作者

文_蘇 翔/西南大學(xué)銀翔實驗中學(xué)

研究背景

人教版高中物理新教材有“靜摩擦力的大小隨拉力的變化”“用力傳感器探究作用力和反作用力的關(guān)系”等力學(xué)實驗，實驗采用的是國內(nèi)某知名品牌的力傳感器，搭配相應(yīng)的電腦專用軟件使用。

經(jīng)濟(jì)條件較好的學(xué)?？梢酝ㄟ^采購各類數(shù)字化實驗儀器，建設(shè)各類智能功能室，滿足部分學(xué)生開展自主數(shù)字化探究實驗。然而，在廣大的農(nóng)村中小學(xué)，辦學(xué)經(jīng)費有限，學(xué)校場館配套不足，很難讓學(xué)生體驗到信息技術(shù)與中學(xué)物理等實驗類學(xué)科的深度融合，不利于農(nóng)村地區(qū)中小學(xué)生的全面發(fā)展。

作者參與并負(fù)責(zé)重慶市青少年創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)雛鷹計劃第十一期“基于Phyphox技術(shù)的中學(xué)物理移動實驗開發(fā)與應(yīng)用”項目，立項了市、區(qū)級關(guān)于自制數(shù)字化實驗器材的多項課題，通過近幾年的深入研究，發(fā)現(xiàn)利用ESP32芯片與Phyphox APP可以較好地解決上述問題，實現(xiàn)數(shù)字化實驗的低成本化、便攜化、無線化。

研究思路

通過應(yīng)變梁（圖1）壓阻效應(yīng)將壓力或拉力等信號轉(zhuǎn)換成電信號，利用HX711模塊內(nèi)部ADC將數(shù)據(jù)輸出給ESP32（圖2）處理，ESP32再通過低功耗藍(lán)牙BLE將測量到的力的大小與方向在Phyphox 中進(jìn)行實時顯示，進(jìn)而完成一款自制的無線力傳感器，從而實現(xiàn)力的大小和方向的測量。

圖1 應(yīng)變梁

圖2 ESP32模塊

其中，用作數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的Phyphox又名“手機物理工坊”（圖3），是由德國亞琛工業(yè)大學(xué)在2016年發(fā)行的一款免費手機應(yīng)用軟件，該應(yīng)用包含加速度傳感器、磁力傳感器、陀螺儀等29種內(nèi)置功能，同時還提供了PhyphoxBle的Arduino庫文件，支持外接傳感器二次開發(fā)。

圖3 Phyphox界面

硬件原理與搭建

原理

如圖4所示，應(yīng)變梁壓阻效應(yīng)的原理為：當(dāng)某一橋臂的電阻應(yīng)變片受力發(fā)生形變時，其電阻會發(fā)生變化，電橋失去平衡，即輸出電壓不為零，此時可通過輸出電壓的大小確定電阻應(yīng)變片受力的大小，從而達(dá)到稱重與測力的目的。

圖4 力電轉(zhuǎn)換電路

硬件搭建

初步架構(gòu)如圖5所示。從圖中能看到核心部件ESP32模塊、HX711模塊，以及應(yīng)變梁的布局。ESP32模塊作為主控核心，是整個傳感器數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)摹按竽X”，負(fù)責(zé)接收HX711模塊傳來的數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至手機應(yīng)用軟件。HX711模塊則承擔(dān)著關(guān)鍵的數(shù)據(jù)采集與初步處理任務(wù)，它將應(yīng)變梁因受力產(chǎn)生的微弱電信號進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，為ESP32提供易于處理的數(shù)字信號。詳細(xì)電路設(shè)計如圖6所示。

圖5 架構(gòu)圖

圖6 電路設(shè)計

電源部分充電電路給電池充電，電池為整個系統(tǒng)供電。經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后，為各模塊提供穩(wěn)定電壓。磁珠L1用于抑制電源上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力。減少相互干擾。三極管Q1用于控制穩(wěn)壓電路的輸出，當(dāng)不需要穩(wěn)壓電路工作時，使其處于不連接狀態(tài)。

傳感器部分傳感器采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)有力作用時，電橋中電阻值發(fā)生變化，使電橋失衡，輸出與力大小成比例的微弱電壓信號。

信號處理部分電橋輸出的微弱電壓信號，先經(jīng)過1千歐電阻和0.1微法電容組成的濾波電路進(jìn)行初步濾波，濾除高頻噪聲后的信號再輸入到HX711芯片的INNA和INNB引腳。HX711是高精度24位 A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過DOUT和PD_SCK引腳與ESP32通信，把數(shù)字信號傳輸給ESP32。

顯示部分ESP32對接收的數(shù)字信號進(jìn)行處理后，一方面可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、分析等操作；另一方面將處理結(jié)果傳輸給LCD進(jìn)行顯示，LED可同時用于指示系統(tǒng)工作狀態(tài)等。

