STM32+HX711电子秤仿真设计：从原理到Proteus实现

简介：基于STM32单片机与HX711称重传感器的电子秤超重报警Proteus仿真资源包，面向嵌入式初学者、电子设计爱好者及课程设计开发者。压缩包内含282个文件，包括C/H语言源程序、Keil工程配置文件、Proteus仿真工程文件（pdsprj）、HEX固件以及PDF说明文档等，整体大小18.44MB，结构清晰，便于快速查阅与二次开发。目前已有1367人学习下载，可帮助理解高精度重量采集、阈值比较和声光报警的设计流程，仿真环境能直观还原系统运行状态。通过完整源码与配套电路，读者既能掌握STM32外设驱动与HX711数字滤波处理，又能在Proteus中直接观察称重与报警联动效果，为后续真实硬件调试和功能扩展提供清晰参考。

1. 项目概述与整体设计思路

1.1 电子秤仿真系统能做什么

拿到这份资料，先把它的功能摸清楚：这是一个基于STM32单片机、配合HX711称重传感器专用ADC芯片实现的电子秤全流程项目，区别在于它不需要实物电路板，直接靠Proteus仿真软件跑通整个逻辑。系统支持实时重量读取、LCD屏幕显示、按键去皮、报警阈值设置，以及超重时的声光报警。仿真环境里用电位器模拟称重传感器的微小差分电压变化，调节电位器就相当于往秤盘上放东西，读数会跟着变，超过设定阈值后蜂鸣器响、LED亮。整个过程完整复现了一台工业电子秤的核心工作流。

对于正在做课程设计、毕业设计，或者单纯想搞懂“单片机怎么读取称重传感器数据”的开发者来说，这套资料的价值很明显：源代码是可编译、可烧录、可仿真的，不是那种网上满天飞的残缺代码。你不需要先买一套HX711模块和称重传感器回来，就能把整套测量逻辑、标定流程、报警机制全部跑通，等理解了原理之后再转实物，踩坑成本直线下降。

1.2 为什么选STM32+HX711+Proteus这套组合

先说说方案选型。电子秤这类项目，市面上有很多实现路径，比如用51单片机加个ADC0809、或者直接用STM32内部ADC采集。但这个项目偏偏选了HX711作为采集前端，这里面的门道值得琢磨。

称重传感器的输出信号是微伏到毫伏级别的差分电压，如果用普通ADC直接采样，分辨率根本不够。HX711是专门为称重应用设计的24位高精度ADC芯片，内部自带低噪声可编程增益放大器（PGA），最多可以放大128倍，直接把传感器出来的微弱信号放大到单片机能够稳定读取的范围。再加上它内置稳压电路，可以直接为传感器提供稳定的激励电压，外围电路极简，一块小板子就能搞定。相比STM32内部12位ADC，HX711在精度和抗干扰方面都是碾压级的优势。

选择Proteus做仿真，核心原因是成本低、调试效率高。实物方案需要买模块、焊板子、接线，一旦出问题排查起来费时费力；仿真环境里改一条线、换一个参数只需要几秒钟。而且Proteus对STM32F103系列的支持已经比较成熟，可以加载Keil生成的hex文件直接运行，配合虚拟示波器、虚拟终端调试程序，非常适合学习阶段反复折腾。

2. HX711测量原理与信号链路

2.1 电阻应变片与电桥原理

想弄懂这个项目，先得明白称重传感器内部是怎么回事。市面上常见的单点式称重传感器，里面核心部件是4片电阻应变片，它们以全桥方式连接。桥路的供电端是E+和E-，信号输出端是S+和S-。没有任何负载时，电桥四个桥臂的电阻相等，输出差分电压近似为零。当重物压在传感器弹性体上时，弹性体发生形变，贴在它表面的应变片跟着被拉伸或压缩，电阻阻值发生变化——其中对臂的两片电阻增大，另外两片减小。

