vào đồ thị, ta xá định được vị trí các cự đ i giao thoa tr n trường giao thoa, khoảng cách giữa các vị trí cự đ i là khoảng vân giao thoa. g 2. Số liệu các khoảng vân giao thoa cực đại trong lần khảo sát thứ nhất Vị trí Khoảng vân STT i() mm x() mm i xii 1 x() mm 1 107,79 2,38 0,09 2 110,17 2,46 0,01
  29. 21 3 112,63 2,41 0,06 4 115,04 2,46 0,01 5 117,50 2,42 0,05 6 119,92 2,46 0,01 7 122,38 2,50 0,02 8 124,88 2,70 0,23 9 127,58 Trung bình 2,47 0,06 Thông qua việc di chuyển của đế trượt tr n trường giao thoa, chúng ta có thể tìm ra được khoảng vân trung bình trong một l n đo. Xử lý số liệu và nhận xét Tiến hành khảo sát nhiều l n, ta thu được từng đồ thị biểu di n ường độ vân sáng theo vị trí vân sáng. Xử lý số liệu trên từng đồ thị, ta có bảng sau: . hảo sát hiện tượng giao thoa khe Young L n thí Dm() Dm() i() mm i() mm nghiệm 1 0,691 0,001 2,47 0,01 2 0,690 0,000 2,46 0,00 3 0,687 0,003 2,46 0,00 4 0,691 0,001 2,45 0,01 5 0,690 0,000 2,47 0,01 6 0,688 0,002 2,45 0,01 7 0,690 0,000 2,46 0,00
  30. 22 8 0,691 0,001 2,46 0,00 9 0,690 0,000 2,47 0,01 10 0,691 0,001 2,47 0,01 Trung bình 0,690 0,001 2,46 0,01 Dựa vào bảng số liệu, ước sóng  của lazer He-Ne dùng trong thí nghiệm này ai tính theo công thức  (4) và ướ s ng ánh sáng thu được là:  641,7nm. Sai D  i D a số tương đối của kết quả đo được tính theo công thức (2)  và  i D a sai số tuyệt đối trung bình của ước sóng là  50,9nm. Kết quả của ước sóng lazer He-N thu được là:  (641,7 50,9)nm Sai số tương đối của kết quả đo này à 7 9 và độ sai iệt ủa ết quả đo này so với giá trị ướ s ng ánh sáng được nhà sản xu t ghi trên lazer He-Ne LG-471-830 của hãng Leybold là 1,4% . Điều này chứng tỏ, bộ thí nghiệm ho t động ổn định, hiệu quả. Số liệu tính toán dựa trên lý thuyết khớp với giá trị thực tế. Ngoài ra, dựa vào đồ thị ường độ sáng theo vị tr như ở đồ thị h nh 16 người sử dụng còn có thể quan sát được các vị trí vân cực tiểu giao thoa tr n trường. Khoảng vân i có thể được tính dựa vào khoảng cách giữa các vân cực tiểu giao thoa, từ đ t nh đượ ước sóng ánh sáng và nghiệm l i công thức giao thoa khe Young. 2.2.3. K o át iệ tƣợ iễ á á a ệ ột Th nghiệ này đượ x y ựng để hảo sát sự ph n ố ường độ ủa ánh sáng nhi u x g y ởi ột h h p. Khi ột h sáng song song đơn sắ ướ s ng  hiếu vu ng g vào ột h h p độ rộng à a th tr n àn ảnh ta thu đượ h nh ảnh nhi u x với ột ự đ i giữa nhi u x và á ự đ i nhi u x bậc 1,2,
  31. 23 . Hiện tượng nhiễu xạ qua một khe hẹp Vị tr ủa á v n ự tiểu nhi u x đượ ho ởi ng thứ : k sin với k 1; 2; 3; (5) a Vị tr ủa v n ự đ i nhi u x đượ t nh th o ng thứ :  sin (2k 1) tương ứng k 1; 2; 3; (6) 2a Cường độ á v n nhi u x qua ột h h p đượ t nh ởi ng thứ sau: sin a II()() 2 tương ứng  sin (7) 0   Trong đ : a à ề rộng h h p.  à g nhi u x .  à ướ s ng ánh sáng hiếu. I0 à ường độ nhi u x ủa ự đ i trung t . sin Cường độ ự đ i giữa nhi u x tương ứng với  0; 1. Do đ II .  0 Khi thay iểu thứ (6) vào iểu thứ (7) ta ường độ ủa á ự đ nhi u x qua ột h h p đượ t nh ởi ng thứ như sau: 1 sin((k ) ) II()() 2 2 tương ứng (8) 0 1 ()k 2 I Cự đ i nhi u x bậc 1 ứng với k = 1; -2. Cường độ tương đối sẽ à 1 4,5% . I0 I Cự đ i nhi u x bậc 2 ứng với k = 2; -3. Cường độ tương đối sẽ à 2 1,6% . I0
