Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 1A-2008 11 Một số giải pháp Nâng cao chất lợng Bài thí nghiệm Tổng hợp dao động của con lắc kép Võ Thanh Cơng (a) Tóm tắt. Nâng cao chất lợng đào tạo thí nghiệm vật lý là một việc làm cần thiết. Với mục đích trên, trong bài báo này chúng tôi đa ra một số giải pháp tự chế tạo bộ kết nối thí nghiệm Tổng hợp dao động của con lắc kép với máy vi tính. 1. Lí luận dạy học quan niệm quá trình dạy học phải đảm bảo một số nguyên tắc nhất định, trớc hết là nguyên tắc trực quan. Tính trực quan trong dạy học thờng đợc thực hiện qua các phơng tiện dạy học. Vật lý là môn học thực nghiệm, bởi vậy thí nghiệm vật lý có vai trò quan trọng trong việc tăng tính trực quan, nâng cao chất lợng dạy vật lý. Tự thiết kế các bộ kết nối (interface) giữa một số thí nghiệm vật lý với máy vi tính là một việc làm cần thiết cho việc dạy thực hành ở các trờng đại học cũng nh ở các bậc học phổ thông. Trong các thí nghiệm vật lý, phép đo thời gian là một trong các phép đo cơ bản ví dụ nh: các thí nghiệm (TN) về định luật 2 Newton, TN về định luật bảo toàn động lợng, TN về tổng hợp dao động của hai con lắc kép, TN về con lắc thuận nghịch vv Để nâng cao chất lợng thí nghiệm đã có rất nhiều giải pháp về các bộ kết nối máy vi tính với các thí nghiệm trên, ví dụ nh: các bộ Cassy hoặc các bộ VideoCom của hãng Leybol hoặc của hãng Phywe. Các bộ kết nối nhập ngoại này giá thành cao và có nhiều yêu cầu về kỹ thuật nên cha đợc phổ biến và sử dụng rộng rải. Bài viết này sẽ giới thiệu một số giải pháp kết nối giữa thí nghiệm vật lý với máy vi tính, trong đó máy vi tính ghi nhận và xử lí các kết quả các phép đo thời gian trong các thí nghiệm nói trên. Để thực hiện công việc đó ta cần điểm lại một số nét cơ bản của các bộ cảm biến, bộ kết nối thiết bị ngoại vi với máy vi tính và kỹ thuật truyền thông RS232 (kỹ thuật giao tiếp máy vi tính với thiết bị ngoại vi). 2. Do yêu cầu kỹ thuật, trong các thí nghiệm khác nhau sử dụng các bộ cảm biến khác nhau ví dụ nh: trong thí nghiệm về đo hệ số nhớt bằng phơng pháp Stock ta sử dụng bộ cảm biến từ [2], trong các thí nghiệm về chuyển động trên đệm không khí ta dùng các bộ cảm biến quang (Fock Light Barie) [1], với các phép đo chu kỳ con lắc dao động ta lại dùng các bộ cảm biến hồng ngoại vv Tuy cấu tạo vật lý khác nhau, nhng các bộ cảm biến đều có điểm giống nhau: khi vật đi qua vị trí đặt cảm biến, đầu ra các bộ cảm biến xuất hiện tín hiệu điện. Các tín hiệu này đợc các bộ khuyếch đại thích hợp tạo thành các xung điều khiển cho các bộ kết nối với máy vi tính. Bộ kết nối giữa thí nghiệm vật lý và máy tính ta có thể sử dụng IC vi xử lí AT89C52. IC AT89C52 hoạt động nh một máy tính mini độc lập: có bộ xử lí trung tâm (CPU), có 255 thanh ghi với bộ nhớ 64 KB, bộ nhớ số liệu động RAM 128 KB, 32 cổng giao tiếp vào ra (I/O ports), 2 ngắt (interrupts) ngoài và 3 ngắt trong, 2 bộ đếm thời gian (time & counter) với chế độ đếm tràn (overflow), 4KB ROM cho các lệnh Nhận bài ngày 16/10/2008. Sửa chữa xong 07/01/2008. Võ Thanh Cơng Tổng hợp dao động