电桥平衡被打破后，S+和S-之间就会出现一个微小的差分电压。这个电压有多小呢？一般来说，额定负载下传感器的灵敏度在1mV/V到2mV/V之间。也就是说，如果供电电压是5V，满量程时输出差分信号大约只有5mV到10mV。这种级别的微弱信号，如果不经过放大，单片机ADC根本无法准确分辨。而这正是HX711存在的意义。

2.2 HX711芯片关键特性

HX711最核心的几个参数，搞清楚了才算入门。第一，它内部集成了24位Σ-Δ型ADC，输出二进制补码格式的转换结果。第二，可编程增益放大器支持A通道128倍或64倍增益、B通道32倍增益，称重场景最常用的就是A通道128倍。第三，片上稳压器可以输出稳定的模拟电源给传感器桥路供电，大大简化了外围设计。第四，数据输出速率可选10SPS或80SPS，这个速率对电子秤这种对实时性要求不高的场景完全够用，而且低速率本身就能起到一定的滤波效果。

HX711和单片机之间是典型的串行通信方式，只有两根线：PD_SCK（时钟）和DOUT（数据）。但注意，这种通信不是标准的SPI接口，它没有片选线，时序也需要严格按照芯片手册来，实际上属于一种类似SPI的定制协议。很多初学者在这里栽跟头，代码写不出来。放心，后面的章节我会把时序讲透。

2.3 数据读取时序与增益选择

HX711的数据读取时序不复杂，但细节非常多。芯片空闲时DOUT保持高电平，当一次转换完成后，DOUT会被拉低，此时通知单片机“数据准备好了”。单片机检测到DOUT为低电平后，开始产生时钟脉冲。每给PD_SCK一个高脉冲，DOUT引脚上就输出一位数据，先高位后低位，连续24个脉冲正好读完24位数据。读完后，还需要继续给1到3个额外时钟脉冲，这决定了下一次转换的增益和通道：

• 第25个脉冲：下一次使用A通道，128倍增益
• 第26个脉冲：下一次使用B通道，32倍增益
• 第27个脉冲：下一次使用A通道，64倍增益

称重项目基本上都选第25个脉冲，也就是通道A、128倍增益。有一点特别容易踩坑：读出来的24位数据是二进制补码格式，最高位是符号位。如果你用无符号整数去接收，当传感器受到拉力或零点附近负漂移时，读数就会变成一个很大的正数，整个显示逻辑就乱了。所以正确做法是累加时使用有符号类型（int32_t），或者读出无符号数后手动处理符号扩展。

下面是HX711读取数据的核心函数，这个函数可以直接抄进工程使用：

int32_t HX711_Read(void) { uint8_t i; int32_t value = 0; // 等待DOUT拉低，表示转换完成 while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1)); // 读取24位数据，高位在前 for (i = 0; i < 24; i++) { GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // SCK拉高 delay_us(5); value = value << 1; // 左移一位 if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1)) { value++; } GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // SCK拉低 delay_us(5); } // 第25个脉冲，设置A通道128倍增益 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); delay_us(5); GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); delay_us(5); return value; }

读取完成后，还有一个重要操作：延时。HX711完成一次转换需要一定时间，即使是最高速的80SPS，转换周期也有12.5ms。所以主循环里读取频率不要过高，最好做一次读取间隔10ms以上的控制。否则可能出现DOUT还没拉低，你就去等待转换完成，结果卡死主程序。

3. 硬件设计与接线

3.1 Proteus元器件准备与选型

仿真工程里涉及的核心元器件主要有STM32F103C8主控、HX711模块模型、LM016L字符液晶（Proteus里1602的标准模型）、蜂鸣器、LED、按键，以及一个用于模拟称重传感器信号变化的电位器。这里重点说明一下传感器部分的处理思路。

