STM32+HX711智能体重秤开发全记录：从原理图到实物标定

做这个智能体重秤，起因特别朴素：某天整理工作台，翻出两片落了灰的STM32F103C8T6核心板，旁边正好有一组称重传感器和HX711模块。网上讲HX711读数的教程一抓一大把，但大多只写到"能读出数字"，很少有人把原理图、PCB和仿真一起讲透。我决定自己把整个链路从头到尾走一遍：传感器原理、硬件连接、原理图设计、驱动代码、标定算法、仿真调试、实物复现，最后整理成一个可以直接照抄作业的开源包。这篇博文就是这次实践的完整记录。如果你正在找第一个真正"有闭环"的STM32项目——有模拟信号采集、有算法处理、有显示界面、还有实物交互——智能体重秤是非常合适的切入点。下文会把每个环节的"为什么"也讲清楚，而不只是堆代码。

1. 为什么选体重秤这个项目：定位与选型逻辑

1.1 项目闭环完整，难度梯度合理

做小项目练手最怕什么？怕做到一半发现坑太深，做完又发现只是点了个灯。体重秤这个题目好就好在麻雀虽小、五脏俱全：称重传感器输出的是毫伏级模拟信号，要经过放大和24位ADC才能被单片机识别，这涉及信号调理；拿到原始数据之后还要做标定、滤波、去皮，这涉及算法；最后还要通过OLED显示、按键交互把结果呈现出来，这涉及用户界面。从模拟前端到数字后端，再到人机交互，是一条非常完整的链路。

对比纯点灯、纯串口打印这类练习，智能体重秤的工程量适中，一个人利用周末完全能做出来。而且它天然具备"做完真的有用"的属性，放在家里每天称体重，每称一次都是对系统稳定性的验证。这种持续的反馈对学习动力的帮助，是任何实验板练习都给不了的。

1.2 为什么是STM32，而不是51或Arduino

很多人会问：做个体重秤，用STC89C52不也行吗？用Arduino岂不是更快？确实都能做，但选型要看学习目的。

用51的话，8位MCU没有硬件I2C外设，接OLED得用GPIO模拟I2C；没有足够强的中断管理，HX711的时序配合和低功耗设计都别扭。Arduino则把底层封装得太死，大部分时间在调库，写完可能还是说不清ADC内部采样的过程。STM32F103C8T6价格已经压到几块钱，Cortex-M3内核、72MHz主频、丰富的外设、成熟的标准外设库和HAL库生态，既能让你直接操作寄存器理解原理，又不会难到劝退。论性价比和学习效率，这个芯片是当前最平衡的选择。

还有一个务实原因：这个项目我要做仿真。Proteus对STM32F103系列的支持已经非常成熟，可以把代码在电脑上先跑通，再动手焊板子。这一点对于"零基础抄作业"的读者尤其友好。

1.3 开源包到底开了什么

这次开源没有只丢一份源码了事，而是包含四部分：Keil MDK工程源码、Altium Designer格式的原理图、Proteus仿真工程、以及一份详细的项目文档。源码可以直接编译烧录；原理图可以对照着看硬件接线；仿真工程可以在没有实物的情况下先体验完整流程；文档里写了传感器选型、校准步骤和常见问题排查。后面第7节我会逐一说明这几个文件的用法。

2. 硬件架构拆解：从重量到数字的完整链路

2.1 称重传感器是怎么工作的

项目用的是最常见的悬臂梁式称重传感器，额定载荷选50kg。它内部的核心元件是电阻应变片，粘贴在弹性体的受力部位。当外力使弹性体发生微小形变时，应变片也跟着拉伸或压缩，导致电阻值变化。但单个应变片的阻值变化率只有千分之几，直接测电阻几乎测不出有效信号，所以传感器内部把四片应变片接成了惠斯通电桥。

电桥的四个桥臂中，对角的两片随拉伸而阻值变大，另外两片随压缩而阻值变小。这样在电桥的两个输出端之间，就会产生一个与受力大小成正比的差分电压。这个电压非常小，典型灵敏度是2mV/V。意思是：每1V激励电压、满载时输出约2mV。假设传感器供电5V，50kg满载时输出大约10mV。要分辨出0.1kg的变化，系统至少要能稳定分辨0.02mV左右的信号——这已经超出普通单片机内置ADC的能力范围了。

2.2 为什么一定要HX711

STM32F103C8T6内置12位ADC，满量程3.3V时，最低分辨位约0.8mV。用它直接测量毫伏级的电桥输出，相当于拿米尺去量头发丝直径，误差会大到完全不可用。所以必须在前级加一个仪表放大器加高精度ADC的芯片，HX711就是为称重场景定制的方案。