của con lắc kép, tr. 11-15 12 ngầm định, bộ tạo dao động OSC có thể hoạt động với dao động thạch anh (xtal), các đờng truyền số liệu 8 bit (parallel bus), đờng truyền số liệu nối tiếp (serial port) tốc độ cao vv phù hợp cho việc chế tạo các bộ kết nối thí nghiệm vật lý với máy vi tính. Xung điều khiển (từ các bộ cảm biến) đợc truyền tới các ngắt ngoài (chân P3.2 hoặc chân P3.3) của IC AT89C52. Với phần mềm cài sẵn IC AT89C52 sẽ xử lí các thông tin, sau đó gửi kết quả về máy tính để tính toán và hiển thị kết quả. Các thông tin đợc truyền từ chân TxD (Serial output port) của IC AT89C52 sang chân RxD (Receive Data) trên cổng RS232 của máy vi tính. Các chân cổng RS 232 của máy vi tính có sơ đồ nh hình 1, trong đó chân RxD là chân thứ 2. Mức điện áp logic của cổng RS 232 là hai mức +15V và -15V (ví dụ với đờng dữ liệu sử dụng logic âm, logic 1 có điện thế giữa -5V và -15V, logic 0 có điện thế giữa +5V và 15 V). Để truyền tín hiệu từ chân TxD của IC AT8952 (có điện áp từ 0V đến 5V) sang cổng RS 232 của máy tính ta phải truyền tín hiệu qua một IC có chức năng khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu ví dụ nh: IC H1N232CP hoặc Max232 [6] 1. TC AT89C52 2. Thạch anh 24 MHz 3. IC H1N 232 H.2 Mạch điện tử của bộ kết nối Có nhiều giải pháp khác nhau để chế tạo bộ kết nối tín hiệu từ các bộ cảm biến đến máy vi tính. Nhng phần mềm truyền số liệu từ IC vi xử lí và nhận số liệu từ cổng COM vào dữ liệu máy vi tính đều nh nhau. Để truyền số liệu từ IC AT89C52 ta làm nh sau: số liệu thực nghiệm (tín hiệu báo ngắt hoặc khoảng thời gian đo đợc giữa hai tín hiệu ngắt) đợc ghi nhận vào thanh ghi A (Accumulator register) của IC vi xử lí AT 89C52. Đoạn phần mềm sau (đợc viết trên ngôn ngữ C chuyên dùng cho lập trình IC vi xử lí IC AT89C52 [3]) sẽ truyền số liệu đã lu trên thanh ghi A sang cổng RS232 trong suốt thời gian giá trị TI = 1. out_pc: mov sbuf, A gửi giá trị trong thanh ghi A đến chân TxD jnb TI, $ chờ cho đến khi TI=1 clr TI Xoá TI (TI=0) ret Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 1A-2008 13 Để nhận số liệu vào máy vi tính, ta sử dụng phần mềm Visual Basic 6.0. Khi nhận tín hiệu từ AT89C52, máy tính tự động gọi hàm Private Sub Form Load () và chạy tất cả các hàm trong Private Sub Form Load () cho tới khi gặp lệnh End Sub: 1. Private Sub Load () 2. MSComm1.CommPort = 1 (đặt số hiệu cổng COM.) 3. MSComm1.Seting= 9600, n, 8, 1 (đặt tốc độ baud và số liệu truyền nhận). 4. MSComm1. PortOpen = True mã lệnh mở cổng COM. 5. End Sub Dòng 2 là lệnh khai báo cổng COM. Một máy vi tính có nhiều cổng COM. Sử dụng cổng COM nào ta khai báo cổng COM đó. Dòng 3 là khai báo tốc độ truyền tin. Baud là tốc độ truyền từng bit trên 1 giây, tốc độ baud bằng 9600 điều đó có nghĩa là 9600 bit dữ liệu truyền trong 1s. (Thông thờng một khung truyền (Frame) gồm 1 bit start và 1 bit stop và 8 bit dữ liệu, tổng cộng là 10 bit đợc gửi đi, do đó trong một giây với tốc độ baud 9600 cho phép truyền nhiều nhất 960 khung dữ liệu). Dòng thứ 4 là mã lệnh mở cổng COM. Hàm sau sẽ đợc chạy khi có bất cứ dữ liệu