基于ESP32与Phyphox的力传感器制作及应用

摘要

利用ESP32与Phyphox平台，提出一种力传感器的创新制作方法并展示其在物理实验中的应用。该方案充分发挥ESP32的高性能处理能力与Phyphox的交互式实验功能，实现了力信号的无线采集与实时分析。所制传感器设计灵活，可测量拉力、压力等多种力学量。结果表明，该传感器精度高、响应快、操作简便，展现了上述平台在物理测量领域的巨大潜力。

Graphical abstract

关键词

力传感器 / ESP32 / Phyphox / 高中物理 / 制作 / 应用

物理学是一门以实验为基础的学科，力学学习中经常涉及力的测量。常用的测力仪器有我们熟知的弹簧测力计和各种力传感器，但是在实际使用过程中，我们发现现有仪器已不能满足测量需求。因此，制作一款经济实用的无线力传感器显得十分必要。

ESP32是一款性能稳定、成本较低的微控制器，内置主频高达240 MHz的双核处理器，支持多任务操作^［1］。此外，它支持蓝牙低功耗（BLE）并配备丰富的外设接口，包括UART（通用异步收发传输器）、GPIO（通用输入/输出）、I²C、SPI及ADC（模数转换器）等。在物理实验中，ESP32可通过传感器采集数据，并利用内置蓝牙无线发送至电脑或手机上，从而为实验数据采集提供了便利条件。PhyPhox是一个开源的物理实验应用程序，它提供了一个易于使用的界面，使用户能够探究和记录各种物理量，并可以将这些数据导出到电子表格中进行进一步的分析。Phyphox支持连接Arduino、Raspberry Pi等各种传感器和设备，可进一步扩展其功能。这使用户能够不受时间与地点限制，方便快捷地自行设计物理实验并采集数据，同时为后期分析奠定基础。

1 HX711称重模块原理

1.1 平行梁称重传感器的外形

实验电子秤、邮政电子秤、厨房电子秤等一般选用双孔悬臂平行梁应变式称重传感器。其特点是：精度高，易加工，结构简单紧凑，抗偏载能力强，固有频率高，结构如图1所示。

1.2 称重传感器的工作原理

应变式力传感器的受力工作原理如图2所示。将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元件上，当弹性元件受力产生变形时，应变片产生相应的应变，遂转化成电阻变化。将应变片接成如图3所示的电桥，即可使力引起的电阻变化转化为测量电路的电压变化，通过测量输出电压再经换算即可得到所测量物体的重力。

电桥的4个桥臂均接入工作应变片，可使各应变片共同参与机械形变。由于它们同处一个温度场，温度影响可相互抵消，从而实现高灵敏度的电压输出。

当4片应变片的材料、阻值都相同时，可推导出以下公式：\mathrm{\Delta }{U}_{BC}=\frac{EK}{\mathrm{4}}({\epsilon }_{\mathrm{1}}-{\epsilon }_{\mathrm{2}}+{\epsilon }_{\mathrm{3}}-{\epsilon }_{\mathrm{4}})=\frac{EK}{\mathrm{4}}\mathrm{4}{\epsilon }_{\mathrm{1}}。式中，\mathrm{\Delta }{U}_{BC}为BC两点电压；E为供桥电压；K为电阻应变片的灵敏系数；ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分别为应变片1、2、3、4的应变值，正号表示拉伸、负号表示压缩^［1］。

1.3 HX711简介

HX711是一种高精度、低噪声的模拟前端芯片，常用于称重传感器和负载细节测量应用中。它具有内置的放大器和ADC（模数转换器），可以将称重传感器的模拟信号转换为数字信号，其实物如图4所示。

HX711称重模块通常与称重传感器（如压阻式称重传感器）配合使用，以便将传感器的模拟输出信号转换为数字信号。这个数字信号可以被ESP32微控制器或其他数字系统处理和解读，然后再通过相应的计算，即可把数字信号转换成力值。

1.4 主要元器件接线原理

称重传感器、HX711模块与ESP32接线的示意图如图5所示。称重传感器的红线与HX711的E+连接，黑线与E-连接，白线与A-连接，绿线与A+连接。ESP32的3.3 V电源接口与HX711的VCC连接，GND与GND连接，GPIO25与SCK连接，GPIO26与DT连接。ESP32通过Type-C口与电源连接，给设备供电，电压范围在3.3~5.0 V之间，设备即可正常运行。

1.5 力传感器安装

将力传感器安装于亚克力板制成的平台上，借助两个垫片，使用4颗螺钉将力传感器固定于上下两个平台之间，就能使力传感器处于悬空状态，其原理类似于杠杆。通过面包板固定电子元件，并按图5所示连接线路。ESP32可由3.7 V锂电池供电，也可通过Type-C接口由5.0 V电源适配器供电，如图6所示。