HX711内部集成了低噪声可编程增益放大器（PGA）和一个24位Σ-Δ型ADC。增益可选64、128，常用通道A增益128。信号经过128倍放大后，满量程约1.28V，落在ADC的合理输入范围内。虽然24位的理论分辨率在实际中会因为噪声只能兑现到17~19位左右，但用来分辨0.02mV级别的变化已经绰绰有余。

2.3 系统连接关系

主机和模块之间的连接非常少，这也是这个项目适合入门的重要原因。

OLED屏采用0.96寸I2C接口，SCL接PB6，SDA接PB7，正好是STM32的I2C1引脚。另外留两个按键：一个用于去皮/清零，一个用于切换kg/lb单位并进入标定模式。整个系统的硬件关系就是把"重量→差分电压→HX711数字量→STM32处理→OLED显示"这条链路串起来。

3. 原理图设计要点与电源方案

3.1 最小系统：晶振和复位别省事

很多人用现成核心板习惯了，直接拿板子上的晶振和复位电路用，等到自己画原理图时容易漏东西。STM32F103C8T6的最小系统必须包含：8MHz晶振加两个20pF负载电容、BOOT0下拉到地的10k电阻（确保从Flash启动）、NRST复位脚接100nF电容到地、以及每个VDD引脚旁放100nF去耦电容，电源入口再放一个10uF钽电容或电解电容。

这里有个小细节：虽然有内部RC振荡器能跑起来，但USB通信和高精度定时都依赖外部晶振。体重秤虽不用USB，但HX711的时序依赖稳定的时钟，建议老老实实画上晶振。PCB布局时晶振尽量靠近MCU，底下铺地，走线不要平行长距离。

3.2 电源：模拟部分和数字部分要分清

电源是这个项目最容易出问题的环节。HX711是混合信号芯片，它对电源纹波很敏感。实测中，如果直接把HX711的VCC和单片机共用一个未经处理的5V，读数跳动会明显增大。我的方案是：USB 5V进来之后先经AMS1117-3.3给MCU供电，HX711模块单独从5V取电。注意模块上的AVDD和数字电源之间已经有去耦设计，但如果自己画板用裸芯片，一定要在AVDD引脚附近放10uF+100nF两级去耦电容。

另一个容易忽略的点是传感器激励电压的稳定性。电桥输出与激励电压成正比，激励抖动会直接折算成重量读数误差。HX711模块内部通常用稳压源给传感器供电，这是选模块而不是裸芯片的最大好处——省去了自己搭基准源的工作。

3.3 显示与按键接口

OLED的I2C接口需要接上拉电阻，标准I2C一般用4.7k欧上拉到3.3V。有些现成OLED模块上已经有了上拉电阻，画原理图时先确认，避免重复上拉导致信号驱动能力不足。按键处理最简单的方式是接GPIO输入加上拉，按下接地；如果担心按键抖动，在软件里做20ms延时消抖即可，不必硬件加RC滤波。

蜂鸣器我加了一个，但用三极管驱动，而不是让GPIO直接推蜂鸣器。STM32的GPIO灌电流能力有限，直接驱动蜂鸣器可能造成MCU复位或蜂鸣器音量不足。用8050三极管做开关，GPIO通过1k电阻接基极，效果非常稳定。测量稳定之后响一声，交互体验提升一个档次。

4. HX711驱动与称重算法：代码核心拆解

4.1 通信时序：只有两根线，但时序有讲究

HX711和MCU之间是纯GPIO控制的串行协议，接口只有DOUT和SCK两根线。DOUT是数据输出，SCK是时钟输入。当HX711完成一次模数转换后，DOUT会从高电平拉低，表示数据就绪。此时MCU开始从SCK输入脉冲，每来一个上升沿，就把当前数据位移出一位，MSB先行，一共移出24位。第25个脉冲用来设置下一次转换的通道和增益——发送25个脉冲表示继续使用通道A增益128。

这里有个新手常犯的错误：读完24位数据后忘记给第25个脉冲。如果少了这个脉冲，HX711不会切换增益配置，下次读出数据时状态不确定，看起来就是"读数偶尔对、偶尔乱"。我建议把25个脉冲的发送逻辑固定在读取函数里，不管是第一次读还是后续循环读，每次都发满25个。

4.2 驱动代码实现

下面是核心读取函数，我做了完整的注释。

// hx711.c #include "hx711.h" // PB1 -> SCK, PB0 -> DOUT void HX711_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); // DOUT 为输入，浮空输入即可 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); // SCK 为推挽输出，初始为低 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_1, Bit_RESET); } int32_t HX711_Read(void) { int32_t val = 0; uint8_t i; // 等待DOUT拉低，表示数据就绪 while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == Bit_SET); // 读24位数据，MSB先行 for (i = 0; i < 24; i++) { GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_1, Bit_SET); delay_us(1); val = val << 1; GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_1, Bit_RESET); delay_us(1); if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == Bit_SET) val++; } // 第25个脉冲，设置通道A增益128 GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_1, Bit_SET); delay_us(1); GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_1, Bit_RESET); delay_us(1); // HX711输出24位有符号补码，扩展到32位有符号数 if (val & 0x800000) val |= 0xFF000000; return val; }