利用國產(chǎn)軟件“嘉立創(chuàng)EDA”開展電子設(shè)計自動化（EDA）設(shè)計，如圖7所示。嘉立創(chuàng)EDA是一款功能強大的國產(chǎn)電子設(shè)計自動化軟件，在硬件搭建過程中發(fā)揮著重要作用。使用嘉立創(chuàng)EDA進(jìn)行設(shè)計時，首先要在軟件中創(chuàng)建新的工程，并選擇合適的電路板尺寸和形狀。然后，從元件庫中調(diào)用ESP32、HX711模塊，以及各種電阻、電容等元件，按照詳細(xì)電路設(shè)計圖進(jìn)行布局。布局完成后進(jìn)行布線操作，依據(jù)電路原理連接各元件引腳。

圖7 EDA設(shè)計

焊接PCB電路板如圖8所示。焊接時，先在PCB板的焊盤上涂抹適量助焊劑，有助于提高焊接質(zhì)量。對于較小的元件，如電阻、電容，可使用鑷子夾住元件引腳，將其準(zhǔn)確放置在焊盤上，再用電烙鐵加熱引腳和焊盤，使焊錫絲熔化并均勻附著在引腳和焊盤之間，形成良好的焊點。焊接ESP32和HX711等芯片時，由于引腳間距較小，操作難度較大，需格外小心。

圖8 焊接PCB電路板

3D打印傳感器外殼，設(shè)計如圖9所示。3D打印傳感器外殼不僅能保護(hù)內(nèi)部電子元件，還能使傳感器更具整體性和美觀性。在設(shè)計外殼時，充分考慮了內(nèi)部元件的尺寸和布局，確保外殼能緊密包裹元件，同時方便操作和連接。使用3D ONE建模軟件，根據(jù)內(nèi)部元件的尺寸創(chuàng)建外殼模型。

圖9 3D打印外殼

成品（圖10）將各個部件有機整合在一起，外觀簡潔、緊湊。經(jīng)過測試，該傳感器能準(zhǔn)確測量力的大小和方向，并通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸至手機應(yīng)用，實現(xiàn)了預(yù)期的功能，為后續(xù)的物理實驗提供了可靠的測量工具。

圖10 獨立的力傳感器

程序設(shè)計

限于篇幅，這里只展示主程序。

#include

#include // 引入HX711庫

#include // 添加對ESP32 BLE庫的支持

const int doutPin = 16;

const int pdSckPin = 4;

HX711 scale; // 創(chuàng)建HX711對象

// 設(shè)置HX711傳感器的增益和偏移量

const float calibration_factor = -3280.0; // 根據(jù)您的HX711傳感器進(jìn)行調(diào)整

void setup()

setCpuFrequencyMhz(240);

BLEDevice::init("ESP32_1"); // 設(shè)置自定義藍(lán)牙設(shè)備名

PhyphoxBLE::start(); // 啟動phyphox BLE服務(wù)

scale.begin(doutPin, pdSckPin); //初始化HX711對象

scale.set_scale(calibration_factor); // 設(shè)置校準(zhǔn)因子

scale.tare(); // 歸零

void loop()

// 讀取HX711傳感器的數(shù)據(jù)

float weight=(scale.get_units()*10);

PhyphoxBLE::write(weight); // 將重量值發(fā)送給phyphox應(yīng)用

無線實驗效果展示

通過手機藍(lán)牙向Phyphox添加實驗，將2個自制的力傳感器對拉，可以看到2個力的大小相等，方向相反（圖11），驗證了牛頓第三定律，演示效果非常明顯。

圖11 牛頓第三定律演示

緩慢拉木塊，可以看到靜摩擦力逐漸增大，當(dāng)拉動的一瞬間，靜摩擦力突變?yōu)榛瑒幽Σ亮?，摩擦力會突然減?。▓D12）。

圖12 摩擦力突變演示

在力傳感器下方懸掛一個200?g的鉤碼，讓其初始偏角小于5°，擺動起來，其運動近似可視為簡諧振動（圖13）。

圖13 單擺拉力演示

在力傳感器下方通過細(xì)繩連接滑輪組，還可以探究滑輪組不同繞線方式對拉力的影響（圖14）。

圖14 滑輪組演示

創(chuàng)新點

本裝置造價低廉，整裝置成本不到50元。采用了目前非常流行的國產(chǎn)開源硬件ESP32為開發(fā)平臺，制作簡單，編程模塊化，方便調(diào)用。

采用手機應(yīng)用軟件Phyphox作為數(shù)據(jù)呈現(xiàn)裝置，擺脫了傳統(tǒng)數(shù)字化實驗需要專門的實驗電腦、專門的數(shù)字化實驗室等不便。同時，該傳感器使用藍(lán)牙無線傳輸數(shù)據(jù)，免去了主控與數(shù)據(jù)線的復(fù)雜連接，使得數(shù)字化實驗的門檻大幅降低，有利于廣大農(nóng)村地區(qū)學(xué)校使用。

自制無線力傳感器不僅可以驗證牛頓第三定律、單擺中繩子拉力變化、靜摩擦力到滑動摩擦力突變等多種需要力傳感器的數(shù)字化實驗，還可以根據(jù)教師的不同需求開發(fā)出更多應(yīng)用場景。

該項目獲得第 38 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎

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來源 | 《中國科技教育》2025-04

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安