Ứng dụng vi điều khiển arduino và cảm biến lực để chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện

iệm 
Mô hı̀nh bô ̣thı́ nghiêṃ đươc̣ mô tả trong Hı̀nh 1 gồm một nam châm điện chữ U được 
gắn chặt vào động cơ bước và có thể xoay quanh trục OO’ (Hình 1a); khung dây có một đầu 
gắn cố định vào cảm biến lực, đầu còn lại đặt trong vùng từ trường tạo ra bởi nam châm. Khi 
có dòng điện chạy qua, nam châm điện tạo ra một từ trường có cảm ứng từ B, tác dụng lực 
từ F lên đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện cường độ I chạy qua đặt trong vùng từ trường đó. 
Theo định luật Ampere, lực từ F được xác định bởi: 
sinF IBl α= (2.1) 
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Nguyễn Thành Phúc và tgk 
1329 
trong đó, l và α lần lượt là chiều dài của đoạn dây và góc hợp bởi phương của từ trường và 
dòng điện. Trong mô hình này, góc α thay đổi liên tục khi động cơ bước quay khung dây 
ABCD theo trục OO’, cảm ứng từ B và cường độ dòng điện I chạy qua dây dẫn được điều 
khiển bởi hệ thống điều khiển trung tâm. Do tính chất đối xứng, lực từ tác dụng lên cạnh AD 
và BC cân bằng nhau, do đó giá trị mà cảm biến lực đo đạc được chính là lực từ tác dụng lên 
cạnh dưới CD của khung dây. Mô hình này có thể nghiên cứu mối liên hệ giữa lực tương tác 
từ F và góc α cũng như so sánh mối liên hệ này với biểu thức thức lí thuyết (2.1) của Định 
luật Ampere. 
2.2. Hệ thống điều khiển trung tâm 
Hình 2 mô tả hệ thống điều khiển trung tâm, trong đó vi điều khiển Arduino có nhiệm 
vụ ghi nhận giá trị của cảm biến lực sau khi đã được khuếch đại tín hiệu; điều khiển cường 
độ dòng điện qua nam châm điện và khung dây thông qua hệ thống điều khiển cường độ 
dòng điện. Đồng thời, vi điều khiển Arduino điều khiển động cơ bước để làm quay nam 
châm. Các kết quả thí nghiệm được hiển thị trên màn hình LCD và các thông số khi thực 
hiện thí nghiệm được điều chỉnh thông qua các nút nhấn. 
Hình 2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển trung tâm 
2.3. Hệ thống điều khiển cường độ dòng điện 
Hệ thống điều khiển cường độ dòng điện (Hình 3) sử dụng một vi mạch khuếch đại 
thuật toán OpAmp (Operational Amplifier) LM324 và một transistor hiệu ứng trường 
MOSFET N-Chanel. Khi Mosfet chuyển từ trạng thái ngắt sang trạng thái dẫn bằng tín hiệu 
điều khiển từ Arduino là Vc đã được khuếch đại bởi OpAmp LM324, dòng điện từ nguồn 
điện thế sẽ đi qua điện trở R3 và nam châm hoặc khung dây (Hình 3a). Vì dòng điện qua hai 
điện trở R1 và R2 rất nhỏ nên cường độ dòng điện qua nam châm hoặc khung dây bằng với 
dòng điện qua điện trở R3, và được xác định bởi công thức: 
3
CVI
R
 (2.2) 
Vi điều khiển Arduino Hệ thống điều khiển cường độ dòng điện
Nam châm điện 
hình chữ U
Khung dâyCảm biến lực và hệ thống 
khuếch đại tín hiệu
LCD và các nút nhấn
Động cơ bước
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Tập 17, Số 8 (2020): 1327-1335 
1330 
Hình 3. (a) Sơ đồ hệ thống điều khiển cường độ dòng điện sử dụng 
(b) OpAmp khuếch đại LM324 và (c) Mosfet N-Chanel IRF640 
2.4. Cảm biến lực và hệ thống khuếch đại tín hiệu 
Cảm biến lực là thiết bị dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện. 