Proteus元件库中其实没有现成的“称重传感器”符号，很多教程会选择用两个可变电阻串联搭一个桥路来模拟。如果你拿到的资料里已经画好了仿真电路，直接打开用就行。如果你打算自己从零搭一个，最省事的做法是：在HX711的S+和S-之间接一个精密电位器，调节电位器改变输入电压差，等效于传感器输出的微小变化。这种方式虽然不能完全反映电桥的动态特性，但用来验证数据读取、标定、报警这条逻辑链路已经足够了。

3.2 引脚分配与接线表

为了后续对照代码理解，这里把最常用的一组引脚分配整理成表格。不同版本的资料引脚可能略有差异，但逻辑一致，只要对应修改程序里的宏定义即可。

LCD选择四线模式而不是八线模式，主要目的是节省GPIO资源。STM32F103C8虽然有足够多的引脚，但省下来的IO可以留给后面的功能扩展，而且四线接法布线也更简单，实际效果完全不受影响。

3.3 STM32电源设置与最小系统

在Proteus里仿真STM32，最容易被忽略的就是电源设置。很多人在原理图中放置了STM32F103C8芯片，但芯片却无法正常工作，排错半天发现是芯片根本没有供电。STM32F103C8的VDD和VSS引脚在Proteus模型中是默认隐藏的，需要手动确保电源网络正确连接。

具体操作建议：在原理图编辑区放置POWER符号，电压值设为+3.3V，放置GROUND符号接GND，然后通过导线分别连接到芯片逻辑电路的电源网络。如果仿真跑不起来，检查一下“System -> Set Power Rails”里面的网络映射，确认VDD网络对应+3.3V、VSS网络对应GND。另外，如果代码里配置了外部晶振做系统时钟，仿真电路里也要放一个8MHz晶振接到OSC_IN和OSC_OUT引脚，两侧各加一个20pF左右的电容到地。如果不想在仿真里折腾晶振，也可以把代码改成使用内部HSI时钟，这样最小系统连晶振都可以省略。

4. 软件代码实现与关键逻辑

4.1 初始化与数据读取函数

软件部分我按功能模块拆开讲。首先是GPIO和启动初始化。HX711的SCK引脚配置为推挽输出，DOUT引脚配置为上拉输入。上拉很重要，因为HX711的DOUT是开漏输出结构，虽然模块板上通常已经有上拉电阻，但在代码层面配置输入的上下拉模式是一个保险操作，可以避免浮空带来的误触发。

主函数里还要做原子的延时初始化。本项目的延时函数主要用于HX711时序中的高电平保持时间，以及主循环的采样间隔控制。HX711对时序要求不算苛刻，但SCK高电平保持时间至少要有1微秒才算稳妥。所以延时函数的精度直接影响通信可靠性——这里建议不要用那种编译器优化掉的空循环延时，最好用系统定时器或者DWT计数器来实现微秒级延时。如果你用的是标准库或者HAL库，直接使用delay_us()这种现成函数即可。

4.2 称重标定与重量计算原理

用HX711读出来的原始值，本身并不是重量，它只是一个和输入差分电压线性相关的数字量。要想让显示值成为克或者千克，必须做标定。标定本质上就是确定两个参数：零点和缩放系数。

第一步，读取零点。在空秤状态下连续读取10到20次数据，取平均值作为零点值zero_value。

第二步，读取标准重量。在秤盘上放置一个已知重量的标准砝码，比如1kg，同样读取多次数据取平均，记为load_value。

第三步，计算缩放系数：

scale = (load_value - zero_value) / 1000.0f; // 单位：g

这里的1000表示标准砝码的质量是1000克，单位按克计算。之后任意时刻的重量计算公式为：

weight_g = (current_raw - zero_value) / scale;

