Đo điện áp một chiều 0–30 V
khi đại lượng cần đo lớn hơn thứ dụng cụ chịu được

Bài 12 đọc biến trở, nơi điện áp luôn nằm gọn trong 0–3,3 V. Bài này gặp tình huống thật hơn: đại lượng cần đo lớn hơn thứ dụng cụ chịu được. Đây là bài toán muôn thuở của đo lường, và lời giải rất gọn — thu nhỏ nó lại theo một tỉ lệ đã biết.

Sau bài này học sinh làm được

• Tính được điện áp ra của một cầu phân áp từ hai giá trị điện trở.
• Chọn cặp điện trở phù hợp cho một dải đo cho trước.
• Viết chương trình quy đổi số đọc ADC về mili vôn của nguồn gốc.
• So sánh kết quả với đồng hồ vạn năng và tính sai số tương đối.
• Hiệu chuẩn lại hệ số từ một phép đo chuẩn, thay vì tin vào con số lí thuyết.

Cầu chia điện áp

Hai điện trở nối tiếp giữa nguồn và đất, dòng qua chúng như nhau nên hiệu điện thế trên mỗi cái tỉ lệ với chính nó. Lấy tín hiệu ở điểm giữa:

U_ra = U_vào × R₂ / (R₁ + R₂)

Với 100 kΩ và 10 kΩ: nhỏ đi 11 lần. Đi ngược lại thì nhân 11 — chính là HE_SO trong chương trình.

Dải đo an toàn

Chân GPIO chịu tối đa 3,3 V; nhân 11 được ~36 V. Để có biên an toàn, bài đặt trần 30 V. Cần đo cao hơn thì đổi R₁, đừng đo vượt.

Vì sao con số 11 không bao giờ đúng hoàn toàn

Điện trở thường sai số 5%, ADC của ESP32 không tuyến tính hoàn hảo, mốc 3,3 V thực tế lệch chút ít — cộng lại lệch vài phần trăm. Cách chữa không phải mua linh kiện tốt hơn mà là hiệu chuẩn: đo một lần bằng dụng cụ chuẩn rồi tính lại hệ số cho chính mạch của mình.

Lắp và kiểm tra trước khi cắm nguồn cần đo

1. Cắm 100 kΩ và 10 kΩ nối tiếp trên breadboard, ghi nhớ điểm giữa.
2. Đầu tự do của 10 kΩ → GND của ESP32.
3. Điểm giữa → GPIO34.
4. Chưa cắm nguồn cần đo. Nạp Bước 0, xác nhận số đọc gần 0.
5. Bây giờ mới nối cực dương nguồn cần đo vào đầu tự do của 100 kΩ, và cực âm vào GND.

Toàn bộ mã trong bài chạy trên MicroPython 1.28 cho ESP32. Bài này chỉ đo nguồn một chiều cách li, tối đa 30 V — pin, ắc quy nhỏ hoặc adapter. Không dùng để đo điện lưới.

Bước 0 — chỉ số thô, chưa cắm nguồn

# ------------------------------------------------------------
#  Bai 13 - Buoc 0: doc so tho, CHUA cam nguon can do
# ------------------------------------------------------------
from machine import ADC, Pin
import time

adc = ADC(Pin(34))
adc.atten(ADC.ATTN_11DB)      # mo rong dai do len khoang 3,3 V

while True:
    print(adc.read())
    time.sleep_ms(500)

Chưa cắm nguồn cần đo thì số đọc phải gần 0. Nếu nó nhảy loạn xạ quanh vài trăm, nghĩa là chân đang thả nổi — kiểm tra lại điện trở 10 kΩ xuống GND. Bước này vừa kiểm mạch, vừa cho học sinh thấy thế nào là "chân thả nổi".

Chương trình chính — quy đổi hai chặng

# ------------------------------------------------------------
#  Bai 13 - Doi so doc thanh mili von cua NGUON CAN DO
# ------------------------------------------------------------
from machine import ADC, Pin
import time

# ===== CẤU HÌNH =====
CHAN_DO = 34
HE_SO = 11                # (100k + 10k) / 10k
DAI_ADC_MV = 3300         # dien ap ung voi so doc 4095
NGHI = 500                # ms
# ====================

adc = ADC(Pin(CHAN_DO))
adc.atten(ADC.ATTN_11DB)

while True:
    so_doc = adc.read()

    # dien ap TAI CHAN GPIO
    chan_mv = so_doc * DAI_ADC_MV // 4095
    # dien ap cua nguon can do, truoc khi bi chia
    nguon_mv = chan_mv * HE_SO

    print("So doc:", so_doc, "| Chan:", chan_mv, "mV | Nguon:", nguon_mv, "mV")
    time.sleep_ms(NGHI)

Phép quy đổi cố ý tách làm hai dòng chứ không gộp thành một công thức. Dòng thứ nhất trả lời "chân GPIO đang thấy bao nhiêu vôn", dòng thứ hai trả lời "vậy nguồn gốc là bao nhiêu". Học sinh in ra cả hai và đối chiếu được từng chặng.