  32. 24 I Cự đ i nhi u x bậc 3 ứng với k = 3; -4. Cường độ tương đối sẽ à 3 0,83% . I0 Lắ đặt thí nghiệm Th nghiệ này thao tá và á h ắp đặt g n giống như th nghiệ đo ướ s ng trong giao thoa h Young há iệt à hệ h Young đượ thay ằng h h p ề rộng thay đổi đượ . Hệ th nghiệ đượ iểu i n như trong h nh 19. . Hệ thí nghiệm giao thoa khe Young: Đèn lazer He-Ne (1); Giá đỡ có gắn bộ vi chỉnh khe Young (2); Bộ thí nghiệm khảo sát sự phân bố các vân giao thoa, nhiễu xạ (3); Giao diện tương tác trên máy tính (4) Điề c ỉ Bật công tắc nguồn điện 12V AC 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 sao cho chúng ở ng độ cao, mặt các dụng cụ vuông góc với chùm tia laser. Đặt hệ ột h và điều chỉnh ánh sáng đi qua hệ ột h . Tiếp theo, sử dụng một tờ gi y trắng để hứng hệ vân nhi u x . Điều chỉnh hệ ột h để ánh sáng thu được một cách rõ nét nh t. Sau đ tiến hành điều chỉnh độ cao của bộ thí nghiệm khảo sát ường độ v n giao thoa nhi u x sao ho phương ủa khe h p 2mm của bộ thí nghiệm có thể hứng được hoàn toàn hệ v n nhi u x . Đo đ c số liệu Tiến hành dịch chuyển cảm biến BH1750FVI theo một chiều xá định, ta thu đượ đồ thị biểu di n sự phân bố ường độ vân giao thoa nhi u x như h nh 20.
  33. 25 gmail . Đồ thị phân bố cường độ sáng theo vị trí ứng với nhiễu xạ một khe ử ố iệ ậ t Dựa tr n đồ thị ta thể th y đượ sự ph n ố ường độ v n nhi u x ao gồ ột ự đ i giữa nhi u x và á ự đ i nhi u x ậ ột giống như trong ý thuyết đ tả. Tuy nhi n trong đồ thị này hỉ quan sát đượ ự đ i nhi u x ậ ột o độ ph n giải ả iến BH175 FVI hưa nhuy n n n h ng thể phát hiện đượ ường độ ủa v n nhi u x ậ hai. Dựa vào đồ thị này ta xá định đượ ường độ sáng ủa á ự đ i nhi u x ậ ột và so sánh với ết quả t nh đượ tr n ý thuyết. Ta ảng như sau: 4. hảo sát cường độ sáng trong thí nghiệm nhiễu xạ qua một khe Cự đ i Cường độ I I thự tế thuyết Độ sai iệt nhi u x ánh sáng I 0 I 0 Ch nh giữa 8653 100% 100% Bậ ột 266 3,11% 4,5% 31% n trái Bậ ột 357 4,12% 4,5% 8,3% n phải Dựa vào á ết quả đ thu đượ ta thể th y h nh ảnh tr n đồ thị ường độ ánh sáng th o vị tr ủa th nghiệ nhi u x qua hệ ột h đúng với tả trong ý thuyết. Tuy nhi n hi so sánh độ sai iệt tỉ ệ ường độ ánh sáng ủa ự đ i nhi u x ậ 1 với ường độ ủa ự đ i giữa nhi u x đo từ thự nghiệ òn sai ệ h nhiều so
  34. 26 I với ý thuyết. ng với ự đ i nhi u x ậ 1 n phải ủa đồ thị độ sai iệt tỉ ệ 1 I 0 ủa thự tế so với ý thuyết à 8 3 . ng với ự đ i nhi u x ậ 1 n trái ủa đồ I thị độ sai iệt tỉ ệ 1 ủa thự tế so với ý thuyết à 31 . Sai iệt này há ớn n n th I 0 nghiệ hảo sát ường độ á v n nhi u x qua hệ ột h hưa đượ h nh xá . Nguy n nh n thể à o an đ u phương ủa tia sáng hiếu tới hai h h ng thự sự vu ng g với hệ ột h . B n nh đ nguy n nh n h nh à việ hiệu hỉnh hệ th nghiệ hưa tốt hiến ho phương ị h huyển ủa ả iến ánh sáng trong r nh 2 hưa tr ng với phương nhi u x ủa hệ v n. Ngoài ra ả iến hưa thể ph n giải đượ nhuy n á vị tr ường độ sáng nhỏ ũng à ột ph n nguy n nh n g y ra sai số ớn trong th nghiệ này. 2.3. So sánh với các bộ thí nghiệm cùng lo i