Thiết kế mới 10 bài thực hành vật lý ứng dụng (cảm biến)
Những năm gần đây, theo nhu cầu trang bị thiết bị thí nghiệm sử dụng cho đào tạo sinh viên các ngành vật lý và vật lý kỹ thuật, kỹ thuật và công nghệ tại Trường Đại học Thủ Dầu Một ngày càng cao trong khi kinh phí đầu tư có hạn. Bên cạnh đó, nhà nước cũng có chủ trương về việc nâng cao tỷ lệ phần trăm số tiết thực hành 40% và lý thuyết 60% đối với các ngành kỹ thuật và yêu cầu của ngành Giáo dục về tính tự chủ trong lĩnh vực giáo dục. Việc này phần nào đã kích thích sự vào cuộc của các giảng viên trong việc đầu tư trí tuệ tăng cường phát triển các bài thực hành, thí nghiệm mới dựa trên nguyên lý hoạt động từ lý thuyết đã được đào tạo với các vật tư và thiết bị không qua đắt tiền, dễ mua sắm thay mới và sửa chữa nhằm phần nào giúp giảm bớt gánh nặng cho cơ quan trong việc đầu tư, mua sắm các thiết bị thí nghiệm mới với nguồn kinh phí lớn, đủ để phục vụ giảng dạy.
Liên quan đến lĩnh vực này, vào năm 2015, ThS. Nguyễn Thanh Tùng đã thực hiện đề tài cấp cơ sở “Thiết kế một số bài thí nghiệm vật lý đại cương” liên quan đến các học phần: Cơ học, điện học với mục tiêu là xây dựng 6 bài thực hành thí nghiệm mới, đã góp phần nhỏ vào việc trang bị cho các sinh viên có đủ thiết bị để thực hành trong quá trình học tập các môn Vật lý đại cương. Từ những kinh nghiệm có được, tác giả đã chọn triển khai đề tài “Thiết kế mới 10 bài thực hành vật lý ứng dụng” nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của các cảm biến như: cảm biến ánh sáng, cảm biến lực, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm…
Đề tài được thực hiện với mục tiêu trang bị cho sinh viên ngành Vật lý học có thiết bị để học các môn ứng dụng vi xử lý trong thực tế, cho các sinh viên có điều kiện thực hiện các đề tài sinh viên hoặc dùng cho các nghiên cứu Báo cáo tốt nghiệp, nghiên cứu khoa học sinh viên về lĩnh vực này.
Báo cáo kết quả cho thấy, trong xu hướng kết nối và điều khiển mọi thứ kết nối qua internet, module SIM900A là một ví dụ điển hình cho phát triển các ứng dụng trong thực tế. Việc điều khiển và theo dõi thiết bị qua module này là rất tiện lợi và có phạm vi sử dụng rộng lớn, những nơi mạng internet chưa phủ tới hoặc có nhưng kết nối không ổn định thì đây là một lựa chọn tuyệt vời cho chúng ta. Hãy thử hình dung sẽ tiện lợi biết bao nếu ngôi nhà của chúng ta được lập trình tự động, điều khiển, giám sát từ xa. Chúng ta có thể vừa rời công ty về nhà và nước đã được đun nóng sẵn, mọi thiết bị được điều khiển từ xa, hạn chế hao phí điện năng, giảm thiểu các rủi ro khi dùng các thiết bị điện.
Trong nội dung tìm hiểu về thiết bị phần cứng và phần mềm Arduino, tác giả giới thiệu cho sinh viên biết một cách cơ bản về phần mềm Arduino và các cách thức tiếp cận, khai thác sử dụng các công cụ kết hợp viết các thủ thuật lập trình, các câu lệnh dùng để khai báo biến, mô tả các loại biến, sử dụng vòng lặp, kết hợp xuất tín hiệu ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi trong quá trình viết code của một bài ứng dụng cụ thể. Riêng phần cứng Arduino, giới thiệu cho sinh viên biết về các quá trình phát triển của thiết bị Arduino, các loại module, các module thông dụng trong thực tế hiện nay. Qua đó giới thiệu cho sinh viên biết về sơ đồ chân từng loại board mạch của Aruino. Cách thức sử dụng các thiết bị kèm theo như: relay (có 2 loại cơ bản là có trễ thời gian và không trễ), đèn led, các loại cảm biến, các loại màn hình hiển thị LCD…, nhất là các loại cổng kết nối USB, các kiểu nguồn cấp điện khác nhau. Các cách cắm hoặc hàn chân khi kết nối giữa Arduino và các thiết bị khác.
Về lập trình Arduino, nạp code, tác giả hướng dẫn cho sinh viên tất cả các câu lệnh liên quan đến lập trình Arduino, từng bước sinh viên có thể trực tiếp tham gia lập trình trên phần mềm mã nguồn mở Arduino. Bên cạnh đó trong quá trình giảng dạy, giảng viên sẽ hướng dẫn cho sinh viên cách khai báo thư viện, cách thức tải (download) và cập nhật (update) các thư viện với từng loại cảm biến khác nhau khi cần thiết vì có những cảm biến không cần đến khai báo thư viện; cách nối kết cổng nạp và các bước nạp code vào module Arduino; cách đọc để hiểu và sửa các loại lỗi khi bị báo lỗi trong quá trình nạp code của một bài lập trình ứng dụng cụ thể nào đó.
Về cảm biến quang, mạch đóng ngắt quang, tác giả đã cung cấp cho sinh viên một module ứng dụng của cảm biến quang, trong đó yêu cầu sinh viên khảo sát mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và dòng quang điện đi qua cảm biến, thông qua module biến tín hiệu ánh sáng thành thông số quang LUX và hiển thị trên màn hình LCD. Mặt khác có thể xác định ngưỡng ánh sáng cao nhất làm cho cảm biến có tác dụng lên board mạch Arduino qua tín hiệu ngỏ vào INPUT. Thông qua lập trình code, tín hiệu ra OUTPUT sẽ kích hoạt relay và tự động đóng hoặc ngắt hệ thống đèn (hoặc các thiết bị hiển thị khác)…
Kết quả, đề tài đã giải quyết được vấn đề tiết kiệm trong chi tiêu, mua sắm thiết bị thí nghiệm của đơn vị Trường. Bộ sản phẩm của đề tài là 10 bài thí nghiệm dùng để giảng dạy cho môn học Cảm biến, sẵn sàng chuyển giao cho Phòng Thí nghiệm Vật lý (thuộc Viện Phát triển Ứng dụng), Trường Đại học Thủ Dầu Một làm thiết bị giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Vật lý và các ngành kỹ thuật điện, điện tử, ô tô… Đặc biệt, sản phẩm này còn dùng làm thiết bị giảng dạy hướng nghiệp, giáo dục trải nghiệm theo phương pháp STEM do CLB STEM trực thuộc Trường Đại học Thủ Dầu Một phụ trách theo hướng dịch vụ cho các học sinh phổ thông trên địa bàn tỉnh Bình Dương và các tỉnh thành lân cận.
Dương Tuấn
(Đọc toàn văn tại Trung tâm Thông tin và Thống kê KHCN)