基于STM32的中药自动分装系统：从称重传感器到步进电机的完整方案

简介：嵌入式系统在自动化设备中扮演着核心角色，通过传感器采集物理量并控制执行机构，实现精准作业。以称重分装为例，高精度ADC芯片与电机驱动协同，配合状态机逻辑，就能构建一个低成本、高可靠性的自动配料系统。这种设计不仅降低了设备成本，还大幅提升了分装效率与精度，在中药房、食品加工、化工配料等需要按克计量的场景中具有极高的实用价值。本文基于STM32平台，详细拆解了一款中药分装系统的硬件架构与源码实现，涵盖HX711称重传感器、步进电机控制、重量滤波算法以及状态机设计，为嵌入式开发者和电子爱好者提供了一套可复用的完整工程案例。

1. 这个项目到底能解决什么问题：从人工抓药痛点说起

中药房抓药这事儿，干过的人都知道有多耗人。医生一张方子开出来，少则七八味，多则二十几味，每味药几克到几十克不等。传统的人工戥子称量，老师傅靠手感，新手靠反复校准，一剂药抓下来要几分钟，碰上量大时药房窗口排队是常事。更要命的是，人工称量难免有误差，遇到需要精确到克的重症调理方，差几克药效就变了。我见过不少中药房想上自动化设备，但市面上的商用中药配方颗粒调剂机动辄十几万甚至几十万，普通诊所、社区医院根本负担不起。

这个基于STM32的中药分装系统，本质上就是做了一台“低成本半自动称量分装机”：把药材放入料仓，系统通过称重传感器实时监测出药重量，当达到设定克数时控制步进电机停止出药，从而实现按克自动分装。完整源码套装里包含了原理图、PCB、下位机STM32源码、上位机配置工具，属于毕业设计级但能真正跑起来的项目。

它适合谁？一是做嵌入式开发的工程师，想找一个完整的“传感器采集+电机控制+UI交互”综合案例；二是中药设备相关的创业团队，拿来做原型验证；三是电子/自动化专业的毕业生，这个项目的技术栈覆盖面足够写一篇漂亮的毕业设计。就算你完全没接触过STM32，只要会C语言基础，跟着源码走一遍，也能把整套系统跑起来。

2. 整体设计方案拆解：为什么是STM32，系统如何分工

2.1 系统硬件架构：四大部分各司其职

整套系统的硬件组成可以用一句话概括：主控负责大脑，称重模块负责感知，电机负责执行，显示按键负责交互。拆开来看，包含以下四个核心模块。

主控部分选用STM32F103系列芯片。为什么选它？首先是生态成熟，STM32F103是ST公司最经典的M3内核芯片，资料多到看不完，Keil工程模板网上遍地都是，遇到问题随便搜就有答案。其次是外设丰富，这个项目需要ADC采集称重数据、定时器产生PWM驱动步进电机、I2C或SPI驱动显示屏、GPIO扫描按键，F103的内外设完全覆盖，而且价格在10元以内，成本压力小。最后是性能冗余足够，72MHz主频处理称重滤波和PID控制算法绰绰有余，不会再被某次运算卡死。

称重模块采用HX711专用24位高精度ADC芯片配合电阻应变式压力传感器。这里有个关键点：STM32自带的12位ADC虽然能采集电压，但分辨率远不够称重使用。称重传感器输出的差分信号只有毫伏级，需要HX711内置的128倍增益可编程放大器先把信号放大，再经过24位ADC转换为数字信号。换算一下：假设传感器量程5kg，满量程输出2mV/V，在5V激励下输出10mV，经过128倍放大后是1.28V，24位ADC最小区分量对应重量约为5kg/16777216≈0.3mg，满足了中药称重“精确到0.1g”的精度需求。实测下来HX711模块价格在3元左右，性价比极高。

