Giáo án Bài 16. Mạch điện điều khiển sử dụng mô đun cảm biến

Kết nối kinh nghiệm thực tế của HS về thiết bị tự động bật, tắt với yêu cầu của mạch điều khiển sử dụng cảm biến; xác định vấn đề cần giải quyết trong bài.

GV cho HS quan sát mẫu mạch đèn theo ánh sáng đã lắp sẵn (ngắt nguồn) và đặt câu hỏi: «Khi trời tối, đèn đường tự bật, khi trời sáng thì tự tắt. Theo em, thiết bị cần biết điều gì để làm được việc đó?». HS trả lời theo kinh nghiệm, sau đó GV nêu nhiệm vụ của bài: xác định các khối của mạch, quy trình thử và cách đánh giá kết quả.

HS nêu được: thiết bị cần nhận tín hiệu từ cảm biến ánh sáng (tối/sáng), xử lí tín hiệu đó rồi đóng/ngắt đèn; từ đó xác định được mục tiêu của bài là hiểu cấu trúc mạch và cách kiểm thử mạch điều khiển.

Nêu được bốn khối của mạch điều khiển sử dụng mô đun cảm biến và vai trò từng khối; giải thích được điều kiện để điều khiển đóng/ngắt tải.

HS làm việc theo nhóm 4 người, dùng phiếu học tập số 1 và sơ đồ bốn khối do GV chiếu. Nhiệm vụ: (1) Ghi tên và vai trò của từng khối: khối nguồn, đầu vào cảm biến, khối xử lí/điều khiển, chấp hành/tải. (2) Trả lời câu hỏi: «Vì sao điều khiển có thể đóng/ngắt tải theo điều kiện? Cần kiểm tra những thông số nào để các khối tương thích?».

Sơ đồ bốn khối đúng: Nguồn (pin 3–6 V) cấp điện → Cảm biến (đo ánh sáng, nhiệt độ hoặc độ ẩm đất, đưa tín hiệu vào) → Khối xử lí/điều khiển (so sánh tín hiệu với ngưỡng, ra lệnh) → Chấp hành/tải (đèn, quạt, bơm, được đóng/ngắt). Kết luận: điều khiển đóng/ngắt tải dựa trên điều kiện của tín hiệu cảm biến; cần kiểm nguồn, dòng và mức tín hiệu tương thích giữa các khối.

Trình bày được quy trình thực hành an toàn gồm sáu bước; giải thích được vai trò của bảng yêu cầu và bảng thử trong kiểm tra mạch.

Nhóm đọc quy trình: xác định yêu cầu và sơ đồ → chọn kit theo tài liệu → lắp khi ngắt nguồn → giáo viên kiểm → cấp nguồn thử các trạng thái → ngắt và ghi kết quả. Lấy ví dụ bảng yêu cầu mẫu của mạch đèn theo ánh sáng: đủ sáng thì đèn tắt; thiếu sáng thì đèn bật; cảm biến lỗi hoặc có dấu hiệu bất thường thì ngắt nguồn, báo giáo viên. Nhiệm vụ: (1) Sắp xếp đúng thứ tự sáu bước. (2) Nêu lí do vì sao phải ngắt nguồn trước khi lắp hoặc chỉnh; vì sao phải thử ít nhất các trạng thái yêu cầu. Câu hỏi gợi mở: «Nếu chỉ thử trạng thái bật mà không thử trạng thái tắt thì có đủ kết luận không?».

Thứ tự đúng: 1) xác định yêu cầu và sơ đồ; 2) chọn kit theo tài liệu; 3) lắp khi ngắt nguồn; 4) giáo viên kiểm; 5) cấp nguồn thử các trạng thái; 6) ngắt và ghi kết quả. Kết luận: ngắt nguồn trước khi chỉnh giảm nguy cơ ngắn mạch và đấu sai; phải thử đủ các trạng thái yêu cầu và kiểm cả chuyển trạng thái, không chỉ một trạng thái; bảng thử ghi đúng và đầy đủ mới là căn cứ đánh giá mạch.

Vận dụng kiến thức về chức năng, an toàn và yêu cầu thử để trả lời đúng các câu hỏi trắc nghiệm và đúng/sai.