Trong nghiên cứu này, cảm biến lực Wãgezellen 104 0,3kg (Hình 4a) được sử dụng vì có độ 
bền cao, độ nhạy 0,9mV/V phù hợp với mô hình thí nghiệm. Tín hiệu ngõ ra của cảm biến 
lực được khuếch đại bằng vi mạch khuếch đại vi sai INA125P (Hình 4b) và được chuyển đổi 
từ dạng tín hiệu tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital) bằng bộ chuyển đổi ADC 
ADS1115 (Hình 4c) trước khi đưa vào vi điều khiển Arduino. Hệ thống khuếch đại tín hiệu 
hoạt động ổn định, ít tiêu hao năng lượng, có khả năng khuếch đại lên tới 10.000 lần và cho 
sai số của giá trị lực đo đạc được là 0,2mN. 
Hình 4. (a) Cảm biến lực Wãgezellen 104 0,3kg và hệ thống khuếch đại tín hiệu sử dụng 
(b) IC khuếch đại vi sai INA125P và (c) bộ chuyển đổi ADC ADS1115 
3. Kết quả và bàn luận 
3.1. Bộ thí nghiệm hoàn chỉnh 
Bộ thí nghiệm hoàn chỉnh được mô tả như Hình 5. Để đảm bảo sự bền vững, ít rung động 
có thể ảnh hưởng đến kết quả đo, khung nhôm (8) được nghiên cứu thiết kế và chế tạo để chứa 
toàn bộ hệ thống thí nghiệm. Cảm biến lực (1) được gắn cố định vào khung nhôm. Khung dây 
(2) gồm 10 vòng dây, kích thước 4cm × 9cm với cạnh trên được gắn cố định vào cảm biến lực 
và cạnh dưới nằm trong vùng từ trường đều do nam châm chữ U (3) tạo ra. Tấm nhôm (4) cố 
định với khung nhôm với mục đích làm bệ đỡ cho nam châm điện chữ U và bảo vệ hệ thống 
điều khiển. Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến lực và điều chỉnh dòng điện đi qua 
khung dây và nam châm điện thông qua hệ thống dây dẫn. Các tấm mica (9) được ốp vào khung 
nhôm góp phần làm chắc chắn bộ thí nghiệm, hạn chế những tác động ngoại vi tác dụng vào 
cảm biến lực trong quá trình đo, giúp việc đo đạc được chính xác hơn. Hai công tắc (6) đảo 
chiều dòng điện đi qua nam châm điện hình chữ U và khung dây. Màn hình LCD 16×2 (5) và 
các nút nhấn (7) hiển thị kết quả đo và thay đổi các thông số trong quá trình làm thí nghiệm. 
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Nguyễn Thành Phúc và tgk 
1331 
Hình 5. Bộ thí nghiệm hoàn chỉnh bao gồm: (1) cảm biến lực; (2) khung dây 4cm × 9cm; 
(3) nam châm điện; (4) giá đỡ; (5) màn hình LCD 16×2; (6) công tắc đảo chiều; (7) các nút 
nhấn; (8) hệ thống khung nhôm và (9) các tấm mica 
3.2. Khảo sát từ trường tạo ra bởi nam châm điện 
Theo lí thuyết đã xây dựng ở phần 2.1, từ trường giữa hai bản kim loại của nam châm 
điện chữ U là từ trường đều. Tuy nhiên trong thực tế, từ trường này không đều. Ngoài ra, 
vẫn có lực từ tác dụng lên cạnh trên của khung dây nên ảnh hưởng tới kết quả đo của cảm 
biến lực. Do đó, việc khảo sát từ trường do nam châm điện chữ U tạo ra là cần thiết. Tiến 
hành khảo sát từ trường trong vùng không gian có kích thước 12cm × 10cm × 9cm với hệ 
toạ độ được biểu diễn như Hình 6a khi cường độ dòng điện qua nam châm có giá trị lần lượt 
là 0,5A và 1,0A. Giá trị cảm ứng từ được đo đạc bằng đầu dò từ trường do hãng Leybold sản 
xuất (Hình 6b) với độ chính xác là 0,01mT và giới hạn đo là 20T. Kết quả đo đạc được biểu 
diễn trong đồ thị Hình 7. 