执行机构包含步进电机驱动料仓螺杆出药，以及一个舵机控制下料挡板开合。中药饮片不像标准化的药丸，有长条状、片状、颗粒状，直接靠重力下落容易堵塞或断流，所以采用螺杆推进方式，通过控制电机旋转圈数来控制出药量。步进电机选择28BYJ-48或42步进电机配合ULN2003或A4988驱动板，既能保证定位精度，又不会因为扭矩不足卡死。

人机交互采用0.96寸OLED显示屏加4个独立按键。OLED显示当前模式、目标克数、实时重量和状态提示，按键完成模式切换、数值调整和启动/停止操作。整套系统用12V电源供电，通过LM2596降压模块输出5V给主控和电机驱动，HX711和传感器直接用5V供电，OLED用3.3V。

2.2 软件架构：状态机驱动的主循环

软件部分围绕一个核心思想：不要用阻塞式延时，用状态机管理整个运行流程。完整源码的框架是：初始化各外设后，进入一个无限循环，循环内部分别处理按键事件、OLED刷新、称重数据采集和控制逻辑。

控制逻辑部分采用一个简单的状态机，包含空闲、预启动、出药中、完成、错误五个状态。空闲状态下系统待机，OLED显示“等待设定”；用户通过按键设定目标克数后按启动键，进入预启动状态，电机短暂反转几圈把料仓中松散的药材压实，消除间隙；然后进入出药状态，电机正转推动螺杆送药，HX711持续读取重量并计算差值，当实际重量逼近目标值时开始减速，达到目标值后立即停转，进入完成状态；如果中途检测到重量异常或按键停止，则进入错误状态。源码中这个状态机的实现非常清晰，switch-case结构一目了然，移植或修改逻辑都很方便。

2.3 为什么不用PID而用“渐进式减速”策略

看过源码的人可能会疑惑：出药控制部分并没有用复杂的PID算法，而是用了一套渐进式减速策略。这是经过考量的。中药饮片出药过程有很强的非线性和随机性——当归片可能一下滑出3g，枸杞可能卡住半天不掉，传统的固定PID参数很难应对这种工况。而且PID的整定需要大量试验，不适合即装即用的场景。

渐进式策略具体是这样实现的：设定一个目标值后，系统定义了两个阈值——减速阈值和停止阈值。比如目标30g，实际重量达到27g时（即接近90%），电机从高速模式切到低速脉冲模式，螺杆转速降低一半，减少出药的惯性冲击；实际重量达到29.5g时，电机改为点动模式，每转几圈停一下，读取稳定重量后再决定是否继续。这个策略等效于“粗调快、细调慢、微调点”，虽然单次分装耗时比PID稍长，但可靠性高，适应不同药材形态的能力强。源码中这些阈值的定义都在config.h头文件里，用户可以按实际药材调节，我在后面的调试章节会给出具体的参数范围。

3. 核心源码逻辑精讲：从数据采集到电机控制的完整链路

3.1 HX711驱动与重量滤波算法

拿到源码先看HX711的驱动。HX711的通信协议是自定义的类SPI时序，只需要两根线：PD_SCK（时钟）和DOUT（数据）。驱动代码的核心是把时序按照datasheet上的要求精确控制，源码里提供了完整的读函数：

uint32_t HX711_Read(void) { uint32_t count = 0; uint8_t i; GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1); // 拉低PD_SCK，等待DOUT就绪 while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0)); // 等待DOUT变低 for(i = 0; i < 24; i++) { GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1); count = count << 1; if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0)) count++; GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1); } count ^= 0x800000; // 转换为有符号数 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1); GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1); // 第25个脉冲，选择A通道128增益 return count; }

这段代码逻辑不复杂，但有三个细节值得注意。第一是有符号转换：HX711输出的是二进制补码，直接读出来的32位数据需要做异或0x800000处理，否则负值会变成很大的正数。第二是DOUT高电平检测，必须在DOUT变低后才能开始读数据，这是HX711的握手协议，漏掉这一步会读到错误的随机值。第三是第25个脉冲决定下一次转换的通道和增益，这里选择通道A的128增益，对应满量程5kg的传感器。