HS làm cặp đôi, dùng phiếu học tập số 2 (phần A), hoàn thành các bài sau:

• Bài 1: Trước khi thay dây nối của kit cảm biến cần làm gì? A. Ngắt nguồn/tháo pin theo hướng dẫn; B. Chạm để xem nóng; C. Tăng điện áp; D. Đảo cực đang hoạt động.
• Bài 2: Điều nào đúng khi dùng mô đun có rơ-le? A. Có rơ-le là học sinh được đấu 220 V; B. Mọi tải đều dùng được; C. Không cần kiểm mối nối; D. Vẫn phải theo điện áp/dòng và giới hạn của kit.
• Bài 3: Ghép trạng thái với yêu cầu của đèn mẫu: (a) Thiếu sáng, hệ thống bình thường; (b) Đủ sáng, hệ thống bình thường; (c) Dấu hiệu lỗi/nóng bất thường. Các yêu cầu: (1) Đèn bật; (2) Đèn tắt; (3) Ngắt theo hướng dẫn và báo giáo viên.
• Bài 4: Đúng hay sai: «Chỉ thử trạng thái bật đã đủ xác nhận mạch tự động đạt cả yêu cầu bật và tắt.»

Bài 1: A (ngắt nguồn trước khi chỉnh giảm nguy cơ ngắn mạch và đấu sai). Bài 2: D (rơ-le có thông số và giới hạn, không cấp quyền thao tác với điện lưới). Bài 3: (a)–(1); (b)–(2); (c)–(3) (chỉ thử kit đã duyệt, không tự sửa mạch đang nóng). Bài 4: Sai (cần thử ít nhất các trạng thái yêu cầu và kiểm cả chuyển trạng thái).

Đọc, tính và đánh giá được kết quả trong bảng thử của mạch đèn; lập được bảng thử hoàn chỉnh và nêu được tiêu chí kiểm thử cho mạch tưới.

Nhóm 4 HS thực hiện:

• Bài 5: Theo bảng mẫu, có 6 lần thiếu sáng, trong đó 5 lần đèn bật đúng. Số lần chưa đạt ở trạng thái này là bao nhiêu? Ghi và nêu cách xử lí.
• Bài 6: Chọn tiêu chí kiểm thử mạch tưới dùng kit: A. Khô thì yêu cầu tưới, ẩm đủ thì dừng theo hiệu chỉnh; B. Điện và nước tách biệt an toàn; C. Bơm chạy mãi bất kể đất; D. Không ghi lần lỗi.
• Bài 7: Viết bảng thử hoàn chỉnh cho đèn với 4 lần thử: tối/sáng/tối/sáng; kết quả bật/tắt/bật/bật. Đánh giá từng lần đạt hay không đạt.
  Nhiệm vụ ghi vào phiếu học tập số 2 (phần B).

Bài 5: 6 − 5 = 1, có 1 lần chưa đạt; phải ghi lại, tìm nguyên nhân (ngưỡng, vị trí cảm biến hoặc logic điều khiển) và thử lại dưới sự kiểm tra của giáo viên, không bỏ khỏi báo cáo. Bài 6: đáp án A, B (chức năng và an toàn cùng quan trọng; không che lỗi hoặc tưới vô hạn). Bài 7 (bảng mẫu): lần 1: tối → bật, đạt; lần 2: sáng → tắt, đạt; lần 3: tối → bật, đạt; lần 4: sáng → bật, không đạt. Có 3/4 lần đạt trong dữ liệu mẫu; lần 4 cần kiểm ngưỡng, vị trí cảm biến hoặc logic dưới sự hướng dẫn của giáo viên rồi thử lại. Gợi ý thang chấm: 0,5 điểm bảng đủ 4 dòng; 0,25 điểm đánh giá đúng 3/4 lần đạt; 0,25 điểm nêu cách xử lí lỗi. Chấp nhận cách diễn đạt khác nếu đúng dữ kiện, có lí giải và an toàn.

Vận dụng quy trình và bảng thử để lập kế hoạch kiểm thử cho mạch tưới cây dùng kit cảm biến độ ẩm đất trong tình huống thực tế ở gia đình hoặc lớp học.

Tình huống: Gia đình em muốn một mạch tự tưới chậu cây khi đất khô và dừng khi đất ẩm đủ; mạch dùng bộ kit pin 3–6 V đã được duyệt. Mỗi nhóm lập bảng yêu cầu và bảng thử gồm ít nhất 4 lần thử, gồm: (1) trạng thái đất khô → yêu cầu tưới; (2) trạng thái đất ẩm đủ → yêu cầu dừng; (3) nêu một tiêu chí an toàn về điện và nước; (4) nêu cách xử lí khi có lần thử chưa đạt. Phần chưa hoàn thành trên lớp được giao về nhà.

Bảng yêu cầu: đất khô → tưới; ẩm đủ → dừng; có dấu hiệu bất thường → ngắt nguồn, báo người lớn/giáo viên. Bảng thử mẫu: 4 dòng gồm trạng thái đất, kết quả bơm, đạt/không đạt, ghi chú. Tiêu chí an toàn: điện và nước được tách riêng, không để nước chạm phần điện; ngắt nguồn trước khi chỉnh. Mỗi nhóm trình bày được vì sao phải ghi cả lần không đạt.