Hình 6. Khảo sát từ trường do nam châm điện hình chữ U t 
ạo ra với hệ toạ độ được mô tả trong hình (a) bằng thiết bị đo cảm ứng từ (b) 
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Tập 17, Số 8 (2020): 1327-1335 
1332 
Hình 7. Đồ thị biểu diễn giá trị cảm ứng từ do nam châm điện chữ U 
gây ra khi cường độ dòng điện qua nam châm điện là 0,5A (a) và 1,0A (b) 
Có thể thấy rằng, từ trường do nam châm điện chữ U tạo ra là không đều và có sự 
chênh lệch tương đối lớn giữa mặt phẳng chứa cạnh trên và cạnh dưới của khung dây. Tuy 
nhiên, giá trị cảm ứng từ trong mỗi mặt phẳng tương đối đồng đều, do đó giá trị lực từ tác 
dụng lên khung dây có thể được xác định bằng cách tính trung bình các giá trị cảm ứng từ 
trong mặt phẳng chứa cạnh trên và cạnh dưới. Các giá trị này được thể hiện trong Bảng 1. 
Bảng 1. Giá trị cảm ứng từ trung bình trong mặt phẳng chứa cạnh trên và cạnh dưới 
 của khung dây ở các giá trị cường độ dòng điện qua nam châm khác nhau 
Cường độ dòng điện 
đi qua nam châm (A) 
Cảm ứng từ trung 
bình ở cạnh dưới 
dB (mT) 
Cảm ứng từ trung 
bình ở cạnh trên 
tB (mT) 
Tỉ số d
t
B
B
I = 0,5 6,72 1,61 4,17 
I = 1,0 13,26 3,12 4,10 
I = 1,5 19,01 4,72 4,03 
I = 2,0 25,40 6,14 4,13 
Từ Bảng 1, giá trị trung bình của cảm ứng từ trong mặt phẳng chứa cạnh trên và cạnh 
dưới của khung dây tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện đi qua nam châm. Quan trọng hơn, 
tỉ số giữa giá trị cảm ứng từ trung bình trong mặt phẳng chứa cạnh dưới và cạnh trên gần 
như là hằng số khi cường độ dòng điện qua nam châm thay đổi, do đó các giá trị này có thể 
được sử dụng khi tính toán giá trị lực từ tác dụng lên khung dây. 
3.3. Thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên khung dây đặt trong từ trường 
Thực hiện thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên khung dây đặt trong từ trường ở các 
giá trị cường độ dòng điện qua nam châm và khung dây khác nhau để đánh giá sự ổn định 
và chính xác của bộ thí nghiệm. Vì khung dây gồm N vòng dây và lực từ tác dụng lên cả 
cạnh trên và cạnh dưới của khung dây nên công thức (2.1) được viết lại thành: 
( ) sind tF NI B B l α= − (3.1) 
trong đó, tB và dB lần lượt là cảm ứng từ trung bình trong mặt phẳng chứa cạnh trên và 
cạnh dưới của khung dây được liệt kê trong Bảng 1. Động cơ bước được điều khiển để làm 
quay nam châm quanh trục với bước quay 50 và đo lực từ ở từng vị trí tương ứng. Tiến hành 
thí nghiệm với cường độ dòng điện qua nam châm và khung dây tăng dần từ 0,5A đến 2,0A. 
Các kết quả thu đo đạc được thể hiện trong các đồ thị Hình 8. 
