Khi đi siêu thị, bạn chọn những trái cây và rau củ chín như thế nào? Bạn có thể nhìn vào kích thước, màu sắc hoặc sờ vào để kiểm tra độ chắc của chúng. Điều đó có thể dễ dàng khi bạn chỉ chọn một vài quả táo, nhưng hãy tưởng tượng nếu bạn phải kiểm tra hàng ngàn quả táo đang mọc trong một cánh đồng, hoặc những quả dâu tây đang trên băng tải chuẩn bị được đóng gói. Đột nhiên, nó trở nên khó khăn hơn nhiều để làm điều đó bằng tay! Nếu có một máy có thể thu hoạch và phân loại các loại trái cây thì sẽ tuyệt vời biết bao. Trong dự án này, bạn sẽ giải quyết một phần của vấn đề bằng cách xây dựng một mạch điện có thể phân biệt hai màu sắc khác nhau.
Lĩnh vực Khoa học
- Điện và Điện tử
- Sinh học Thực vật
- Công nghệ Nông nghiệp
Độ khó
- Khó
Thời gian cần thiết
- Trung bình (6-10 ngày)
Chi phí
- Thấp (20 – 50 đô la)
An toàn
- Các đoản mạch có thể rất nóng. Hãy làm theo hướng dẫn cẩn thận để tránh các đoản mạch.
Mục tiêu
- Đo lường điện tử cách ánh sáng phản chiếu từ các bề mặt có màu sắc khác nhau, và xây dựng một mạch điện có thể phân biệt giữa trái cây xanh và đỏ.
Các khái niệm và thuật ngữ
- Ánh sáng khả kiến
- Phổ điện từ
- Bước sóng
- Phản chiếu
- Hấp thụ
- Truyền qua
- Đèn phát sáng (LED)
- Điện trở quang
- Điện trở
- Điện trở (ohm Ω)
- Biến trở
Giới thiệu
Nhiều loại trái cây và rau củ thay đổi màu sắc khi chín. Ví dụ, cà chua, dâu tây và ớt chuông đỏ đều chuyển từ màu xanh sang đỏ. Màu sắc chỉ là một cách (cùng với kích thước, cấu trúc và mùi) để bạn có thể biết liệu một trái cây hay rau củ có sẵn sàng để thu hoạch hoặc ăn hay không. Hãy tưởng tượng một nhà máy đóng gói dâu tây vào những hộp nhựa để chuyển đến các siêu thị trên khắp đất nước. Có thể sẽ hữu ích nếu có một máy tự động loại bỏ bất kỳ quả dâu xanh nào được hái trước khi chín. Hoặc, bạn có thể muốn một chiếc máy trên trang trại tự động nhận ra dâu tây bằng màu sắc và chỉ hái những quả đỏ. Trong dự án này, bạn sẽ xây dựng một mạch điện sử dụng ánh sáng khả kiến, phần của phổ điện từ mà mắt chúng ta có thể phát hiện, để tự động phân biệt giữa các vật thể màu đỏ và xanh.
Ánh sáng khả kiến xuất hiện với tất cả các màu của cầu vồng (được đo bằng bước sóng). Ánh sáng có thể phản chiếu hoặc hấp thụ bởi các bề mặt khác nhau (hoặc truyền qua một bề mặt trong suốt). Các màu sắc mà chúng ta nhìn thấy trong thế giới phụ thuộc vào những màu nào được phản chiếu trở lại mắt chúng ta. Ánh sáng trắng (từ mặt trời hoặc hầu hết các bóng đèn) chứa nhiều màu sắc khác nhau. Khi nhìn vào một bề mặt được chiếu sáng bằng ánh sáng trắng, một số màu bị hấp thụ bởi bề mặt, và chúng ta nhìn thấy màu hoặc màu sắc được phản chiếu trở lại. Ví dụ, một vật thể mà chúng ta nhìn thấy là màu đỏ chủ yếu phản chiếu ánh sáng đỏ và hấp thụ các màu khác (Hình 1, bên trái). Các vật thể mà chúng ta nhìn thấy là màu trắng phản chiếu tất cả các màu, và các vật thể mà chúng ta nhìn thấy là màu đen hấp thụ tất cả các màu.
