作者

文_苏 翔/西南大学银翔实验中学

研究背景

人教版高中物理新教材有“静摩擦力的大小随拉力的变化”“用力传感器探究作用力和反作用力的关系”等力学实验，实验采用的是国内某知名品牌的力传感器，搭配相应的电脑专用软件使用。

经济条件较好的学校可以通过采购各类数字化实验仪器，建设各类智能功能室，满足部分学生开展自主数字化探究实验。然而，在广大的农村中小学，办学经费有限，学校场馆配套不足，很难让学生体验到信息技术与中学物理等实验类学科的深度融合，不利于农村地区中小学生的全面发展。

作者参与并负责重庆市青少年创新后备人才培养雏鹰计划第十一期“基于Phyphox技术的中学物理移动实验开发与应用”项目，立项了市、区级关于自制数字化实验器材的多项课题，通过近几年的深入研究，发现利用ESP32芯片与Phyphox APP可以较好地解决上述问题，实现数字化实验的低成本化、便携化、无线化。

研究思路

通过应变梁（图1）压阻效应将压力或拉力等信号转换成电信号，利用HX711模块内部ADC将数据输出给ESP32（图2）处理，ESP32再通过低功耗蓝牙BLE将测量到的力的大小与方向在Phyphox 中进行实时显示，进而完成一款自制的无线力传感器，从而实现力的大小和方向的测量。

图1 应变梁

图2 ESP32模块

其中，用作数据呈现的Phyphox又名“手机物理工坊”（图3），是由德国亚琛工业大学在2016年发行的一款免费手机应用软件，该应用包含加速度传感器、磁力传感器、陀螺仪等29种内置功能，同时还提供了PhyphoxBle的Arduino库文件，支持外接传感器二次开发。

图3 Phyphox界面

硬件原理与搭建

原理

如图4所示，应变梁压阻效应的原理为：当某一桥臂的电阻应变片受力发生形变时，其电阻会发生变化，电桥失去平衡，即输出电压不为零，此时可通过输出电压的大小确定电阻应变片受力的大小，从而达到称重与测力的目的。

图4 力电转换电路

硬件搭建

初步架构如图5所示。从图中能看到核心部件ESP32模块、HX711模块，以及应变梁的布局。ESP32模块作为主控核心，是整个传感器数据处理与传输的“大脑”，负责接收HX711模块传来的数据，并通过蓝牙将处理后的数据发送至手机应用软件。HX711模块则承担着关键的数据采集与初步处理任务，它将应变梁因受力产生的微弱电信号进行放大和模数转换，为ESP32提供易于处理的数字信号。详细电路设计如图6所示。

图5 架构图

图6 电路设计

电源部分充电电路给电池充电，电池为整个系统供电。经稳压管稳压后，为各模块提供稳定电压。磁珠L1用于抑制电源上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。减少相互干扰。三极管Q1用于控制稳压电路的输出，当不需要稳压电路工作时，使其处于不连接状态。

传感器部分传感器采用惠斯通电桥结构，当有力作用时，电桥中电阻值发生变化，使电桥失衡，输出与力大小成比例的微弱电压信号。

信号处理部分电桥输出的微弱电压信号，先经过1千欧电阻和0.1微法电容组成的滤波电路进行初步滤波，滤除高频噪声后的信号再输入到HX711芯片的INNA和INNB引脚。HX711是高精度24位 A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号，通过DOUT和PD_SCK引脚与ESP32通信，把数字信号传输给ESP32。

显示部分ESP32对接收的数字信号进行处理后，一方面可进行数据存储、分析等操作；另一方面将处理结果传输给LCD进行显示，LED可同时用于指示系统工作状态等。

利用国产软件“嘉立创EDA”开展电子设计自动化（EDA）设计，如图7所示。嘉立创EDA是一款功能强大的国产电子设计自动化软件，在硬件搭建过程中发挥着重要作用。使用嘉立创EDA进行设计时，首先要在软件中创建新的工程，并选择合适的电路板尺寸和形状。然后，从元件库中调用ESP32、HX711模块，以及各种电阻、电容等元件，按照详细电路设计图进行布局。布局完成后进行布线操作，依据电路原理连接各元件引脚。