重量滤波是称重系统的重要环节。中药分装时，药材下落瞬间会对传感器产生冲击，读到的瞬时值波动很大。源码里采用中位值滤波+滑动平均滤波的级联方案：先连续读取5次原始数据，取中间值剔除异常冲击；再放入一个长度为10的队列中求平均。这样既抑制了突发的毛刺，又平滑了连续抖动的干扰。实测效果很好，静止状态下重量波动可以控制在±0.1g以内。

float Get_FilteredWeight(void) { uint32_t raw[5]; uint8_t i, j; uint32_t temp; for(i = 0; i < 5; i++) { raw[i] = HX711_Read(); delay_us(10); } // 冒泡排序取中值 for(i = 0; i < 4; i++) { for(j = i + 1; j < 5; j++) { if(raw[i] > raw[j]) { temp = raw[i]; raw[i] = raw[j]; raw[j] = temp; } } } // 滑动平均滤波 filter_buf[filter_index++] = raw[2]; if(filter_index >= FILTER_LEN) filter_index = 0; int32_t sum = 0; for(i = 0; i < FILTER_LEN; i++) sum += filter_buf[i]; return (float)sum / FILTER_LEN; }

3.2 重量标定：比例因子和零点偏移的确定

从HX711读到的值是原始ADC码，要和实际重量对应起来必须做标定。源码里标定的核心是确定两个参数：零点偏移值和比例系数。标定方法在配套文档里有详细说明，这里我结合实际操作讲一下。

准备一个已知重量（比如100g）的标准砝码。先在空载状态下读取滤波后的重量值，记录为零点基准zero_offset；然后放上砝码读取重量值，计算此时ADC码与零点的差值，除以砝码重量得到每克对应的ADC码值，即比例因子scale_factor。后续计算实时重量就用公式：weight = (filtered_value - zero_offset) / scale_factor。

这个标定过程在源码里是通过串口命令触发的，用户用串口助手发送CAL_100命令并放上100g砝码，系统自动完成计算并存贮到Flash中，下次上电直接读取，不需要重复标定。这里要提醒一点：称重传感器的线性度在全量程内并不完全一致，建议用标称量程的20%、50%、80%三个点分别标定，取平均值作为最终比例因子，能显著提高全量程精度。比如5kg的传感器，用1kg、2.5kg、4kg三个砝码分别标定再取平均，效果比单点标定好得多。

3.3 步进电机的脉冲控制与加减速

出药机构的控制精度直接决定分装能否准确停在目标克数。源码里步进电机用的是加减速控制，而不是简单的匀速转。为什么？因为步进电机在启动瞬间频率过高会丢步——电机没有转，但脉冲已经发了，导致实际位置和预期位置累积偏差；停止时如果转速太高，惯性会带着螺杆继续转几圈，多送出不少药材。

加减速控制的实现思路是软件定时器配合定时器中断：启动时期望频率从低速开始，每个定时周期累加一点点，直到达到目标速度；停止时反过来，频率逐渐降低再停。这个梯形加减速模型在源码的motor.c文件中实现：

void Motor_SetSpeed(uint16_t target_freq) { if(target_freq > current_freq) { // 加速阶段：频率逐步递增 current_freq += ACCEL_STEP; if(current_freq > target_freq) current_freq = target_freq; } else if(target_freq < current_freq) { // 减速阶段：频率逐步递减 current_freq -= ACCEL_STEP; if(current_freq < target_freq) current_freq = target_freq; } TIM_SetAutoreload(TIM2, 1000000 / current_freq); }

ACCEL_STEP的取值是有讲究的。取大了加减速太猛，失去了平滑的意义；取小了响应太慢，出药过程的实时性受影响。源码里默认值是200Hz，即每次定时器中断调速200Hz，实测下来在500Hz到4000Hz的转速范围内，加减速过程约需1.6秒完成，出药动作既平稳又不会太慢。

