Giáo án Bài 15. Cảm biến và mô đun cảm biến

Huy động kiến thức nền của HS về việc thiết bị tự động phản ứng với môi trường và nêu được nhu cầu cần một bộ phận nhận biết đại lượng môi trường.

GV đưa tình huống: đèn cầu thang trong nhà tự bật khi trời tối và tắt khi đủ sáng mà không cần ai bấm công tắc. HS trả lời câu hỏi: Thiết bị cần “biết” điều gì để làm được việc đó? Bộ phận nào trong thiết bị nhận biết được độ sáng? Dự kiến ghi bảng: Cần nhận biết mức sáng; cần một bộ phận nhận và biến đổi thông tin đó.

Các ý kiến ban đầu của HS được ghi trên bảng và được GV chốt thành nhiệm vụ học tập: Thiết bị cần một bộ phận nhận đại lượng ánh sáng (cảm biến), biến đổi thành tín hiệu và xử lí để ra lệnh bật/tắt đèn.

Nêu được cảm biến nhận đại lượng môi trường và biến đổi thành tín hiệu sử dụng được; giải thích được mô đun cảm biến kết hợp cảm biến, xử lí/so sánh và đầu ra điều khiển; nhận biết chân nối khác nhau theo mẫu.

Nhóm 4 HS dùng kĩ thuật khăn trải bàn: Mỗi HS nhận một góc tương ứng với một nội dung: (1) Cảm biến nhận và biến đổi đại lượng; (2) Thành phần của mô đun cảm biến; (3) Vai trò đầu ra OUT và chân nối; (4) Vì sao cảm biến không trực tiếp cấp công suất cho tải. HS đọc tài liệu trong SGK, đối chiếu học liệu NeoEdu và ghi ý chính vào góc của mình. Câu hỏi GV đặt ra: Đại lượng nào cảm biến có thể nhận? Mô đun cảm biến khác cảm biến ở chỗ nào? Vì sao không suy mọi chân của mô đun đều giống nhau?

Trên khăn trải bàn của nhóm có các kết luận sau:

• Cảm biến nhận đại lượng môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và biến đổi thành tín hiệu sử dụng được.
• Mô đun cảm biến có thể gồm cảm biến, phần xử lí/so sánh và đầu ra điều khiển.
• Chân OUT thường là chân tín hiệu đầu ra; cấu tạo và chân nối khác nhau theo từng mẫu, phải đọc tài liệu mẫu trước khi nối.
• Cảm biến không phải lúc nào cũng đủ công suất để trực tiếp cấp điện cho tải như bóng đèn hay quạt.

Vận dụng được quy trình thử hai trạng thái (đủ sáng, thiếu sáng) để xác định logic, ngưỡng và tác dụng của đầu ra bộ kit ánh sáng đã hiệu chỉnh, trong phạm vi an toàn.

Nhóm HS thực hành với bộ kit ánh sáng đã được GV kiểm tra. Bước 1: Đọc tài liệu mẫu để xác định chân OUT và điện áp làm việc. Bước 2: Quan sát đèn báo khi che bớt sáng môi trường (thiếu sáng) và khi để đủ sáng. Bước 3: Ghi trạng thái đầu ra và trạng thái đèn vào Phiếu học tập số 1, thử lặp lại ít nhất mỗi trạng thái 3 lần. Bước 4: Trả lời câu hỏi: Khi thiếu sáng, đầu ra yêu cầu bật đèn hay tắt đèn? Đủ sáng thì sao? Ngưỡng nằm ở đâu theo tài liệu? Lưu ý: Không nối nguồn tùy tiện, không nhúng mô đun vào nước, không tự đảo dây nguồn để đổi trạng thái.

Kết quả nhóm ghi trên Phiếu học tập số 1:

• Thiếu sáng: đầu ra yêu cầu bật đèn; đèn báo sáng. Đây là kết luận đúng theo ví dụ đã hiệu chỉnh của kit.
• Đủ sáng: đầu ra yêu cầu tắt đèn; đèn báo tắt.
• Kết luận: Phải thử cả hai trạng thái với đèn báo của kit mới biết được logic, ngưỡng và tác dụng của đầu ra; không suy từ hình dáng hay màu của mô đun.

