Góc STEM Cấp độ 2 – Bài 1: Lập trình không cần gõ code: Chế tạo Đèn giao thông thông minh với Arduino và mBlock
Góc STEM – Khơi dậy đam mê kỹ sư nhí (Dành cho tuổi 9 – 12)
Chào mừng các bậc phụ huynh và các kỹ sư nhí đến với Cấp độ 2 của chuyên mục STEM trên banhangdientu.com!
Ở những bài học trước, chúng ta đã biết cách dùng pin để thắp sáng một bóng đèn LED. Nhưng nếu chúng ta muốn bóng đèn tự động chớp tắt, hoặc 3 bóng đèn Đỏ – Vàng – Xanh tự động thay phiên nhau sáng như ngoài ngã tư đường thì phải làm sao?
Đó là lúc chúng ta cần đến một “bộ não” để điều khiển chúng. Hôm nay, các kỹ sư nhí sẽ làm quen với bo mạch Arduino và học cách ra lệnh cho máy móc thông qua các khối lệnh đầy màu sắc cực kỳ dễ hiểu!
Phần 1: Làm quen với “Bộ não” Arduino và Phần mềm mBlock
Trước khi bắt tay vào làm, chúng ta cần tìm hiểu hai công cụ sức mạnh nhất của bài học này:
1. Bo mạch vi điều khiển Arduino UNO R3 Hãy tưởng tượng Arduino UNO giống như một chiếc máy tính thu nhỏ (bộ não). Nó có các “chân cắm” (Pins) đóng vai trò như những ngón tay để bật/tắt các công tắc điện. Chúng ta sẽ dùng máy tính lớn để nạp “suy nghĩ” (chương trình) vào bộ não này, sau đó nó có thể tự động làm việc mà không cần chúng ta bấm nút.
2. Phần mềm lập trình kéo thả mBlock Nhiều người nghĩ lập trình là phải gõ những dòng mã (code) toàn tiếng Anh phức tạp. Nhưng với mBlock (một phần mềm dựa trên nền tảng Scratch), việc lập trình giống hệt như chơi trò xếp hình Lego! Các bé chỉ cần dùng chuột kéo và ghép các khối lệnh màu sắc lại với nhau để tạo ra một chuỗi hành động cho Arduino.
Phần 2: Chuẩn bị Vật tư (Phần cứng)
Để xây dựng một trụ đèn giao thông, phụ huynh có thể dễ dàng tìm mua các linh kiện này tại các cửa hàng điện tử hoặc trên các trang thương mại điện tử ở Việt Nam. Một bộ kit cơ bản này thường có mức giá siêu rẻ, chưa tới 150.000 VNĐ.
- 1x Bo mạch Arduino UNO R3 (Kèm cáp kết nối USB).
- 1x Bo test cắm dây (Testboard / Breadboard).
- 3x Bóng đèn LED (1 Đỏ, 1 Vàng, 1 Xanh lá).
- 3x Điện trở (Loại 220 Ohm hoặc 330 Ohm).
- 4x Dây cắm cắm (Jumper wires loại Trống-Trống / Male-to-Male).
Phần 3: Lắp ráp phần cứng – Xây dựng mạch Đèn giao thông
1. Khám phá Bo test cắm dây (Testboard) Testboard là một tấm nhựa có rất nhiều lỗ. Các lỗ này được nối với nhau bằng các thanh kim loại ngầm bên dưới. Giúp chúng ta nối dây điện mà không cần dùng đến mỏ hàn nguy hiểm.
- Đường dọc hai bên (ký hiệu màu đỏ và xanh dương) thường dùng để dẫn điện nguồn.
- Các hàng ngang ở giữa (đánh số 1, 2, 3…) được nối thông với nhau.
2. Tại sao bắt buộc phải dùng Điện trở? (Lưu ý an toàn kỹ thuật) Bo mạch Arduino xuất ra dòng điện có điện áp là 5 Volt (5V). Trong khi đó, bóng đèn LED nhỏ bé của chúng ta chỉ chịu được khoảng 2V. Nếu nối trực tiếp, dòng điện quá mạnh sẽ làm đèn LED cháy đen ngay lập tức! Điện trở đóng vai trò như một “ống nước hẹp”, giúp giảm bớt lực của dòng điện, bảo vệ bóng đèn an toàn.
3. Các bước cắm dây chi tiết:
- Bước 1: Nối Mass (Cực Âm chung): Dùng một sợi dây cắm vào chân ghi chữ GND (Ground – Cực Âm) trên Arduino, đầu còn lại cắm vào dải lỗ màu xanh dương (hoặc đánh dấu trừ
-) trên Testboard. - Bước 2: Cắm đèn LED: Cắm 3 bóng đèn Đỏ, Vàng, Xanh lên Testboard. Hãy nhớ lại bài học cũ: Chân dài là cực Dương (+), chân ngắn là cực Âm (-).
- Bước 3: Gắn điện trở: Cắm một chân của điện trở vào cùng hàng với chân ngắn (Âm) của đèn LED. Chân còn lại của điện trở cắm vào đường Mass chung (đường màu xanh dương) đã tạo ở Bước 1. Làm tương tự cho cả 3 bóng đèn.
- Bước 4: Kết nối tín hiệu điều khiển:
- Lấy một sợi dây, nối từ chân dài (Dương) của đèn Đỏ vào Chân số 11 trên Arduino.