出药过程中的联动逻辑是这样的：主循环每20ms读取一次实时重量，判断当前重量所处的区间，然后调用Motor_SetSpeed切换电机转速。这个20ms的采样周期也是经过计算的——HX711每秒输出10次采样率，即100ms一个完整转换周期，20ms查询一次可以及时捕获最新数据，又不会因为过于频繁而读到未更新的旧值。我建议有条件的可以调用HX711的RATE引脚拉高把采样率提升到80SPS，查询周期改为10ms，出药控制的响应会更跟手。

4. 环境搭建与源码工程跑通：从下载到运行的全流程

4.1 开发环境与工程配置

这个项目基于STM32F103C8T6最小系统板，开发环境是Keil MDK5。如果你刚接触STM32，建议先用STM32CubeMX生成了工程框架，再对照源码套件的工程做移植。完整源码套装里的工程文件是标准库版本，不是HAL库版本，在Keil里打开project目录下的uvprojx文件就能直接编译。

这里有一个容易踩坑的点：芯片型号选择。源码默认的Device是STM32F103C8T6，如果你手上是C6T6或RCT6，需要在魔术棒对话框的Device选项卡里重新选择对应型号。注意选完型号后，C/C++选项卡的Define宏需要确认是否包含STM32F10X_MD，C8T6属于中等密度产品，这个宏必须保持，否则标准库外设配置会报错。

编译通过后接上ST-Link或J-Link下载器，在Utilities选项卡里设置好下载算法，点击Load按钮就能把固件烧录到芯片里。如果下载时提示No ST-Link detected，多半是驱动问题——ST-Link的驱动必须用ST官网的STM32 ST-LINK Utility配套驱动，不是Windows自动安装的通用驱动，我用Win10系统就遇到过两次这个问题，重装ST-Link的专用USB驱动就好了。

4.2 硬件连接清单与检查

源码包里的原理图已经把引脚分配都定义好了，板子连接时需要严格对应。这里我列一份对照表，方便你边接线边核对：

注意HX711和步进电机的GPIO在源码里有重用的安排，所以接线要按照上面的表严格来。如果发现出药时重量数据乱跳，先检查HX711的电源是否稳定——传感器的激励电压必须由稳定的5V提供，不要和电机的12V电源共用同一路，最好用独立的LM2596模块降压供电，否则电机启停瞬间的电压波动会让HX711读数飙到飞起。

4.3 首次运行与参数整定：我的实测记录

硬件连接无误并烧录固件后，上电应该看到OLED亮起并显示系统标题。我建议第一次调试不要直接装药材测试，而是走一遍“空载全流程”：按设定键把目标设为10g，再按启动键，观察电机旋转情况。如果电机不转，用示波器或逻辑分析仪查一下PA6、PA7是否有脉冲输出，没有就检查定时器配置；有脉冲但电机不动，多半是ULN2003驱动板的供电线没接好，或者COM口和电源负极没连通。

空载运转正常后，装入药材进行标定和实测。我第一次装的是枸杞，目标10g，结果电机停了以后重量显示只有7.6g，差了一大截。排查发现是螺杆停转后，出料口上方还悬着一部分药材没有完全落入接料盘。解决办法是在停止条件上增加延时判断：电机停转后不立即判定完成，而是延时1.5秒等待残余药材落完，再读取稳定重量判断误差是否在允许范围内。源码里这个逻辑在state_machine.c的MOTOR_CARRY_STOP状态中实现，默认延时值就是1500ms，针对不同药材可以在COMPLETE_DELAY_MS宏里调整，片状药材建议2秒，粉末状1秒就够。

完成标定后我连续测试了20次10g分装，最大误差0.3g，最小误差0.0g，平均误差0.12g。对于中药饮片分装场景，这个精度已经超过人工戥子称量的水平了。

5. 调试过程中遇到的典型问题与排查思路

5.1 称重数值漂移

现象：空载状态下OLED上的重量数字会缓慢变化，有时候几分钟漂了2g。这是初学者最容易遇到、也最容易误判为硬件损坏的问题。

排查思路：先看HX711供电是否纹波过大，用万用表交流档测5V输出，如果读数超过50mV，就在电源输出端并联一个100uF电解电容和104瓷片电容。再看传感器的机械安装——传感器必须通过四个角的固定孔安装在稳定的底座上，如果只用双面胶粘在板子上，热胀冷缩都会导致零点漂移。最后看代码里有没有周期性去皮功能，源码的模式三支持“长按去皮”，选择这个模式后系统每10分钟自动记录一次零点偏移并重新校准，能有效抵消温漂。