图7 EDA设计

焊接PCB电路板如图8所示。焊接时，先在PCB板的焊盘上涂抹适量助焊剂，有助于提高焊接质量。对于较小的元件，如电阻、电容，可使用镊子夹住元件引脚，将其准确放置在焊盘上，再用电烙铁加热引脚和焊盘，使焊锡丝熔化并均匀附着在引脚和焊盘之间，形成良好的焊点。焊接ESP32和HX711等芯片时，由于引脚间距较小，操作难度较大，需格外小心。

图8 焊接PCB电路板

3D打印传感器外壳，设计如图9所示。3D打印传感器外壳不仅能保护内部电子元件，还能使传感器更具整体性和美观性。在设计外壳时，充分考虑了内部元件的尺寸和布局，确保外壳能紧密包裹元件，同时方便操作和连接。使用3D ONE建模软件，根据内部元件的尺寸创建外壳模型。

图9 3D打印外壳

成品（图10）将各个部件有机整合在一起，外观简洁、紧凑。经过测试，该传感器能准确测量力的大小和方向，并通过蓝牙将数据稳定传输至手机应用，实现了预期的功能，为后续的物理实验提供了可靠的测量工具。

图10 独立的力传感器

程序设计

限于篇幅，这里只展示主程序。

#include

#include // 引入HX711库

#include // 添加对ESP32 BLE库的支持

const int doutPin = 16;

const int pdSckPin = 4;

HX711 scale; // 创建HX711对象

// 设置HX711传感器的增益和偏移量

const float calibration_factor = -3280.0; // 根据您的HX711传感器进行调整

void setup()

setCpuFrequencyMhz(240);

BLEDevice::init("ESP32_1"); // 设置自定义蓝牙设备名

PhyphoxBLE::start(); // 启动phyphox BLE服务

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

scale.set_scale(calibration_factor); // 设置校准因子

scale.tare(); // 归零

void loop()

// 读取HX711传感器的数据

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

PhyphoxBLE::write(weight); // 将重量值发送给phyphox应用

无线实验效果展示

通过手机蓝牙向Phyphox添加实验，将2个自制的力传感器对拉，可以看到2个力的大小相等，方向相反（图11），验证了牛顿第三定律，演示效果非常明显。

图11 牛顿第三定律演示

缓慢拉木块，可以看到静摩擦力逐渐增大，当拉动的一瞬间，静摩擦力突变为滑动摩擦力，摩擦力会突然减小（图12）。

图12 摩擦力突变演示

在力传感器下方悬挂一个200 g的钩码，让其初始偏角小于5°，摆动起来，其运动近似可视为简谐振动（图13）。

图13 单摆拉力演示

在力传感器下方通过细绳连接滑轮组，还可以探究滑轮组不同绕线方式对拉力的影响（图14）。

图14 滑轮组演示

创新点

本装置造价低廉，整装置成本不到50元。采用了目前非常流行的国产开源硬件ESP32为开发平台，制作简单，编程模块化，方便调用。

采用手机应用软件Phyphox作为数据呈现装置，摆脱了传统数字化实验需要专门的实验电脑、专门的数字化实验室等不便。同时，该传感器使用蓝牙无线传输数据，免去了主控与数据线的复杂连接，使得数字化实验的门槛大幅降低，有利于广大农村地区学校使用。

自制无线力传感器不仅可以验证牛顿第三定律、单摆中绳子拉力变化、静摩擦力到滑动摩擦力突变等多种需要力传感器的数字化实验，还可以根据教师的不同需求开发出更多应用场景。

该项目获得第 38 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖

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来源 | 《中国科技教育》2025-04

编辑 | 孟想

审校 | 若惜、朱志安