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Nguyễn Thành Phúc và tgk 
1333 
Hình 8. Các điểm thực nghiệm và đường khớp hàm biểu diễn sự phụ thuộc của lực từ 
tác dụng lên khung dây khi cường độ dòng điện qua nam châm tăng dần từ 0,5A đến 2,0A 
Khớp các điểm thực nghiệm đo đạc được theo hàm: 
 (3.2) 
trong đó A là một hằng số và Y, X lần lượt là lực tương tác từ và góc α hợp giữa phương từ 
trường và dòng điện. So sánh công thức (3.1) và (3.2) thì: 
( )d tA NI B B l= − (3.3) 
chính là độ lớn của lực từ cực đại tác dụng lên khung dây. Các kết quả thực nghiệm được 
liệt kê trong Bảng 2. 
Bảng 2. Kết quả thí nghiệm khảo sát giá trị lực từ cực đại tác dụng lên khung dây 
N = 10 vòng dây; l = 0,04 m 
Inam châm 
(A) 
d tB B 
(mT) 
Ikhung dây 
(A) 
maxF lí thuyết 
(mN) 
maxF thực nghiệm 
(mN) 
Hệ số tương 
quan (%) 
Độ sai biệt 
δ (%) 
0,5 5,11 
0,5 1,0 1,2 98,3 20 
1,0 2,0 2,3 98,9 15 
1,5 3,1 3,3 99,4 6,5 
2,0 4,0 4,1 99,2 2,5 
1,0 10,14 0,5 2,0 2,2 99,7 10 
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Tập 17, Số 8 (2020): 1327-1335 
1334 
1,0 4,1 4,3 99,9 4,9 
1,5 6,1 6,7 99,4 9,8 
2,0 8,0 8,8 99,6 10 
1,5 14,29 
0,5 2,9 2,8 99,7 3,4 
1,0 5,7 5,5 99,9 3,5 
1,5 8,6 8,5 99,4 1,2 
2,0 11,4 11,1 99,6 2,6 
2,0 19,26 
0,5 3,9 3,6 99,7 7,7 
1,0 7,7 7,2 98,7 6,5 
1,5 11,6 11,7 99,5 1,0 
2,0 15,4 15,3 99,2 1,0 
Từ Bảng 2, hệ số tương quan giữa các dữ liệu thực nghiệm và các đường khớp hàm rất 
cao, giá trị thấp nhất là 98,3%, chứng tỏ mối quan hệ giữa lực tương tác từ F và góc α hợp 
giữa phương từ trường và dòng điện theo qui luật hàm sin, phù hợp với công thức lí thuyết 
(2.1) và (3.1) đã được xây dựng. Điều này khẳng định các giá trị thu được từ cảm biến lực 
có độ chính xác cao và đáng tin cậy. 
Ngoài ra, độ sai biệt δ giữa lực từ cực đại Fmax theo lí thuyết và thực nghiệm đều nhỏ 
hơn 10%, chỉ có hai trường hợp đầu tiên trong Bảng 2, chứng tỏ cảm biến lực chưa đủ độ 
nhạy để có thể đo đạc chính xác các lực có giá trị nhỏ hơn 2,5mN. Đây là một điều cần cải 
tiến trong bộ thí nghiệm này. 
4. Kết luận 
Từ các kết quả thu được, có thể thấy rằng bộ thí nghiệm hoạt động ổn định, sai số 
tương đối không quá 10%. Ngoài ra, bộ thí nghiệm này còn cho phép ta kiểm chứng được 
bằng thực nghiệm về mối quan hệ giữa lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện với các 
đại lượng vật lí khác được suy ra từ tính toán lí thuyết, thông qua hệ số tương quan thu được 
không dưới 98,3%. Tuy nhiên, bộ thí nghiệm còn tồn tại một số hạn chế như cảm biến lực 
vẫn chưa thể đo đạc chính xác các giá trị quá nhỏ hơn 2,5mN và bộ thí nghiệm vẫn chưa thể 
hoàn toàn tự động cập nhật các giá trị lên máy vi tính. Nếu cải tiến được các hạn chế này, bộ 
thí nghiệm có thể được sử dụng vào quá trình dạy học phát triển năng lực vật lí cho học sinh 
về từ trường trong chương trình Vật lí 12. 