- Nối từ chân dài của đèn Vàng vào Chân số 10 trên Arduino.
- Nối từ chân dài của đèn Xanh vào Chân số 9 trên Arduino.
Phần 4: Cài đặt và kết nối phần mềm mBlock
- Phụ huynh truy cập trang chủ của mBlock (mblock.makeblock.com) và tải về phiên bản mBlock 5 cho máy tính (Windows hoặc Mac).
- Dùng cáp USB nối bo mạch Arduino UNO với máy tính.
- Mở phần mềm mBlock, chuyển sang tab Thiết bị (Devices), nhấn nút Thêm (Add) và chọn Arduino UNO.
- Nhấn nút Kết nối (Connect), chọn đúng cổng COM (trên Windows) hoặc cổng USB (trên Mac) và nhấn xác nhận. Lúc này phần mềm đã nhận diện được bộ não Arduino!
Phần 5: Lập trình bằng khối lệnh – Thổi hồn cho phần cứng
Một trụ đèn giao thông ngoài đời thực hoạt động theo nguyên tắc: Đèn Xanh sáng (các xe chạy) -> Đèn Vàng sáng (chuẩn bị dừng) -> Đèn Đỏ sáng (dừng lại) -> Lặp lại.
Bây giờ, chúng ta sẽ dịch nguyên tắc này sang “ngôn ngữ khối lệnh” cho Arduino:
Bước 1: Tạo vòng lặp vĩnh cửu
- Vào mục Sự kiện (Events), kéo khối lệnh
Khi Arduino UNO khởi độngra màn hình làm việc. - Vào mục Điều khiển (Control), kéo khối lệnh
Liên tục (Forever)ghép ngay bên dưới. Điều này giúp đèn giao thông chạy mãi mãi không ngừng lại.
Bước 2: Lập trình Đèn Xanh sáng
- Vào mục Chân cắm (Pin), kéo khối
Cài đặt chân digital [9] thành đầu ra [Cao]đặt vào bên trong vòng lặp. (Lệnh này bơm điện 5V ra chân số 9, làm Đèn Xanh phát sáng). - Kế tiếp, vào mục Điều khiển (Control), kéo khối lệnh
Đợi [1] giâyvà sửa số 1 thành 3 giây. (Đèn xanh sẽ duy trì sáng trong 3 giây).
Bước 3: Chuyển sang Đèn Vàng
- Sau 3 giây, Đèn Xanh phải tắt đi. Kéo khối lệnh
Cài đặt chân digital [9] thành đầu ra [Thấp](Lệnh này ngắt điện, đèn tắt). - Ngay lúc đó, Đèn Vàng (chân 10) phải bật lên. Kéo khối
Cài đặt chân digital [10] thành đầu ra [Cao]. - Kéo thêm khối
Đợi [1] giây(Đèn vàng thường chớp rất nhanh nên chỉ cần đợi 1 giây).
Bước 4: Chuyển sang Đèn Đỏ
- Tắt đèn Vàng:
Cài đặt chân digital [10] thành đầu ra [Thấp]. - Bật đèn Đỏ:
Cài đặt chân digital [11] thành đầu ra [Cao]. - Giữ đèn đỏ trong 3 giây:
Đợi [3] giây. - Cuối cùng, Tắt đèn Đỏ trước khi vòng lặp tự động quay lại ban đầu:
Cài đặt chân digital [11] thành đầu ra [Thấp].
Bước 5: Upload (Nạp cốt) Nhấn nút Tải lên (Upload) ở góc dưới màn hình. Các bé sẽ thấy đèn trên bo mạch Arduino nháy liên tục (đang nhận trí thông minh).
Và… Bùm! Hãy nhìn sang bảng mạch Testboard, 3 bóng đèn LED đã tự động chớp tắt y hệt một hệ thống đèn giao thông thực thụ tại các ngã tư đường!
Tổng kết và Bài học rút ra
Chúc mừng các kỹ sư nhí! Hôm nay các em đã vượt qua một cột mốc rất lớn. Chúng ta đã học được:
- Tư duy tuần tự (Sequential logic): Máy tính rất ngốc, nó chỉ làm việc theo đúng thứ tự từ trên xuống dưới mà chúng ta sắp xếp. Nếu xếp sai khối lệnh, đèn sẽ chớp loạn xạ.
- Thời gian trễ (Delay): Nếu không có khối lệnh “Đợi”, các đèn sẽ bật tắt nhanh đến mức mắt người không thể nhìn thấy được.
- Vòng lặp (Loop): Sức mạnh thực sự của tự động hóa, giúp máy móc lặp đi lặp lại một công việc nhàm chán hàng triệu lần mà không hề mệt mỏi.
Hẹn gặp lại các bé ở dự án tiếp theo, nơi chúng ta sẽ hô biến những quả chuối trong bếp thành một chiếc đàn Piano cực “chất” nhé!
Nguồn tham khảo dành cho phụ huynh:
- Hướng dẫn sử dụng phần mềm mBlock với Arduino: Makeblock Official Education
- Sơ đồ đi dây tiêu chuẩn đèn LED và điện trở: Arduino Project Hub – Traffic Light
- Tham khảo các project Arduino khác: https://projecthub.arduino.cc/
Để lại một bình luận