Bộ thí nghiệm khảo sát sự phân bố các vân giao thoa nhi u x ho t động ổn định, kết quả thực nghiệ đo đ c từ hệ thống bộ thí nghiệm tương đối phù hợp với các tính toán lý thuyết. So với bộ thí nghiệ Xá định ước sóng ánh sáng của Công ty nhà sách thiết bị trường học, bộ thí nghiệ đ được tích hợp cảm biến ường độ sáng BH1750FVI nên có thể xá định chính xác vị trí các khoảng vân. Ngoài ra, việc sử dụng cảm biến ường độ sáng góp ph n à ho người sử dụng quan sát đượ đồng thời các vị trí các vân sáng ường độ cự đ i và những vị tr à ường độ vân sáng cực tiểu. Bên c nh đ việc sử dụng encoder quang học với dây encoder của máy in Canon IP277 giúp ho ước nhảy của độ dịch chuyển mắt thu là 1 mm . Bước nhảy 24 này nhuy n hơn ước nhảy 0,1mm của hệ thống vẽ ường độ vân giao thoa nhi u x của Tổ Vật ý Đ i ương thuộc Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph m Thành phố Hồ Chí Minh. Cuối cùng, bộ thí nghiệm sử dụng vi điều khiển tích hợp với động ơ để kéo hệ ray trượt chứa cảm biến nên quá trình khảo sát thí nghiệ được tự động người sử dụng có thể kiể soát được tố độ của việc ghi nhận số liệu. Ưu điểm này tốt hơn việc khảo sát hệ vân sáng một cách thủ ng như hệ thống thí nghiệm cùng lo i của công ty sản xu t Pas o v hi đ việc ghi nhận số liệu ường độ sáng phụ thuộc r t nhiều vào người làm thí nghiệm.
  35. 27 CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 3.1. Kết luận Dựa vào ết quả ủa á th nghiệ iể hứng ộ th nghiệ ho th y nhiều ưu điể so với á ộ th nghiệ ng o i hiện tr n thị trường. Bằng việ sử ụng ả iến ánh sáng và vi điều hiển r uino ộ th nghiệ ho phép người sử ụng ghi nhận tự động sự ph n ố ủa hệ v n giao thoa nhi u x . uá tr nh hảo sát vị tr và ường độ á v n sáng đượ i n tụ ổn định và h n hế những sai số o người ng g y ra. Hơn nữa, vi điều ghép nối vi điều hiển với B u tooth HC-05 làm cho việ truyền nhận t n hiệu đượ nhanh h ng về áy t nh á nh n g p ph n à quá tr nh vẽ đồ thị tr n giao iện tương tá ột á h hiệu quả. Tuy nhi n thiết ế ủa ộ th nghiệ sử ụng những nguy n vật iệu t th ng ụng tr n thị trường như y En o r ủa áy in Canon IP277 n n việ sửa hữa hi hệ gặp v n đề hỏng h à há h hăn. B n nh đ hệ h điều hiển và hệ ray trượt đượ đ ng hộp mica hiến ho ộ th nghiệ tr ng th ồng ềnh hưa gọn như những ộ th nghiệ hiện tr n thị trường. Trong quá tr nh à th nghiệ việ ắp đặt th nghiệ phải n thận và đòi hỏi người à n ỹ năng thự nghiệ để hỉnh ắt ả iến BH175 FVI thể thu nhận ánh sáng và i huyển ọ tr n r nh 2mm. 3.2. Hƣớng phát triển Để cải thiện được những khuyết điểm của bộ thí nghiệm, hệ ơ h n phải nhỏ gọn và sử dụng những vật liệu thông dụng, có giá thành rẻ trên thị trường. Phương án thiết kế hệ ơ h ho ộ thí nghiệm khảo sát ường độ vân giao thoa nhi u x được mô tả như ở hình 21. 1. Giải pháp mới cho hệ cơ khí của bộ thí nghiệm Trong hệ ơ h này c u trúc của các bộ phận bao gồm: một khung nhôm vuông định hình 3x3 động ơ ước, thanh trụ trơn và trục vitme, các gối đỡ đế trượt được thiết kế như h nh vẽ. Trên bản thiết kế này động ơ ước được gắn với khung nhôm nhờ gối đỡ truyền động cho vitme làm cho vitme chuyển động quay quanh trục.