 Tuyên bố về quyền lợi: Các tác giả xác nhận hoàn toàn không có xung đột về quyền lợi. 
 Lời cảm ơn: Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí 
Minh đã tạo điều kiện nghiên cứu thông qua Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường mã số 
CS.2018.19.52. 
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Nguyễn Thành Phúc và tgk 
1335 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Book and Educational Equipment Joint Stock Company of Ho Chi Minh City (9/12/2019). An 
apparatus about magnetic force and electromagnetic induction [Bo thi nghiem luc tu va cam 
ung dien tu]. Retrieved from: https://www.stb.com.vn/vi/thia-t-ba-thpt/vat-li-thpt/bo-tn-luc-
tu-va-cam-ung-dien-tu.html 
Pasco (9/12/2019). Magnetic Forces on Wires Experiment. Retrieved from: 
https://www.pasco.com/prodCatalog/EX/EX-9933_magnetic-forces-on-wires-
experiment/index.cfm 
Ministry of Education and Training (2018). Chuong trinh giao duc pho thong mon Vat li [Physics 
General Education Curriculum]. Hanoi. 
Ngo, M. N., & Nguyen, L. D. (2018). Ung dung cong nghe Bluetooth va cam bien anh sang de thiet 
ke he thong ve cuong do van giao thoa, nhieu xa [Applying Bluetooth wireless technology and 
light intensity sensor to fabricate a light interfering drawing system]. Ho Chi Minh City 
University of Education Journal of Science, 15(12), 113-122. 
Nguyen, T. P., Phan, N. H., Tran, T. P., Ngo, M. N., & Nguyen, L. D. (2018). Che tao bo thi nghiem 
do dac tu dong dac tuyen Volt-Ampere mot so linh kien dien tu nham phuc vu giang day Vat 
li 11 trung hoc pho thong [Fabricating an experimental system to automatically measure I-V 
curves of some devices for teaching in high school (Grade 11)]. Journal of Science The 
University of Danang – University of Science and Education, 298(3), 92-97. 
Nguyen, T. P., Quach, U. L., Ngo, M. N., & Nguyen, L. D. (2019). Ung dung cam bien luc va vi dieu 
khien Arduino de thiet ke bo thi nghiem khao sat he so ma sát [The application of force sensor 
and Arduino microcontroller in designing an apparatus examining the frictional coefficient]. 
Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, 16(4), 81-89. 
THE APPLICATION OF ARDUINO MICROCONTROLLER 
 AND FORCE SENSOR IN FABRICATING AN APPARATUS EXAMINING 
 MAGNETIC FORCE ACTING ON A CURRENT-CARRYING STRAIGHT WIRE 
Nguyen Thanh Phuc, Le Lam Anh Phi, Ngo Minh Nhut, 
Nguyen Hoang Long, Nguyen Tan Phat*, Nguyen Lam Duy 
Physics Department, Ho Chi Minh City University of Education, Vietnam 
*Corresponding author: Nguyen Tan Phat – Email: phatnt@hcmue.edu.vn 
Received: December 12, 2019; Revised: January 07, 2020; Accepted: August 20, 2020 
ABSTRACT 
An apparatus, which is fabricated by using Arduino microcontroller and force sensor, is used 
to examine the magnetic force on the current-carrying rectangular wire frame caused by the 
magnetic field generated by a U-shaped electromagnet. This apparatus can measure the magnetic 
force automatically and continuously with less than 10% error between theory and experiment. The 
Arduino microcontroller is programmed to rotate the electromagnet around a fix axis, i.e. changing 
the angle formed by the direction of the magnetic field and the electric current. However, the force 
sensor has not been optimal in below 2,5mN force regime and the data acquisition has not been fully 
automated. Once these limits are overcome, high-school teachers can use this apparatus to develop 
students’ competencies in Physics grade 12 of General Education Program 2018. 
Keywords: magnetic field; current-carrying wire; Arduino; force sensor; experimental 
apparatus