nào đợc gửi đến chân RxD của cổng COM. 1. Private Sub MSComm1_OnComm() 2. Dim s As String 3. s = MSComm1.Input 4. lblrec.Caption = CStr(Asc(MiD(s, Len(s),1))) 5. End Sub Dòng 1 và dòng 6 là mã lệnh bắt đầu và kết thúc hàm, dòng 2 ta khai báo chuỗi tên là s, dòng 3 đọc dữ liệu từ chân RxD vào chuỗi s, dòng 4 hiển thị kết quả cuối cùng từ chân RxD của cổng COM. Khi tắt chơng trình hàm sau sẽ đợc gọi: 1. Private Sub Form Unload ( Cancel As Integer) 2. MSComm1.PortOpen=False 3. End Sub Mã lệnh duy nhất trong hàm này là lệnh đóng cổng COM. Nh vậy bất cứ giá trị nào từ chân TxD của IC AT89C52 đều đợc truyền và hiển thị vào Form của Visual Basic. 3. Trên cơ sở các vấn đề đã trình bày trên, chúng tôi đã đa ra hai giải pháp nh sau để chế tạo bộ kết nối thí nghiệm Tổng hợp hai dao động của con lắc kép với máy vi tính. Trong thí nghiệm này cần đến hai thì kế (stopclock) để đo chu kỳ dao động của hai con lắc. Giải pháp 1: Các xung từ hai bộ cảm biến hồng ngoại đợc đa về hai ngắt ngoài của IC vi xử lí. IC vi xử lí AT89C52 đã đợc lập trình nh một thì kế. Nếu sử dụng thạch anh 24 MHz, với bộ đếm thời gian 1 (time & counter 1), thì kế đếm đợc khoảng thời gian nhỏ nhất là 1 à s. Bộ đếm thời gian 2 (time & counter 2) với sự hỗ trợ tín hiệu từ các ngắt ghi lại khoảng thời gian con lắc hai lần đi liên tiếp qua bộ cảm biến, các giá trị này ghi lại dới dạng mã thập phân (decode). Kết quả về việc Võ Thanh Cơng Tổng hợp dao động của con lắc kép, tr. 11-15 14 lập trình IC AT89C 52 để hoạt động nh thì kế đã đợc trình bày trong [4]. Các giá trị thời gian thu đợc dới dạng mã thập phân đợc chuyển qua cổng RS232 của máy vi tính. Phần mềm Visual Basic ghi lại các kết quả này để tính toán và vẽ đồ thị dao động của hai con lắc. Giải pháp 2: Cũng nh giải pháp 1 xung điều khiển từ các bộ cảm biến đợc đa về hai ngắt của IC vi xử lí. Khi một trong hai ngắt của IC vi xử lí AT AT89C52 nhận tín hiệu, IC vi xử lí chuyển ngay một con số (dạng mã thập phân) sang chân RxD. Với sự hỗ trợ của hai bộ định thời gian (biến timer của Windows) ta có thể thiết kế trong Visual Basic hai đồng hồ đếm chu kì dao động của hai con lắc. Mã dạng thập phân vừa đợc chuyển từ IC vi xử lí AT 89C52 sang máy vi tính đợc sử dụng nh mã lệnh điều khiển bộ đếm thời gian trong Visual Basic. Phần mềm thiết kế máy vi tính nh một thì kế điều khiển bằng chuột (mouse) đã đợc trình bày trong [5]. Ngoài ra cũng nh giải pháp 1, phần mềm Visual Basic đợc sử dụng để xử lí số liệu, tính toán kết quả và vẽ đồ thị. 4. Hai con lắc đợc liên kết với nhau bằng một lò xo đợc gọi là con lắc kép. Trong thí nghiệm Tổng hợp dao động của con lắc kép ta cần đo chu kỳ của các con lắc trong các trờng hợp chúng dao động cùng pha, ngợc pha và phách [1]. Trong bộ thí nghiệm của hãng Leybold Didatic phép đo thời gian đợc sử dụng bằng thì kế hiện số có bộ nhớ. Để thực hiện bài này ít nhất phải có hai sinh viên cùng thực hiện. Để nâng cao chất lợng đào tạo, trong thí nghiệm này chúng tôi đã sử dụng máy vi tính nh thì kế có bộ nhớ trong với dung lợng lớn, các kết quả đã đợc trình