  36. 28 Đế trượt đai ốc nối với vitme, khi vitme chuyển động th đế trượt sẽ trượt trên thanh trụ trơn định hướng. Lú đ ảm biến ường độ sáng sẽ được tích hợp tr n đế trượt và giới h n của trường thu nhận ường độ sáng phụ thuộ vào độ dài các thanh trục trơn định hướng, trục vitme. Thiết kế này nhỏ gọn, quá trình tháo lắp các bộ phận trong thiết kế một cách d dàng. Nếu hệ ơ h này ho t động ổn định, việc sản xu t đ i trà sẽ r t thuận lợi v đa ph n các bộ phận thông dụng trên thị trường. Ngoài ra việ điều hỉnh ả iến để hứng đượ trường giao thoa sẽ àng hơn ho người sử ụng.
  37. 29 CHƢƠNG 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Xu n uý 2 1 . Vấn đề sử dụng thiết bị thí nghiệm vật lí trong trường phổ thông thực trạng và giải pháp. T p chí Thiết bị giáo dục, 61, tr.10-18. [2] C ng ty Cổ ph n Sá h và Thiết ị Trường họ TPHCM. ộ TN Xác định bước sóng ánh sáng, dinh-buoc-song-anh-sang.html. Ngày truy ập 15 4 2 19. [3] PASCO scientific [US]. Interference and Diffraction of Light Experiment, of-light-experim/index.cfm. Ngày truy ập 15 4 2 19. [4] Ng Minh Nhựt Nguy n L Duy 12 2 18. ng dụng công nghệ luetooth và cảm biến ánh sáng để thiết kế hệ thống vẽ cường độ vân giao thoa, nhiễu xạ. T p h Khoa họ Trường Đ i họ Sư ph TPHCM Vo . 15 No. 12 (2018), tr.113-122. [5] Mai Hoàng Phương Ng Minh Nhựt, 2016. Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật II và III Newton. T p chí khoa họ Đ i họ Sư Ph m Hà Nội, 61, tr.68-75, 2016. [6] Nguy n Huỳnh Duy Khang, Nguy n T n Phát, Nguy n Lâm Duy, 2016. ng dụng vi điều khiển PIC16F877A và các cảm biến điện tử để chế tạo bộ thí nghiệm có tương tác với máy tính nhằm phát huy tính tích cực, sáng tạo trong hoạt động dạy học về các định luật thực nghiệm của chất khí lí tưởng. T p chí khoa họ Đ i họ Sư Ph m Hà Nội, 61, tr.128-137. [7] Mai Hoàng Phương 2012. Định hướng giáo viên sử dụng máy tính, Internet trong dạy học vật lí trường trung học phổ thông. T p chí khoa họ Đ i họ Sư ph m TP. HCM, 37, tr. 140– 149. [8] Hoàng Văn Huệ, Phùng Việt Hải, Nguy n Thị Thanh Hương 2 12. Nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến và thí nghiệm ghép nối với máy vi tính trong dạy học vật lí ở trường phổ thông. Đề tài khoa học và công nghệ c p bộ Trường Đ i học Tây Nguyên, tr.10,17-18. [9] Ngô Huỳnh Ngọc Khánh, 22/7/2014. Arduino Nano – Nhỏ, tiện lợi, mang trên mình tinh hoa của Arduino Uno, nho-tien-loi-mang-tren-minh-tinh-hoa-cua-arduino-uno. Ngày truy ập 15/04/2019.
  38. 30 [10] COMPONENTS101, 12/3/2018. Arduino Nano, Ngày truy ập 15/04/2019. [11] ROHM Semiconductor, 2011. Ambient Light Sensor IC Series Digital 16bit Serial Output Type Ambient Light Sensor IC – BH1750FVI, tr.1-4. [12] Tatiana K nová, Mirolav Dovica, E uar Ja u ovič, P t r S ač o, 11/12/2017. Condition Evaluation of Optical Position Sensor. Journal of Automation and Control, 2017, 5(2), 37-40. [13] Mohannad Rawashdeh, 2013, INSTRUCTABLES. Arduino and bluetooth hc-05 connecting easily, HC-05-Connecting-easily/. Ngày truy cập 10/04/2019. [14] TOSHIBA, 30/6/2007. Toshiba Bi-CD Integrated Circuit Silicon Monolithic TB6612FNG, tr.1-5. [15] Hshop Điện tử o ot. ạch điều khiển động cơ D ini T 12. Ngày truy ập 15/04/2019. [16] Nguy n Bá Hải 2 16 Hướng dẫn lập tr nh La VIEW tr nh độ ơ ản, nhà xu t bản Đ i học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Tp Hồ Chí Minh.