俞恩源 溫曉芳

摘? 要：文章介紹一款新型超重失重實驗儀的設(shè)計與制作方案，該實驗儀可以采集人在下蹲和起立過程中所受支持力大小的數(shù)據(jù)，并通過藍牙通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦，再由電腦軟件繪制出支持力的大小隨時間變化的圖像。

關(guān)鍵詞：超重失重;力傳感器;藍牙;圖像

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）1-0046-3

人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理必修1》、人教版普通高中教科書《物理必修第一冊》兩套教材在“超重失重”的章節(jié)中都引入了利用體重秤來觀察超重失重現(xiàn)象的實驗（圖1）。該實驗貼近生活、便于操作，但也存在一定的缺點：人下蹲和起立兩個過程的時間間隔都比較小，要想清楚地觀看指針的變化過程，還是存在一定的困難。為此，筆者設(shè)計并制作了一款新型超重失重實驗儀（圖2），可以較好地解決這方面的困難。現(xiàn)將設(shè)計與制作過程介紹出來，供大家參考。

1? ? 總體設(shè)計

超重失重實驗儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，單片機通過A/D轉(zhuǎn)換器讀取來自力傳感器的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送給LCD驅(qū)動器，使液晶顯示屏上顯示出支持力大小的數(shù)據(jù)。同時又把數(shù)據(jù)傳送給藍牙串口模塊，藍牙串口模塊負責(zé)向電腦發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)電腦自帶的藍牙模塊接收到數(shù)據(jù)后，由配套的電腦軟件繪制出支持力隨時間變化的圖像。

2? ? 硬件部分

電子體重秤已經(jīng)逐漸走進千家萬戶，它的內(nèi)部就包含了超重失重實驗儀所需的部分元器件，因此購買一臺普通的電子體重秤進行改裝是制作實驗儀的首選方案（筆者通過網(wǎng)絡(luò)購物平臺購買了一臺型號為EB698的香山牌家庭用電子體重秤進行改裝）。由于電子體重秤的電路和程序設(shè)計不符合實驗儀的要求，所以要拆除原有的電路（圖4），設(shè)計和制作新的電路（圖5）。各部分電路介紹如下：

2.1? ? 壓力傳感器

該電子體重秤底部的四只腳上均安裝了一只半橋式壓力傳感器（圖6），量程為0～50 kg（0～490 N）。這樣的四只傳感器可以連接成全橋測量電路（圖7），連接后總量程為0～200 kg（0～1960 N），該量程可以滿足超重失重實驗的要求。

2.2? ? 信號放大及A/D轉(zhuǎn)換電路

從壓力傳感器輸出的是微弱的模擬信號，需要將該信號放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才方便單片機的進一步處理。本實驗儀采用電子秤專用模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換芯片HX711（圖8）對信號進行放大和轉(zhuǎn)換。該芯片具有高達24位的轉(zhuǎn)換精度，其輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A或通道B，其中通道A的最大可編程增益為128，可以滿足本實驗儀的要求。

HX711芯片的AVDD端為模擬電源輸出端，連接傳感器的E+，給其供電。芯片的INNA端和INPA端為A通道輸入端，分別連接傳感器的輸出端S-、S+，用于接收傳感器輸出的模擬信號。芯片的PD_SCK端和DOUT端各連接單片機1位I/O接口，單片機通過發(fā)出不同電平信號控制PD_SCK端電平狀態(tài)，控制A/D轉(zhuǎn)換，通過DOUT端將支持力的數(shù)字信號發(fā)送給單片機[1]。本實驗儀需要在單位時間內(nèi)獲得盡量多的數(shù)據(jù)，因此將HX711的BATE端連接高電平，此時HX711的輸出數(shù)據(jù)速率為80 Hz。

為了簡化電路的制作過程，筆者通過網(wǎng)絡(luò)購物平臺購買了型號為XFW-HX711的電路模塊。該模塊已經(jīng)包含了HX711芯片及其外部電路，因此只需將該模塊分別與傳感器及單片機連接即可。

2.3? ? 主控芯片

本實驗儀的數(shù)據(jù)處理主要由型號為STC11L04E的單片機（圖9）來完成。STC系列單片機具有速度快、功耗低、在線編程方便、價格便宜等優(yōu)點。為了獲得精準(zhǔn)的定時時間及串口波特率，給單片機搭配了頻率為11.0592 MHz的晶體振蕩器。

2.4? ? 顯示電路

為了盡量減少體重秤外觀上的變化，保留了體重秤原裝的字段式液晶顯示屏。經(jīng)測試該液晶屏的占空比為1/4，偏置比為1/3，閾值電壓約為3 V。因此，選用了型號為HT16C21的芯片（圖10）作為顯示屏的驅(qū)動器。HT16C21是一款存儲器映射和多功能LCD控制/驅(qū)動芯片。該芯片顯示模式有80點 （20×4）或128點（16×8）。HT16C21的軟件配置特性使得它適用于多種LCD應(yīng)用，包括LCD模塊和顯示子系統(tǒng)。HT16C21通過雙線雙向I2C接口與單片機進行通信。將HT16C21芯片的SDA、SCL端各連接單片機1位I/O接口，由單片機模擬I2C時序來完成通信。

2.5? ? 無線收發(fā)電路

單片機獲取支持力的數(shù)據(jù)后需要將數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦，由電腦來繪制圖像。實驗儀與電腦之間傳送數(shù)據(jù)的方式可以分為有線和無線兩種。為了讓實驗儀在使用的時候變得更加靈活、方便，筆者采用了無線傳輸?shù)姆绞?。另外，為了不在電腦上增加更多的硬件設(shè)備，選擇了筆記本電腦自帶的藍牙模塊來接收實驗儀發(fā)送的數(shù)據(jù)。為此，給實驗儀配備了型號為HC-06的藍牙串口通信模塊（如圖11所示，該模塊可以在網(wǎng)絡(luò)購物平臺上購買到），該模塊支持UART接口[2]，將它的TXD、RXD端分別與單片機的RXD、TXD端相連即可。

3? ? 軟件部分

3.1? ?單片機程序

單片機每隔12.5 ms從A/D轉(zhuǎn)換模塊讀取一次數(shù)據(jù)（即每秒鐘讀取80組數(shù)據(jù)），并將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的支持力的大小。一方面，將支持力的數(shù)據(jù)發(fā)送給液晶屏驅(qū)動芯片（HT16C21），從而驅(qū)動液晶屏顯示支持力的大小;另一方面，通過藍牙串口模塊將支持力的數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦。

3.2? ? PC機程序

電腦程序是筆者利用Visual Studio開發(fā)平臺制作的一個窗體程序，主要功能是從電腦的藍牙模塊讀取支持力大小的數(shù)據(jù)，一方面在窗體中顯示支持力的大小，另一方面描繪出支持力的大小隨時間變化的圖像（圖12）。（需要電腦程序的讀者請直接與筆者聯(lián)系。）

本實驗儀可以使下蹲和起立過程中支持力大小的變化過程變得更加容易觀察。老師們在使用時可以將筆記本電腦的畫面投影到教室的投影儀上或直接用教室的大屏幕電腦連接本實驗儀，這樣就能讓全班學(xué)生同時看到力的變化過程。另外，該實驗儀還可以用來做電梯中超重失重的實驗，以及其他需要測量支持力或壓力的實驗。

參考文獻：

[1]張爭剛，熊剛.基于單片機的多功能電子秤設(shè)計[J].機械與電子，2016（11）：58-61.

[2]錢志鴻，楊帆，周求湛.藍牙技術(shù)原理、開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：114-115.

（欄目編輯? ? 王柏廬）