5.2 电机出药过冲

现象：目标10g，实际分装结果总是在10.5g到11g之间。这说明电机停转后，螺杆还在往外送药，原因多半是药材堆积在螺杆出口的“自由落体段”。

解决方法是三级减速策略要调节到位：默认减速阈值是85%，点动阈值是95%，但对颗粒小的药材可以改成90%和98%，低速段的时间拉长，让螺杆在最后阶段只推出一点点药材。另外检查出料通道——在出料口加一段5cm长的导流管，让药材在下落过程中不直接冲击传感器托盘，冲击力会明显减小，重量读数更稳定。这个改动是我在实际测试中加入的，对分装精度提升很有帮助。

5.3 其他常见问题速查表

5.4 给源码做“产品化”改进的三个方向

基础跑通后，这个系统要真正落地使用，还有几个值得深挖的改进方向，源码的架构都预留了扩展点。

第一个方向是增加上位机联动。源码里已经预留了串口通信协议帧，往上位机发数据用类似微信扫码枪的“FW0000001000”格式字符串。写一个简单的Qt或Python上位机，可以从后台下发处方数据，分装完成后自动打印标签，这就把单机版升级成了半自动工作站。

第二个方向是引入物料识别。OLED不够直观，换一个2.4寸TFT屏并增加触摸功能，再通过切换料仓编码区分不同药材，就能实现“多品种自动配方”，接近商用中药配方颗粒调剂机的功能。硬件成本增加不到30元，实用性提升一大截。

第三个方向是数据追溯。在源码的数据存储部分增加分装记录日志功能，每次分装都往外部Flash写入时间戳、目标克数、实际克数、误差值，后期通过串口导出Excel做质量分析。在药房质量管理体系里，这条流程记录是硬需求，有这一项功能就能从“实验样机”变成“可用设备”。

6. 写在最后：这个项目值得你花时间的三个理由

前面把系统的硬件架构、软件逻辑、调试经验都串了一遍。按我的经验，一个做嵌入式的工程师如果完整地把这套源码吃透并跑通，收获的不只是一台能用的分装机，而是三类可复用的能力。

第一是传感器融合的工程能力。HX711称重模块的驱动和滤波处理，稍作修改就能用在电子秤、料位监测、拉力测试仪等场景。中药分装系统里“渐进式减速”的控制思想，做自动灌装机、粉末配料机同样适用。

第二是状态机思维。这个项目的软件骨架是一个清晰的状态机模型，主循环、事件触发、状态迁移的实现方式非常典型。以后做复杂业务逻辑的嵌入式设备，这套思维直接套用能省很多调试时间。

第三是完整系统的全局视角。从传感器模拟量采集，到数字滤波，到控制算法，到机械执行，到人机交互，再到故障处理，整个链路麻雀虽小五脏俱全。做产品最怕在各环节之间掉链子，把这个系统完整走一遍，你对“一个电子设备是如何工作的”会有质变的理解。

最后分享一个小技巧：调试这类称重分装系统时，别急着调PID或改算法。先拿一个精确的商用厨房秤放在旁边，和自己的系统同时称同一堆药材，如果两边读数一致性很好，说明硬件和算法都没问题；如果差得明显，优先查传感器的激励电压和机械安装，而不是算法。我见过太多人在代码里折腾半天，最后发现是传感器底座螺丝松了。

这套源码真的值得你动手试试，特别是你在做嵌入式相关的工作或学习。实操中遇到任何问题，只要按照我上面列的排查思路和参数调节方法一步一步来，大概率都能顺利解决。

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