代码本身不复杂，但有两个细节值得展开。第一，SCK高低电平之间至少要保证1us的延时，HX711的数据手册要求SCK频率不能太高，实际使用1us足够稳定；第二，数据是24位有符号补码，正数高位为0，负数高位为1，所以判断最高位后要进行符号扩展，否则负数会变成一个很大的正数。

4.3 标定算法与数据存储

裸读到的HX711数值和真实重量之间是线性关系，可以写成：重量 =（当前读数 - 空载偏移量）/ 标定系数。所以标定只需要两个关键参数：空载偏移量和每单位重量对应的读数增量。

标定流程很简单。上电稳定后，在秤台无负载时连续读10次取平均，得到offset；然后放上一个已知重量的标准砝码（我用的是5kg配重块），再次读10次取平均，得到loaded。标定系数就是：

scale_coeff = (loaded - offset) / 5.0 // 单位：读数/kg

之后任意时刻的重量计算就是：

weight = (HX711_Read() - offset) / scale_coeff

这两个参数必须保存到非易失存储里，否则每次断电都要重新标定。STM32F103C8T6没有内置EEPROM，但有1KB的备用寄存器区，也可以直接操作Flash。最简单可靠的做法是把参数写入Flash末尾的某个扇区，写入前先加一个约定好的magic字段（比如0xA5A5），读取时校验失败就提示用户重新标定。

typedef struct { uint16_t magic; // 0xA5A5 表示已标定 int32_t offset; // 空载读数 float scale_coeff; // 每kg对应读数 } CalibData;

标定模式通过按键进入：长按单位键3秒进入标定状态，OLED提示放上空载并记录偏移，再提示放上5kg砝码并记录斜率，整个过程一目了然。

5. 仿真与调试：实物动手前先跑通逻辑

5.1 仿真工程怎么搭

我在Proteus里新建工程，放置STM32F103C8T6、HX711、OLED、一个电位器、一个虚拟串口终端。如果没有现成的HX711模型，就用电位器模拟传感器输出：电位器的两端接HX711的A+和A-输入，旋动电位器就相当于改变电桥输出电压。这样虽然不能完全模拟真实传感器的微弱信号，但足以验证整条逻辑链路——HX711读数的变化、OLED的刷新、按键状态机切换、标定流程是否正确。

Proteus里的STM32需要导入hex文件。在MDK的Options for Target -> Output选项卡里勾选Create HEX File，编译后把生成的hex文件填到单片机属性里。晶振频率设为8MHz，和原理图一致。仿真运行后，OLED会显示当前"重量"，旋动电位器数值随之变化，虚拟串口终端同时打印原始读数，方便观察。

5.2 仿真和实物的差别

必须说清楚：仿真验证的是程序逻辑，不是模拟性能。Proteus里的电位器输出信号是干净的、无噪声的，而真实传感器输出带着工频干扰、机械振动、温漂和电源噪声。所以仿真跑通了，不等于实物就能稳定工作。我在实际项目中遇到的情况是：仿真一次通过，实物上读数每分钟漂移几十个字。这很正常，不必焦虑，后面第6节的滤波和校准方案就是用来处理这些问题的。

5.3 调试技巧：串口比OLED好用得多

在仿真和实物调试阶段，强烈建议优先用串口打印，而不是盯着OLED。OLED刷新有延迟，串口则可以把每次原始读数一帧一帧打出来，方便观察波形和趋势。MDK里勾选MicroLIB后，直接重写fputc函数就能用printf打印到串口。

int fputc(int ch, FILE *f) { while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch); return ch; }

调试阶段我把滤波前的原始值和滤波后的计算值同时打出来，对比效果立竿见影。等滤波参数调好了，再切换到OLED进入正常显示模式。

6. 实测校准与常见坑：把误差按在地上摩擦

6.1 回零与去皮

实物做出来之后，第一个要处理的是零点的漂移问题。传感器在空载时，由于粘贴应力、温度变化和机械结构变形，输出并不严格为零。我写了一个开机回零逻辑：上电后延时1秒，等电源和HX711稳定，连续采样10次取平均作为初始offset。但机械结构在长期使用后可能发生形变，零点会缓慢变化，所以保留了一个去皮按键：按键后把当前读数作为新的offset，相当于随时手动回零。

这里有个实用经验：称重平台必须放在坚硬、平整的地面上。地毯、软垫会导致传感器受力不均匀，读数偏大且重复性差。我调试时发现同一物体在瓷砖和木地板上读数差了将近0.3kg，排查了半天才发现是地面软硬导致的机械问题，不是电路问题。