bày trong [5]. Phơng pháp đã tiết kiệm đợc thiết bị đo thời gian. Giáo viên ở trờng THPT không có thì kế hiện số có bộ nhớ, nếu có máy vi tính vẫn có thể làm đợc thí nghiệm trên. Với bộ kết nối tự chế bằng IC AT89C52, thí nghiệm Tổng hợp dao động của con lắc kép đã đợc tự động hoá hoàn toàn và độ chính xác cao. Ngoài ra, với u điểm của Visual Basic, các kết quả thí nghiệm có thể xử lí bằng máy vi tính với các phần mềm tự viết. Chúng tôi đã hớng dẫn thực hiện các giải pháp trên cho sinh viên khoa Vật lý, giải pháp 2 đợc sinh viên tiếp nhận nhanh hơn. Tuy nhiên, giải pháp 1 có độ chính xác hơn vì tất các giá trị thời gian đo đợc từ thực nghiệm đã xử lí trong IC vi xử lí, máy vi tính chỉ đóng vai trò tính toán, hiển thị kết quả, nhng giải pháp này đòi hỏi sinh viên phải thành thạo ngôn ngữ lập trình IC vi xử lí AT89C52. Bộ kết nối TN với máy tính bằng IC AT89C52 ngoài giá trị về kinh tế, dễ chế tạo và sử dụng còn có thể phổ biến rộng rãi cho giáo viên dạy thực hành môn vật lý và sinh viên. Các phần mềm cho IC AT89C52 và phần mềm Visual nói trên sau khi hoàn thành đợc lu lại dới dạng các bộ cài đặt (software), thuận tiện cho ngời sử dụng. Bộ kết nối với máy tính bằng IC AT89C52 có thể sử dụng trong nhiều thí nghiệm vật lý khác nhau. Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 1A-2008 15 Tài liệu tham khảo [1] Becker, University Physics experiments for scientists and engineers, Leybold Didatic Germany, 1992, pp. 47. [2] Đỗ Trần Cát, Phạm Khắc Hùng , Th viện phần mềm ứng dụng trong vật lý, Hà Nội, 1998, tr. 14. [3] Intel Corporation, MCS51 Microcontroller Family users manual, USA, 1997, pp. 17- 231. [4] Võ Thanh Cơng, Sử dụng IC vi xử lí MCS51 để chế tạo các bộ điều khiển từ xa cho các dụng cụ đo trong vật lý, Tạp chí Khoa học, Trờng Đại học Vinh, Tập 34, số 3A, 2005, tr. 11 - 16. [5] Võ Thanh Cơng và Nguyễn Viết Lan, Sử dụng phần mềm Visual Basic 6.0 hỗ trợ thí nghiệm nghiên cứu dao động của con lắc kép, Tạp chí giáo dục, số 10/2006, tr. 78 79. [6] Web site: http://Rocbydigkey.com/maxim, 5 V RS 232 transceiver with 0, 1 à F external capacitor, pp. 1-18. Summary Some solutions improving the Quality of the experiment Coupling oscillation of the double pendulums To improve the training quality of the Physics experiments in necessary. This paper with the mentioned purpose gave solutions to make interface of the experiment "Coupling oscillation of the double pendulums" and the computer. (a) Khoa vật lý, Trờng đại học Vinh. . Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 1A-2008 11 Một số giải pháp Nâng cao chất lợng Bài thí nghiệm Tổng hợp dao động của con lắc kép Võ Thanh Cơng (a) Tóm tắt. Nâng cao. nh: các thí nghiệm (TN) về định luật 2 Newton, TN về định luật bảo toàn động lợng, TN về tổng hợp dao động của hai con lắc kép, TN về con lắc thuận nghịch vv Để nâng cao chất lợng thí nghiệm. chất lợng đào tạo thí nghiệm vật lý là một việc làm cần thiết. Với mục đích trên, trong bài báo này chúng tôi đa ra một số giải pháp tự chế tạo bộ kết nối thí nghiệm Tổng hợp dao động của con