基于蓝牙技术的超重失重实验仪

    俞恩源 温晓芳

    

    

    

    摘? 要：文章介绍一款新型超重失重实验仪的设计与制作方案，该实验仪可以采集人在下蹲和起立过程中所受支持力大小的数据，并通过蓝牙通信的方式将数据发送给电脑，再由电脑软件绘制出支持力的大小随时间变化的图像。

    关键词：超重失重;力传感器;蓝牙;图像

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）1-0046-3

    人教版普通高中课程标准实验教科书《物理必修1》、人教版普通高中教科书《物理必修第一册》两套教材在“超重失重”的章节中都引入了利用体重秤来观察超重失重现象的实验（图1）。该实验贴近生活、便于操作，但也存在一定的缺点：人下蹲和起立两个过程的时间间隔都比较小，要想清楚地观看指针的变化过程，还是存在一定的困难。为此，笔者设计并制作了一款新型超重失重实验仪（图2），可以较好地解决这方面的困难。现将设计与制作过程介绍出来，供大家参考。

    1? ? 总体设计

    超重失重实验仪的结构框图如图3所示，单片机通过A/D转换器读取来自力传感器的数据，并把数据传送给LCD驱动器，使液晶显示屏上显示出支持力大小的数据。同时又把数据传送给蓝牙串口模块，蓝牙串口模块负责向电脑发送数据，当电脑自带的蓝牙模块接收到数据后，由配套的电脑软件绘制出支持力随时间变化的图像。

    2? ? 硬件部分

    電子体重秤已经逐渐走进千家万户，它的内部就包含了超重失重实验仪所需的部分元器件，因此购买一台普通的电子体重秤进行改装是制作实验仪的首选方案（笔者通过网络购物平台购买了一台型号为EB698的香山牌家庭用电子体重秤进行改装）。由于电子体重秤的电路和程序设计不符合实验仪的要求，所以要拆除原有的电路（图4），设计和制作新的电路（图5）。各部分电路介绍如下：

    2.1? ? 压力传感器

    该电子体重秤底部的四只脚上均安装了一只半桥式压力传感器（图6），量程为0～50 kg（0～490 N）。这样的四只传感器可以连接成全桥测量电路（图7），连接后总量程为0～200 kg（0～1960 N），该量程可以满足超重失重实验的要求。

    2.2? ? 信号放大及A/D转换电路

    从压力传感器输出的是微弱的模拟信号，需要将该信号放大并转换成数字信号才方便单片机的进一步处理。本实验仪采用电子秤专用模拟/数字（A/D）转换芯片HX711（图8）对信号进行放大和转换。该芯片具有高达24位的转换精度，其输入选择开关可任意选取通道A或通道B，其中通道A的最大可编程增益为128，可以满足本实验仪的要求。

    HX711芯片的AVDD端为模拟电源输出端，连接传感器的E+，给其供电。芯片的INNA端和INPA端为A通道输入端，分别连接传感器的输出端S-、S+，用于接收传感器输出的模拟信号。芯片的PD_SCK端和DOUT端各连接单片机1位I/O接口，单片机通过发出不同电平信号控制PD_SCK端电平状态，控制A/D转换，通过DOUT端将支持力的数字信号发送给单片机[1]。本实验仪需要在单位时间内获得尽量多的数据，因此将HX711的BATE端连接高电平，此时HX711的输出数据速率为80 Hz。

    为了简化电路的制作过程，笔者通过网络购物平台购买了型号为XFW-HX711的电路模块。该模块已经包含了HX711芯片及其外部电路，因此只需将该模块分别与传感器及单片机连接即可。

    2.3? ? 主控芯片

    本实验仪的数据处理主要由型号为STC11L04E的单片机（图9）来完成。STC系列单片机具有速度快、功耗低、在线编程方便、价格便宜等优点。为了获得精准的定时时间及串口波特率，给单片机搭配了频率为11.0592 MHz的晶体振荡器。

    2.4? ? 显示电路

    为了尽量减少体重秤外观上的变化，保留了体重秤原装的字段式液晶显示屏。经测试该液晶屏的占空比为1/4，偏置比为1/3，阈值电压约为3 V。因此，选用了型号为HT16C21的芯片（图10）作为显示屏的驱动器。HT16C21是一款存储器映射和多功能LCD控制/驱动芯片。该芯片显示模式有80点 （20×4）或128点（16×8）。HT16C21的软件配置特性使得它适用于多种LCD应用，包括LCD模块和显示子系统。HT16C21通过双线双向I2C接口与单片机进行通信。将HT16C21芯片的SDA、SCL端各连接单片机1位I/O接口，由单片机模拟I2C时序来完成通信。

    2.5? ? 无线收发电路

    单片机获取支持力的数据后需要将数据发送给电脑，由电脑来绘制图像。实验仪与电脑之间传送数据的方式可以分为有线和无线两种。为了让实验仪在使用的时候变得更加灵活、方便，笔者采用了无线传输的方式。另外，为了不在电脑上增加更多的硬件设备，选择了笔记本电脑自带的蓝牙模块来接收实验仪发送的数据。为此，给实验仪配备了型号为HC-06的蓝牙串口通信模块（如图11所示，该模块可以在网络购物平台上购买到），该模块支持UART接口[2]，将它的TXD、RXD端分别与单片机的RXD、TXD端相连即可。

    3? ? 软件部分

    3.1? ?单片机程序

    单片机每隔12.5 ms从A/D转换模块读取一次数据（即每秒钟读取80组数据），并将原始数据转换成对应的支持力的大小。一方面，将支持力的数据发送给液晶屏驱动芯片（HT16C21），从而驱动液晶屏显示支持力的大小;另一方面，通过蓝牙串口模块将支持力的数据发送给电脑。

    3.2? ? PC机程序

    电脑程序是笔者利用Visual Studio开发平台制作的一个窗体程序，主要功能是从电脑的蓝牙模块读取支持力大小的数据，一方面在窗体中显示支持力的大小，另一方面描绘出支持力的大小随时间变化的图像（图12）。（需要电脑程序的读者请直接与笔者联系。）

    本实验仪可以使下蹲和起立过程中支持力大小的变化过程变得更加容易观察。老师们在使用时可以将笔记本电脑的画面投影到教室的投影仪上或直接用教室的大屏幕电脑连接本实验仪，这样就能让全班学生同时看到力的变化过程。另外，该实验仪还可以用来做电梯中超重失重的实验，以及其他需要测量支持力或压力的实验。

    参考文献：

    [1]张争刚，熊刚.基于单片机的多功能电子秤设计[J].机械与电子，2016（11）：58-61.

    [2]钱志鸿，杨帆，周求湛.蓝牙技术原理、开发与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006：114-115.

    （栏目编辑? ? 王柏庐）