需要特别提醒：scale必须用浮点数保存，否则整数除法会丢失精度。在实际工程里，这个标定过程通常通过一个按键触发，配合LCD提示“放上1kg砝码”。在仿真调试时，可以先把电位器调到某个固定位置，假装它是1kg标准负载，标定完成后，再去旋转电位器观察重量的线性变化。关键是要理解：电位器旋转角度和“重量”之间不一定是线性关系，但HX711读数和输入电压之间是严格线性的，标定算法本身不关心前端是什么，只需要知道“某个输入对应某个已知重量”这一点。

4.3 零点追踪与数据滤波

在真实电子秤里，长时间使用后零点会漂移——温度变化、传感器蠕变、应变片老化都会导致空秤读数不再回到初始零点。如果零点不准，后续所有重量计算都不准。最简单的零点追踪思路是：每次检测到秤盘上的载荷长期接近零时，自动把当前读数更新为新的零点。

这里的难点在于如何判定“秤盘空载”。一个实用的做法是：连续采集N次数据，如果这N次数据的最大值和最小值之差小于某个阈值（比如2g对应的原始读数），且平均值也小于某个偏移量，就认为当前处于空秤状态，把平均值赋值给零点。需要注意的是，零点追踪不能太激进，否则用户正在加载物体但物体很轻时，零点会被错误更新，导致显示值被“吃掉”。较为稳妥的做法是增加一个持续判定，比如连续500ms都满足空载条件才更新零点。

在Proteus仿真中，可以用电位器模拟小幅漂移来验证零点追踪是否生效。数据滤波方面，最常用的是一阶滑动平均值。我这里使用窗口为8的滑动平均滤波，既能抑制工频（50Hz）干扰带来的小幅波动，又不至于让响应变得过于迟钝：

#define FILTER_N 8 int32_t filter_buf[FILTER_N]; uint8_t filter_index = 0; int32_t filter_sum = 0; int32_t Data_Filter(int32_t raw) { filter_sum -= filter_buf[filter_index]; filter_buf[filter_index] = raw; filter_sum += raw; filter_index = (filter_index + 1) % FILTER_N; return filter_sum / FILTER_N; }

这段代码的核心是滑动窗口求和：把新值加入缓冲区、旧值移出，用总和除以窗口长度得到平均结果。相比每次循环都重新求和的笨办法，这种方式计算量恒定，适合单片机这种资源有限的平台。

4.4 超重报警与显示逻辑

显示部分，1602液晶初始化成4位模式后，第一行显示实时重量，单位g，第二行显示当前报警阈值和状态。按键K2、K3用于调整报警阈值，K1实现去皮功能。去皮的本质很简单：把当前读数设为新的零点，这样传感器上已有的容器重量就会被扣除，显示的是容器内物品的净重。实现方式就是触发一个标志位，在标定代码中把zero_value更新为当前滤波后的读数即可。

超重报警逻辑放在主循环的末端执行：

if (weight_g > limit_weight) { GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_6); // 蜂鸣器响 GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7); // LED亮 } else { GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_6); GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7); }

实际产品中，蜂鸣器不能一直长响，最好用定时器产生2kHz左右的方波驱动，并且在报警持续一定时间后自动关闭，防止刺耳噪音。仿真阶段驱动蜂鸣器让引脚持续输出高电平即可。如果你手头工程里的蜂鸣器模型是有源蜂鸣器，高电平触发是可行的；如果是无源蜂鸣器，需要切换GPIO输出方波。这一点在移植到实物板时一定要确认模块类型。

5. Proteus仿真搭建与调试

5.1 从零搭建STM32仿真工程的步骤

如果你选择的是打开现成仿真文件，跳到5.2继续看。如果你想自己从零复刻整个仿真电路，可以照下面的步骤操作：

第一步，新建Proteus工程，在元件库中放置STM32F103C8、LM016L、HX711（如果元件库里有；没有的话可以用电位器+电阻网络模拟输入）、按键、蜂鸣器、LED和必要电阻电容。第二步，按照3.2节的接线表连接电路。第三步，双击STM32芯片，在“Program File”中加载Keil编译生成的hex文件，晶振频率填8000000（对应外部8M晶振）。第四步，点击运行按钮。如果程序正常运行，1602会显示初始重量。