Hình 1. Khi ánh sáng trắng chiếu trên một bề mặt, một số màu sắc bị hấp thụ, và những màu sắc khác được phản chiếu trở lại mắt chúng ta.
Điều gì xảy ra nếu, thay vì ánh sáng trắng, bạn chỉ chiếu một màu sắc cụ thể lên một bề mặt? Ví dụ, nếu bạn chiếu ánh sáng đỏ lên một bề mặt đỏ, ánh sáng đỏ đó sẽ được phản chiếu lại. Tuy nhiên, nếu bạn chiếu ánh sáng đỏ lên một bề mặt xanh, ánh sáng đỏ sẽ bị hấp thụ (Hình 2). Nếu bề mặt xanh chỉ được chiếu sáng bằng ánh sáng đỏ, nó sẽ xuất hiện màu đen.
Hình 2. Ánh sáng đỏ được phản chiếu bởi một bề mặt đỏ và bị hấp thụ bởi một bề mặt xanh.
Bạn có thể sử dụng thông tin này để xây dựng một mạch điện tử sử dụng một đèn phát sáng (LED) và một điện trở quang. LED là một loại đèn nhỏ có nhiều màu sắc khác nhau. Điện trở quang là một loại điện trở đặc biệt. Điện trở là các bộ phận điện tử làm chậm dòng điện (độ điện trở của chúng được đo bằng ohm [Ω]). Điện trở của một điện trở quang phụ thuộc vào ánh sáng – nó có điện trở cao trong bóng tối và điện trở của nó giảm khi tiếp xúc với ánh sáng. Khi kết hợp, một LED màu và một điện trở quang có thể được sử dụng để phân biệt giữa hai màu khác nhau, như được mô tả trong Hình 3 (để xác định bất kỳ màu nào đòi hỏi nhiều LED khác nhau). Trong dự án này, bạn sẽ đo lường sự thay đổi điện trở của điện trở quang khi bạn chiếu sáng các bề mặt màu sắc khác nhau với một LED đỏ, và sau đó sử dụng thông tin đó để xây dựng một mạch có thể phân biệt giữa các bề mặt đỏ và xanh. Hãy coi đây là bước đầu tiên trong việc xây dựng một robot nông nghiệp tự động!
Hình 3. Sơ đồ về cách một LED và điện trở quang có thể được sử dụng để phát hiện màu sắc của một bề mặt bằng cách đo lường ánh sáng phản chiếu. (Hình ảnh điện trở quang và LED tín dụng Fritzing.org)
Câu hỏi
- Bạn có thể nhận biết khi nào trái cây hoặc rau củ chín bằng những cách khác nào ngoài quan sát màu sắc?
- Trong những tình huống nào sẽ hữu ích khi có một máy có thể phát hiện trái cây chín?
- Điện trở của một điện trở quang tăng hay giảm khi nhiều ánh sáng chiếu vào nó?
- Nếu bạn chiếu ánh sáng đỏ lên một bề mặt màu xanh (tương tự như Hình 3), điện trở của điện trở quang sẽ cao hay thấp?
Vật liệu và Thiết bị
- Giấy màu xây dựng đa màu
- Bìa cứng gợn sóng
- Băng dính
- Hộp các-tông nhỏ hoặc sách dày
- Trái cây hoặc rau củ màu xanh và đỏ. Nếu bạn có vườn riêng, bạn có thể trồng và thu hoạch trái cây hoặc rau củ ở các thời điểm khác nhau. Nếu không, bạn có thể đến siêu thị và mua hai màu khác nhau (ví dụ, cà chua xanh và đỏ).
- Các linh kiện điện tử sau, có sẵn từ Jameco Electronics:
- Đồng hồ vạn năng kỹ thuật số. Xem hướng dẫn đồng hồ vạn năng của chúng tôi nếu bạn không biết cách sử dụng đồng hồ vạn năng.
- Breadboard không hàn, part # 20601
- Dây kẹp cực (gói 2), part #2185483
- Bộ dây jumper, như part #2127718
- Giá đỡ pin 3xAA, part #216136
- Pin AA (chỉ cần 3 viên, nhưng được bán theo lô 4 viên), part #198707
- Đèn LED đỏ trong suốt siêu sáng (3), part #2188449. Chỉ cần một cái, nhưng chúng tôi khuyên bạn nên mua thêm vì LED có thể bị cháy nếu kết nối không đúng cách.