2 ESP32微控制器运行代码编写与调试

通过开发软件Thonny编写程序并上传至ESP32后，即可进行测试。首先，查出当地的重力加速度，再根据G=mg计算出标准质量砝码所受的重力。随后，反复调整主程序中的ratio参数值，直至程序运行得到的测量值与计算标准值一致，即完成力传感器的初始值设定，该过程也称为力传感器的校准。将主程序命名为main.py，接通电源后系统将自动运行。主程序代码略。

3 手机端Phyphox程序设计

首先在手机端安装Phyphox的App——该App有Android版和iOS两个版本，用户可根据自己的手机系统选择下载安装。Phyphox是一款充分利用移动设备内置传感器的物理实验App，可将手机或平板电脑变为便携式实验工具。运行实验需使用Phyphox Editor——一款专为Phyphox设计的在线实验编辑器。该编辑器采用图形化编程方式，操作简便，易于上手。用户可通过拖拽方式配置文本框、图表等界面元素，定义实验中使用的传感器、数据采集方式、数据显示方式及数据与控制流的互动等。编辑器基于网页，无需安装额外软件，访问Phyphox官方网站即可开始创建或编辑实验。

笔者以显示力随时间变化为例，用Editor编写一个程序。首先在Main页面中设置实验的名称，在Title中输入“力传感器”，其他项目保持默认值。

在Input页面中，点击add Empty可添加需要传输的变量。该实验需传输两个变量：力和时间，因此添加两个传输变量。在第一个选项卡（Output）“characteristic”栏内输入蓝牙模块的ID号：cddf1002-30f7-4671-8b43-5e40ba53514a；在“Conversion Function”栏选择数据类型为浮点数（float 32 Little Endian）；在“offset”栏输入0，表示从第0字节开始读取数据。在第二个选项卡中，前两项设置与第一个相同，仅“offset”栏改为4，表示从第4个字节开始读取第二个数据。如需传输第三个数据，则第三个选项卡的“offset”应设置为8（前两个数据占用的字节数：4+4=8）。

在Views页面中，可设置数据在手机Phyphox中的显示方式。该实验以图像形式展示数据。具体设置步骤如下：①在“New element type”中选择“graph”，在弹出的选项卡中：在“Label”栏填入“力随时间变化图像”；在“x axis label”和“y axis label”中分别输入“时间”与“力”，作为两坐标轴名称；最后在“x（y） axis unit”中分别设置两个坐标轴的单位为s（秒）和N（牛顿）。②其他选项保持默认值。

在Analysis页面中，蓝牙接收的数据包含两个数据项：第一个为力的值，第二个为时间的值。将力的数据项连接到graph组件的y轴输入端口，时间的数据项连接到x轴输入端口，即可将数据传送至手机Phyphox的图像中。最后，点击“Download/Transfer”选项卡，在列表中选择第一项，生成二维码。打开手机Phyphox App，扫描该二维码，即可将程序下载至手机上，随后便可连接蓝牙进行实验。

4 利用力传感器探究电梯的运动

利用自制的力传感器与安装了Phyphox的手机，可在学校的教学楼电梯中进行实验。

开启力传感器和手机蓝牙，完成连接后，测量电梯从静止加速到运动再减速至停止的全过程。由图7可知，电梯上楼过程经历了加速上升、匀速上升和减速上升共3个阶段。加速上升阶段测得支持力最大值为0.55 N，减速上升阶段测得支持力最小值为0.42 N。重复实验，结果稳定，具有良好的可重复性。

所用钩码质量为50 g，柳州当地重力加速度为9.788 5 m/s²。根据牛顿第二定律，加速阶段由F-mg=ma计算得最大加速度为1.2 m/s²，减速阶段由mg-F=ma计算得最大加速度为1.4 m/s²。查阅中国电梯加速度国家标准，乘客电梯启动和制动阶段的最大加速度不大于1.5 m/s²。实验结果表明，所测电梯的运行加速度实测值均低于国家标准限值，符合安全规范。

5 结语

力传感器在高中物理实验中有着广泛的应用。它可以用于测量物体受到的重力、摩擦力、弹力等，帮助学生直观地理解力学原理。借助力传感器还可测量加速度、振动周期、速度、位移等物理量，通过数据分析验证相关规律。

力传感器与Phyphox相结合，能够提供实时、准确的数据，帮助学生深入研究物理规律、深化对相关概念与原理的认识，提高实验效果，培养学生的科学探究能力与实证意识。

参考文献

[1] 何武刚，张晓春.基于ESP32和Phyphox的物理DIS实验实践研究：以“自制电压传感器”为例［J］.中学物理教学参考，2023，52（24）：35-37.

基金资助

2023年柳州市“十四五”规划普通高中“文化立校，课程育人”专项课题“基于学科核心素养下物理创新实验教学的实践研究”(WHLX2023-33)