这里必须提醒一个Proteus的操作细节：STM32F103C8默认情况下程序运行需要配置启动文件选择，也就是BOOT0和BOOT1引脚电平。在仿真中，BOOT0要接低电平，BOOT1接低电平，让芯片从主Flash启动。很多人的仿真一直卡在“芯片没有响应”的状态，就是忘记了这两个引脚的电平设置。在Proteus里，你可以直接不连接这两个引脚，但为了标准，建议显式接GND。

5.2 仿真运行时的典型故障排查

我在调试类似项目时整理了一份高频问题排查表，这里直接分享出来：

排查这类问题的核心思路是“从源头往前推信号链路”。先确认HX711是否在产生数据（示波器看DOUT波形），再确认数据是否被正确读入（用调试器在线看变量），最后再看显示和报警逻辑。永远不要跳过前面几点直接去调显示。

5.3 从仿真到实物移植的注意事项

仿真跑通之后，如果打算做成实物，有几个仿真里发现不了的坑需要提前知道。

第一个是基准电压和供电质量。仿真里的电源都是理想电压源，实物的HX711模块对电源纹波特别敏感，建议VCC和GND之间并接一个100uF电解电容和0.1uF陶瓷电容，给传感器激励端也加滤波电容。第二个是传感器接线颜色。市面上常见的称重传感器有红黑绿白四根线，红色接E+，黑色接E-，绿色接S+，白色接S-，但不同厂家颜色定义偶尔会有差异，最好用万用表先判断桥臂电阻再接线。第三个是共地问题。STM32和HX711模块必须共地，否则通信电平无法保持稳定，这是很多实物调试中“读数随机漂移”的根本原因。

还有一点值得注意：Proteus仿真中HX711的通信时序是理想化的，实物中信号线较长时容易引入串扰，这时候SCK引脚上的信号质量可能变差。解决办法是缩短杜邦线长度，或者在SCK和DOUT线上各自串联一个100欧姆左右的电阻用来抑制振铃。

6. 实测体验与个人经验

这套项目我完整跑过一遍，从Proteus仿真到实物移植都做了。整体印象是：HX711+STM32这个组合对于学习“传感器信号链”非常有帮助——从微弱信号生成、放大、ADC采集到数字滤波、标定换算，再到控制输出，一整条链路非常完整。但有几个细节直到我实际调试时才真正体会到。

零点追踪这个功能，网上资料提的很多，但真正把逻辑做好的不多。最简单的实现方式是在主循环里周期性检测空载状态并更新零点，但要注意这个逻辑和按键去皮功能的关系：如果用户手动去皮后又触发了零点追踪，很可能覆盖掉用户刚刚设定的去皮零点。我的处理方式是在去皮之后的一个固定时间窗口内（比如10秒）暂停零点追踪，让用户完成容器放置。这个窗口大小在仿真里无所谓，但在实物中直接影响用户体验。

另一个经验是关于标定参数保存。仿真环境里全局变量掉电就丢，可以接受。但实物产品中，标定好的scale和zero_value如果不保存，每次上电都要重新标定，非常痛苦。建议在工程中引入EEPROM模拟，或者用STM32内部Flash的最后一个扇区存储这两个参数，上电时直接读取并校验。这个功能在仿真中也能验证，只是需要用代码模拟掉电场景。

最后分享一个小技巧：在Proteus仿真里调试HX711时，可以把PA9（USART1_TX）连接到虚拟终端，把每次读取的原始值和换算后的重量值直接打印出来。这样比用LCD查看快得多，可以直观看到滤波前后数据的区别，也能帮助你快速判断标定参数是否合理。把这套调试方法养成习惯，以后做其他传感器项目也会省下大量时间。

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