- Transistor MOSFET kênh N, part #2001373
- Điện trở quang, part #202420
- Biến trở 10 kΩ, part #2118791
- Đèn LED đỏ mờ (chỉ cần 1, nhưng được bán theo lô 10), part #333973
- Điện trở 120 Ω (chỉ cần 2, nhưng được bán theo lô 10), resistor carbon film part #690646
- Sổ tay thí nghiệm
Lưu ý: Các công thức công ty tham gia chương trình liên kết với Home Science Tools, Amazon.com, Carolina Biological và Jameco Electronics. Tiền hoa hồng từ các chương trình liên kết này giúp hỗ trợ Science Buddies, một tổ chức từ thiện công cộng 501(c)(3), và giữ cho các nguồn lực của chúng tôi miễn phí cho mọi người.
Quy trình thực nghiệm
Xây dựng và Kiểm tra Mạch Đo Ánh sáng của Bạn
Lắp ráp mạch trên breadboard như được chỉ dẫn trong slide trình chiếu (đảm bảo đọc chú thích!) và Bảng 1. a. Nếu bạn chưa từng sử dụng breadboard trước đây, hãy xem video Cách Sử dụng Breadboard trước khi bắt đầu xây dựng mạch của bạn. b. Lưu ý rằng bộ dây jumper của bạn sẽ đi kèm với nhiều màu khác nhau. Bạn không cần phải sử dụng những màu khớp với sơ đồ. c. Luôn kết nối pin cuối cùng khi lắp ráp mạch. Nếu bạn thấy hoặc ngửi khói, hoặc bất kỳ bộ phận nào của mạch bị nóng, hãy ngắt kết nối pin ngay lập tức. Điều này có nghĩa là bạn đã bị đoản mạch và cần kiểm tra lại đấu dây.
Thiết lập thí nghiệm như đã chỉ dẫn trong Hình 4. a. Dán breadboard của bạn vào một miếng bìa cứng. b. Dán một hộp giấy cách cạnh của breadboard khoảng 1 cm. Khoảng cách chính xác không quan trọng, miễn là vẫn giữ nguyên trong suốt thí nghiệm của bạn. c. Uốn cong LED và điện trở quang 90° sang một bên, để cả hai đều hướng về hộp giấy. d. Cắt một miếng giấy đen nhỏ và dán quanh cạnh của điện trở quang, để chỉ mặt trước được hở ra. Điều này sẽ giúp điện trở quang chủ yếu đo lường ánh sáng phản chiếu, chứ không phải ánh sáng xung quanh đến từ các hướng khác.
Hình 4. Thiết lập thí nghiệm cho mạch đo ánh sáng.
- Cắt các hình vuông (khoảng 6×6 cm) từ các mảnh giấy đen, trắng, đỏ, xanh lá cây và xanh lục. Kiểm tra xem bạn có thể đặt các hình vuông giấy màu nằm phẳng lên hộp giấy mà không bị rơi xuống không. Nếu cần, bạn có thể dùng băng dính để giữ chúng.
- Ngay cả khi đã bọc giấy đen xung quanh, điện trở quang vẫn nhạy cảm với mức ánh sáng xung quanh. Điều quan trọng là bạn phải thực hiện thí nghiệm trong một phòng có mức ánh sáng không đổi. Ví dụ, tránh làm thí nghiệm vào một ngày có nửa đầu nhiều mây đối với một phòng có nhiều cửa sổ, vì mức độ ánh sáng có thể thay đổi khi có mây che nắng.
- Tạo một bảng dữ liệu giống như Bảng 2 trong sổ tay thí nghiệm của bạn.
Bảng 2. Bảng dữ liệu để ghi lại giá trị điện trở.
| Màu giấy | Lần thử 1 (kΩ) | Lần thử 2 (kΩ) | Lần thử 3 (kΩ) | Trung bình (kΩ) |
|---|---|---|---|---|
| Đen | ||||
| Trắng | ||||
| Đỏ | ||||
| Xanh lục | ||||
| Xanh lá |
- Kiểm tra lại mạch của bạn. Đảm bảo pin đã bật, đèn LED sáng và đồng hồ vạn năng được kết nối và đặt để đo điện trở trong phạm vi 20 kΩ.