Phép chia dùng // là chia lấy phần nguyên. Ở đây chấp nhận được vì đơn vị đã là mi-li-vôn, sai lệch do làm tròn chưa tới 1 mV — nhỏ hơn nhiều so với sai số của chính linh kiện.

Biến thể — dùng hệ số đã hiệu chuẩn

# Bien the: dung HE_SO da hieu chuan bang dong ho van nang
#
# Cach lam:
#   1. Cam mot nguon on dinh, doc so tren dong ho van nang -> U_that (mV)
#   2. Chay chuong trinh nay, doc "Chan" -> U_chan (mV)
#   3. HE_SO_THAT = U_that / U_chan
#
# Vi du: dong ho bao 12,04 V = 12040 mV, chan doc 1085 mV
#        HE_SO_THAT = 12040 / 1085 = 11,10  (khong phai 11 chan)

HE_SO_THAT = 1110         # nhan voi 100 de khoi dung so thap phan

nguon_mv = chan_mv * HE_SO_THAT // 100

Đây là phần quan trọng nhất của bài. Con số 11 là lí thuyết; con số học sinh tính ra từ phép so với đồng hồ vạn năng mới là con số của chính mạch này. Nhân 100 rồi chia 100 là mẹo giữ hai chữ số thập phân mà không cần số thực.

Thử thay đổi bài này với AI

Em mô tả bằng tiếng Việt, hệ thống dựng thuật toán và chương trình, rồi nạp thẳng xuống ESP32 qua Wi-Fi.

Đối chiếu với đồng hồ vạn năng ở ba mức

Đây là phép đo trung tâm của bài. Dùng ít nhất ba nguồn khác nhau — chẳng hạn pin 9 V còn mới, pin đã dùng, và adapter 12 V.

Tính lại hệ số

Lấy dòng có số đọc ổn định nhất, tính HE_SO_THAT = U_đồng_hồ / U_chân. Ghi kết quả rồi nạp lại chương trình với hệ số mới và đo lại cả ba nguồn.

Danh sách kiểm trước khi coi là xong

• Chưa cắm nguồn thì số đọc gần 0 và đứng yên.
• Số đo ESP32 và số đo đồng hồ chênh nhau dưới 5 % trước khi hiệu chuẩn.
• Sau khi hiệu chuẩn, sai số ở mức đã hiệu chuẩn nhỏ hơn hẳn.
• Học sinh tính được hệ số cho một cặp điện trở khác, chẳng hạn 47 kΩ và 10 kΩ.
• Không nhóm nào đo bất kì nguồn nào ngoài pin và adapter đã chuẩn bị sẵn.

Vật lí — mạch nối tiếp thôi là lí thuyết suông

Công thức chia áp thường được học thuộc rồi làm bài tập. Ở đây nó thành một dụng cụ đang chạy: đổi cặp điện trở thì dải đo đổi theo đúng công thức, và học sinh kiểm chứng được ngay bằng đồng hồ vạn năng. Rất ít chỗ trong chương trình Vật lí cho phép đóng vòng lí thuyết — thực nghiệm nhanh như vậy.

Toán — sai số tương đối có ý nghĩa thật

Bảng đối chiếu ở mục Hiệu chuẩn là bộ số liệu thật để tính sai số tương đối. Hay hơn nữa: sau khi hiệu chuẩn, học sinh thấy sai số giảm hẳn. Con số toán học vừa mô tả được chất lượng phép đo, vừa chứng minh được một can thiệp kĩ thuật có tác dụng.

Bài tập thiết kế ngược

"Cần đo tới 50 V, có sẵn điện trở 10 kΩ. Chọn điện trở còn lại bao nhiêu?" Học sinh phải đi ngược từ dải đo về hệ số rồi về giá trị điện trở, và kiểm tra biên an toàn. Đây là dạng bài thiết kế thật, không phải thay số vào công thức.