Củng cố nhận biết vai trò cảm biến, chân OUT, nguyên tắc đọc số liệu và các việc cần làm trước khi dùng mô đun.

HS làm nhanh bộ câu hỏi trắc nghiệm và điền khuyết (dùng bài tập tương tác trên NeoEdu nếu có). Đề gồm các câu:

• Câu 1: Cảm biến ánh sáng nhận thông tin nào? A. Luôn lực kéo; B. Mức ánh sáng môi trường; C. Trực tiếp số tiền điện; D. Luôn nhiệt độ nước.
• Câu 2: Một chân mô đun ghi OUT thường thuộc vai trò nào theo tài liệu mẫu? A. Tín hiệu đầu ra; B. Nguồn nước; C. Mọi cực pin đều tương đương; D. Chắc chắn nối 220 V.
• Câu 3: Số đọc cảm biến đất bất kì bằng 500 luôn nghĩa là $50\%$ nước trong đất. Đúng hay sai?
• Câu 4: Bảng thử có 5 lần ở đủ sáng và 5 lần thiếu sáng. Tổng số lần thử là bao nhiêu?
• Câu 5: Chọn việc cần làm trước dùng mô đun trong kit. A. Đọc đúng điện áp/chân theo tài liệu; B. Thử ngưỡng và cả hai trạng thái an toàn; C. Suy mọi mô đun đều cùng chân; D. Nhúng toàn mô đun vào nước.

Đáp án:

• Câu 1: B (cảm biến gắn với đại lượng cần nhận; hệ thống còn cần xử lí tín hiệu).
• Câu 2: A (OUT là đầu ra theo tài liệu; mức và cách nối phải theo đúng mô đun).
• Câu 3: Sai (giá trị phụ thuộc thang đo, kiểu đo và hiệu chuẩn, không tự đổi thành phần trăm).
• Câu 4: 10 (5 + 5 = 10; số lần thử không thay đổi điều kiện và tiêu chí).
• Câu 5: A và B (thông số và kiểm tra chức năng giúp tránh sai; không cấp nguồn hay nối tùy tiện).

Vận dụng kiến thức về cảm biến và mô đun để chọn đại lượng cảm biến phù hợp cho nhu cầu thực tế, phân biệt vai trò của cảm biến, bộ xử lí và tải, và đề xuất cách tìm nguyên nhân khi đèn hoạt động ngược với mong đợi.

Nhóm thảo luận hai tình huống:

• Tình huống 1: Gia đình muốn đèn hành lang tự bật khi tối. Hãy phân biệt vai trò của cảm biến, bộ so sánh/xử lí và tải (đèn) trong hệ thống này.
• Tình huống 2: Một đèn kit bật khi đủ sáng thay vì khi tối. Nêu cách tìm nguyên nhân mà không tự đảo dây.
  Nhiệm vụ về nhà (nếu chưa kịp hoàn thành): Chọn một nhu cầu trong gia đình (đèn theo sáng/tối, quạt theo nóng/lạnh, tưới cây theo độ ẩm) và vẽ sơ đồ khối gồm cảm biến – xử lí – tải.

Tình huống 1: Cảm biến ánh sáng nhận mức sáng môi trường; bộ so sánh/xử lí đối chiếu với ngưỡng để quyết định; đèn là tải phát sáng khi được điều khiển. Cảm biến không tự là bóng đèn, và đầu ra điều khiển không luôn đủ điện để cấp trực tiếp cho tải.
Tình huống 2: Ngắt nguồn; xem lại logic và cực tính đầu ra theo tài liệu; chọn chế độ hoặc ngưỡng theo hướng dẫn của GV; thử lại ở trạng thái đủ sáng và thiếu sáng một cách an toàn. Không kết luận cảm biến hỏng chỉ vì đèn bật ngược; không đảo dây nguồn để đổi trạng thái.
Bài về nhà (sơ đồ khối): Đại lượng cảm biến, khối xử lí và tải được nêu rõ, có chú thích nhu cầu thực tế.