- Đặt một hình vuông giấy đen trước điện trở và đèn LED. Đọc giá trị điện trở từ đồng hồ vạn năng của bạn và ghi lại vào bảng dữ liệu.
- Lặp lại bước 7 cho từng màu khác.
- Lặp lại các bước 7–8 hai lần nữa, với tổng cộng ba lần thử với mỗi màu.
- Tính giá trị điện trở trung bình cho mỗi màu và tạo một biểu đồ cột cho kết quả của bạn.
- Phân tích kết quả của bạn. a. Bạn có thấy sự khác biệt lớn về điện trở giữa bất kỳ hai màu nào không? b. Có màu nào có điện trở tương đương nhau không? c. Giả sử giá trị điện trở là thông tin duy nhất bạn có sẵn (bạn không thể thực sự nhìn thấy bề mặt bạn đang đo). Bạn có thể xác định màu của bề mặt từ giá trị đó không?
Xây dựng một Mạch để Phân biệt Trái cây Đỏ và Xanh
Trong phần này, bạn sẽ sử dụng thông tin bạn đã học được trong phần trước để xây dựng một mạch có thể phân biệt giữa trái cây đỏ và xanh. Nó sẽ bật sáng một đèn LED thứ hai khi trái cây đỏ được đặt trước nó, và đèn LED sẽ tắt khi bạn sử dụng một quả xanh (Hình 5). Bạn sẽ cần phải điều chỉnh để làm cho mạch hoạt động hoàn hảo. Xem phần ghi chú kỹ thuật để hiểu rõ hơn về cách hoạt động của mạch (bạn không cần phải hiểu hoàn toàn cách mạch hoạt động để hoàn thành dự án).
Hình 5. Khái niệm về một mạch phát hiện màu sắc để tách biệt trái cây chín (đỏ) và chưa chín (xanh).
Ghi chú kỹ thuật
Hình 6 cho thấy sơ đồ mạch cho mạch này. Nó sử dụng một số bộ phận bổ sung mà bạn chưa sử dụng trong mạch đầu tiên của mình. Xem phần tham khảo nâng cao của danh mục tài liệu tham khảo để tìm hiểu thêm về các thành phần này.
- Một biến trở là một loại điện trở biến đổi. Điện trở của nó có thể được điều chỉnh bằng cách xoay một nút. Biến trở được sử dụng để điều chỉnh mức độ nhạy với ánh sáng của mạch.
- Biến trở được kết hợp với điện trở quang để tạo thành một bộ chia áp. Một bộ chia áp sử dụng hai điện trở để lấy một điện áp đầu vào (V1> trong Hình 6) và giảm (hoặc “chia”) nó một lượng nhất định. Điện áp đầu ra (V2) phụ thuộc vào giá trị của hai điện trở đó. Trong mạch này, những điện trở đó phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu vào điện trở quang, và cách bạn đã điều chỉnh nút xoay của biến trở tương ứng. Khi nhiều ánh sáng chiếu vào điện trở quang, điện áp đầu ra sẽ tăng lên.
- Đầu ra của bộ chia áp được gửi đến đầu vào của một transistor. Một transistor hoạt động giống như một van có thể điều khiển dòng điện qua một thứ gì đó khác, như một động cơ, còi hoặc đèn LED. Trong mạch này, khi điện áp đầu vào của transistor vượt quá một ngưỡng nhất định (điều này xảy ra khi có đủ ánh sáng được phản chiếu trở lại điện trở quang), nó sẽ khiến một đèn LED thứ hai bật sáng.
Hình 6. Sơ đồ cho mạch phát hiện màu sắc. Nếu bạn không biết những ký hiệu này có nghĩa gì, hãy xem tham khảo “Cách Đọc Sơ đồ Mạch” trong danh mục tài liệu tham khảo.
- Lắp ráp mạch mới của bạn như được chỉ dẫn trong slide trình chiếu (đảm bảo đọc chú thích!) và Bảng 3. Ngắt kết nối pin trong khi bạn đang lắp ráp mạch mới của mình, và kết nối lại vào cuối.