6.2 漂移来源与对策

实物调试最大的坑是读数漂移，主要来源有三个。

第一是电源温漂。HX711和传感器上电后，芯片内部温度缓慢上升，导致基准电压变化。对策是先让系统预热几分钟，或者用软件在稳定后自动记录零点。第二是传感器本身的蠕变，即长时间加载后输出会缓慢变化。这属于机械特性，只能在结构上改善，对家用精度要求来说不用过于纠结。第三是电磁干扰，尤其是传感器线长且没有屏蔽时，读数会周期性跳动。对策是尽量让传感器线短一些，如果无法缩短，就采用双绞线走线，PCB上传感器接口下方铺地。

我测试时发现，HX711的SCK信号线如果和供电线平行走太长距离，数字串扰会耦合进模拟前端，直接表现为读数跳变。解决方法是SCK走线尽量短，且在SCK引脚附近加一个22欧串联电阻抑制振铃。

6.3 软件滤波：中值加平均的双保险

真实世界中，称重信号的噪声主要分两类：随机白噪声和冲击性脉冲噪声。白噪声用平均滤波压制，冲击噪声用中值滤波消除。我的方案是：连续读5次，去掉最大值和最小值，对中间3次取平均。这样既滤掉了踩秤瞬间的冲击干扰，又平滑了随机噪声。

int32_t HX711_GetFilteredValue(void) { int32_t buf[5]; int32_t tmp; uint8_t i, j; for (i = 0; i < 5; i++) { buf[i] = HX711_Read(); delay_ms(20); } // 简单冒泡排序，找出中间值 for (i = 0; i < 4; i++) for (j = 0; j < 4 - i; j++) if (buf[j] > buf[j + 1]) { tmp = buf[j]; buf[j] = buf[j + 1]; buf[j + 1] = tmp; } // 去掉最大值和最小值后取平均 return (buf[1] + buf[2] + buf[3]) / 3; }

20ms的采样间隔对应约50Hz采样率，对体重这种缓慢变化的物理量完全够用。如果单次测量反应偏慢，可以把间隔缩到10ms。实际体验下来，这个滤波方案能让读数稳定在±0.05kg以内，体重秤完全够格。

7. 开源包内容与复现指南

7.1 目录结构说明

开源包按功能分成四个目录，每个目录都有对应的README说明。

SmartBodyScale/ ├── Doc/ # 项目文档、数据手册、标定说明 ├── Firmware/ # MDK工程源码 │ ├── Core/ # 启动文件、系统时钟配置 │ ├── Drivers/ # HX711、OLED、按键、蜂鸣器驱动 │ └── User/ # main.c、标定逻辑、界面逻辑 ├── Hardware/ # 原理图工程和PDF └── Simulation/ # Proteus仿真工程

Firmware里我按外设拆分了驱动文件，每个文件对应一个硬件模块。新手抄作业时可以只改main.c里的逻辑，不用动底层驱动；想深入学习时可以逐个阅读驱动文件，理解每个寄存器配置的目的。

7.2 从零复现的五个步骤

第一步，安装MDK5和对应芯片支持包，编译Firmware工程，确认能通过并生成hex文件。第二步，打开Simulation里的Proteus工程，加载hex文件跑仿真，旋动模拟传感器输出的电位器，看OLED和串口输出是否正常。第三步，按照Hardware里的原理图准备元器件，注意传感器的四根线颜色和定义要对照模块丝印确认。第四步，按照原理图焊接，焊接顺序建议从电源部分开始，先量电压再上芯片。第五步，烧录程序后进行标定：开机空载记录零点，放上标准砝码记录斜率，然后反复验证几个不同重量的读数。

7.3 复现中的常见问题

我把调试过程中遇到的高频问题整理成了表格。

传感器线缆的颜色定义是个经典陷阱。市面上常见的四线制传感器，红色E+、黑色E-、白色A+、绿色A-，但我手上有过不同品牌颜色定义完全相反的情况。接线前务必用万用表量一下，确认信号线之间的阻值关系：E+和E-之间的阻抗一般比A+和A-之间大，且A+到E+和A-到E-的阻值应该接近相等。这个检查能避免调试时浪费大量时间。

最后说点个人体会。这个项目做完后，我最深的感受是：真正花时间的不是HX711那几行读数据的代码，而是标定、滤波和机械结构。代码层面的问题，仿真阶段基本都能暴露；但实物上的温漂、噪声、受力不均，只能靠实际测试一点点磨。有一个小技巧分享给大家：拿到传感器后，先用手分别按压秤面的四个角，观察四个角读数是否一致。如果偏差很大，说明秤台结构没有调平或者传感器受力点不对，这时候再怎么调代码都白搭。把机械层面的问题解决掉，再回来调软件，效率会高很多。这个顺序，是我踩了无数次坑之后总结出来的。