柔性壓力傳感器及基于NodeMCU 的數顯平臺設計

朱宏

（上海格納德薄膜開關有限公司，上海，201108）

0 引言

隨著可穿戴電子、電子皮膚、監測人體健康等領域的發展，傳感技術得到越來越廣泛應用，已經成為衡量一個國家電子信息化程度的重要標志[2]。柔性壓力傳感器對于電子皮膚、智慧醫療、可穿戴設備、智能機器人等至關重要。

柔性壓力傳感器主要檢測電性能的變化，根據原理的不同主要分為三類電阻式、電容式和壓電式。電阻式柔性壓力傳感器主要有柔性電極和力敏材料組合而成，根據施加壓力的變化而引起阻值相應的變化；電容式是利用平行板電容器原理，容值的大小和間距成反比，施加壓力會改變極板的間距從而引起電容值的變化；壓電式的原理是壓電效應，由壓電材料構成，按壓后實現電能的轉換[3]。

三種類型的柔性壓力傳感器各有優缺點，其中的電容式壓力傳感器易收到外界干擾，有寄生電容影響；壓電式空間分辨率低，僅適用于動態測量；電阻式也有其不足，但其具有檢測動態范圍廣、過載承受能力強、結構簡單、抗干擾能力強等優點。

本文基于絲網印刷工藝制作的電阻式柔性壓力傳感器具有工藝流程簡單、結構穩定、低成本、適合大批量制作等優勢[4]。并基于NodeMCU 和OLED 顯示器設計了壓力數顯平臺用于測量和調試。

1 柔性壓力傳感器設計

本文的電阻式壓力傳感器主要有四個部分組成，自上而下結構：第一層是下表面印刷了高阻導電炭槳的PET（聚對苯二甲酸酯）膜；第二層是貼合上下導電層的雙面膠；第三層是印刷在納米銀電極上的具有微結構的壓敏油墨，壓力的作用下會有微小形變從而改變上下電極的接觸面引起電阻值變化，壓力越大接觸面越大，阻值越小；第四層是在PET 膜絲網印刷導電銀漿制作的叉型電極，主要是用來作輸出電極。該壓力傳感器的工作原理是在無壓力作用下電極是開路的，無電阻輸出；當有按壓力作用在上層PET 膜時，高阻炭會和叉型電極接觸形成具有阻值的導通回路，由于中間的壓力敏感油墨的微結構作用使得上導電層和銀漿電極的接觸面會發生變化，因而輸出的阻值會發生相應的變化。

圖1 壓力傳感器結構

2 數顯系統設計

■2.1 總體系統設計

本系統主要有惠斯通電橋電路電壓數據采集、NodeMCU作為控制器的數據處理部分，OLED 顯示部分，超壓報警LED 燈。具體如圖2 所示。

圖2 系統總體設計框圖

■2.2 硬件設計

電阻測量電路是利用惠斯通電橋原理制作的，惠斯通電橋電路是有四個電阻組成的電橋電路，其中的電阻稱為橋臂，利用電阻的變化測量物理量的變化，是一種測量精度很高的測量方式。其中的R1、R2、R3 是固定的，Rx 是可變電阻，本文中的電阻式壓力傳感器接入Rx 位置，Rx 發生變化時，B、D 兩點之間的電壓值就會發生變化，NodeMCU通過采集電壓的變化就可以計算相應的壓力變化。

圖3 電路原理圖

NodeMCU 開發板是一款運行樂鑫ESP8266 的可編程固件，主控芯片是樂鑫的ESP8266[5]，一個ADC 接口A0，D0-D10 十個均可服用為GPIO、PWM、I2C 的接口，USB供電，并可以提供3.3V 電壓輸出。本設計選用了A0 作為電壓的輸入接口；D1、D2、D6、D7、D8 作為輸出接口，其中D1，D2，D6，D7 分別設為SCK（串行時鐘）和SDA（串行數據）通過I2C 通信控制OLED1 和OLED2 數值顯示，D8 作為GPIO 口進行高低電平輸出控制報警LED 燈。

■2.3 軟件設計

圖4 軟件設計流程圖

本設計方案使用NodeMCU 作為核心控制器，通過Arduino IDE 進行程序編寫，并通過USB 串口將程序上傳至控制器，最終實現本設計的需要完成的功能。首先在Arduino IDE 配置好Esp8266 開發環境，安裝好Esp8266 Module 模塊，安裝好Adafruit SSD1306 庫文件和Arduino 自帶的用于I2C 通信的庫文件；其次在Arduino IDE 里定義好通信波特率用于程序傳輸用本設計設定波特率為9600，并定義好輸入輸出接口，本設計輸入口為A0 引腳，輸出口為D8 引腳，OLED1 的從機地址為0x3C，SCK、SDA 引腳為D1、D2，OLED2 的從機地址也為0x3C，SCK、SDA 引腳為D5、D6；第三步編寫相應的數學運算將輸入的電壓值映射為對應的壓力數值；第四部通過分支結構對壓力值進行判斷，當壓力值超過設定的值時引腳D8 輸出高電平通過電阻點亮白色LED 燈。

程序流程，NodeMCU 將采集到的電壓信號通過ADC 轉化映射為數值0-1023，根據實測壓力傳感器的值為0-560g，通過數學轉換將0-1023 映射為0-560，通過I2C 接口將數據顯示在OLED1 上，將變化的曲線圖顯示在OLED2 上。通電初始狀態下設置OLED1、OLED2 顯示字符，按壓時OLED 分別顯示變化的數值和曲線，并且在按壓的過程中對壓力的上限進行判斷但壓力超過500g 時OLED 顯示HIGH！！！”，切白色LED 點亮并閃爍2 次。

3 系統實測

圖5 試驗測試狀態圖

將壓力傳感器接在搭建的平臺上，用手開始按壓時OLED1 上有顯示數值隨壓力的變化而變化，變化的范圍是0-400g，同時OLED2 上的曲線隨壓力大小而變化。當壓力超過設定的400g 時，OLED1 和OLED2 上分別顯示“HIGH”“！??！”，同時白色的LED 開始閃爍。

4 結論

本文設計的柔性壓力傳感器可用于觸覺感測，人機交互，智能機器人等領域，感測力的范圍為0-560g，響應時間小于10ms，具有柔性防水，功耗低，結構簡單穩定等優點。搭建的數顯測試平臺能很好的將力的變化轉換為數值的變化，并顯示在OLED 上，并通過設定按壓力的上限提示超載，對實際應用有一定的借鑒價值。