Bảng 3. Hướng dẫn lắp ráp cho mạch. Đồ họa tín dụng Fritzing.org.
| Bộ phận | Ghi chú |
|---|---|
| Điện trở quang | J16 đến J18, Hướng không quan trọng |
| Điện trở 120 Ω | (+) bus đến F13, Hướng không quan trọng |
| Đèn LED đỏ trong suốt | Chân dài đến J13, chân ngắn đến J15. Hướng quan trọng! Đèn LED sẽ không sáng nếu bạn đảo ngược hai chân. |
| Dây jumper (6 cái) | (-) bus đến F15, (+) bus đến F16, (-) bus đến A20, (-) bus đến F27, E19 đến F18, G18 đến G25. Màu sắc không quan trọng. |
| Transistor | Với chữ viết hướng sang trái, chân vào H25, H26, H27. Hướng quan trọng! |
| Đèn LED đỏ mờ | Chân dài đến E26, chân ngắn đến F26. Hướng quan trọng! |
| Điện trở 120 Ω | (+) bus đến A26, Hướng không quan trọng |
| Biến trở | Lỗ D18, D19, D20 |
| Giá đỡ pin 3xAA | Dây đen đến (-) bus, dây đỏ đến (+) bus |
Bây giờ bạn sẽ thực hiện một số điều chỉnh để làm cho mạch hoạt động đúng cách. Như đã mô tả trong phần ghi chú kỹ thuật, đèn LED mờ sẽ bật khi điện áp V2 trong mạch vượt quá một ngưỡng nhất định. Điện áp này phụ thuộc vào hai yếu tố khác nhau: a. Điện trở của biến trở, bạn có thể điều chỉnh bằng cách xoay nút xoay. Điều này cho phép bạn điều chỉnh độ nhạy của mạch với ánh sáng. Càng xoay biến trở theo chiều kim đồng hồ, càng cần nhiều ánh sáng để bật đèn LED mờ. b. Điện trở của điện trở quang, giảm khi nhiều ánh sáng chiếu vào nó. Khi điện trở của điện trở quang đủ thấp, đèn LED đỏ mờ sẽ bật sáng. Lượng ánh sáng chính xác chiếu vào điện trở quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như: i. Khoảng cách đến bề mặt đang đo. ii. Góc của bề mặt đang đo (nhiều ánh sáng hơn sẽ được phản chiếu trở lại nếu bề mặt vuông góc với ánh sáng từ đèn LED so với nếu nó ở góc nhọn). iii. Vị trí tương đối và định hướng của điện trở quang và đèn LED đỏ trong suốt. iv. Mức ánh sáng xung quanh trong phòng. v. Cách điện trở quang được bảo vệ (ví dụ, bằng cách sử dụng giấy đen) khỏi ánh sáng xung quanh và ánh sáng trực tiếp (so với ánh sáng phản chiếu) từ đèn LED đỏ trong suốt.
Mục tiêu của bạn là điều chỉnh mạch sao cho đèn LED đỏ mờ sẽ chỉ bật sáng khi bạn giữ một miếng trái cây đỏ trước đèn LED đỏ trong suốt và điện trở quang, nhưng không khi bạn sử dụng một miếng trái cây xanh, như được thể hiện trong Hình 5. Điều này cho phép bạn nhanh chóng xác định xem một miếng trái cây có chín hay không chỉ bằng cách nhìn vào đèn LED. Bạn có thể tưởng tượng làm thế nào một máy móc như vậy sẽ hữu ích trong nhà máy hoặc môi trường nông nghiệp để nhanh chóng và tự động nhận dạng, thu hoạch hoặc phân loại trái cây và rau củ chín. Hãy thử điều chỉnh một số yếu tố trong bước trước để xem liệu bạn có thể làm cho mạch hoạt động để nhận dạng trái cây đỏ và xanh. Có thể sẽ hữu ích nếu thực hành trước với các hình vuông giấy đỏ và xanh trước. Mạch của bạn có đáng tin cậy không? Nó có bao giờ cho kết quả dương tính giả (nhận dạng trái cây xanh là đỏ) hoặc âm tính giả (nhận dạng trái cây đỏ là xanh) không? Xem phần Biến thể để biết thêm ý tưởng về cách cải thiện hoặc sửa đổi mạch của bạn.
