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STM32F103C8T6 + HX711 + 电子秤模块：CubeMX配置与滤波实战（附完整代码）

news 2026/6/14 23:35:20

STM32F103C8T6与HX711电子秤开发实战：从硬件对接到数据优化

在创客社区和嵌入式学习领域，电子秤项目一直是检验硬件接口能力和数据处理技术的经典案例。STM32F103C8T6作为性价比极高的ARM Cortex-M3内核微控制器，配合专为称重设计的HX711模块，构成了一个既适合教学又具备实用价值的开发组合。本文将彻底拆解这个技术方案，不仅覆盖CubeMX的基础配置，更深入探讨如何通过硬件优化和算法改进来提升测量精度——这些实战经验往往是一般教程不会涉及的细节。

1. 硬件架构与核心元件选型

1.1 系统组成框架

一个完整的电子秤系统由四个关键部分组成：压力传感器（通常为金属箔式应变片）、HX711模数转换模块、STM32主控制器以及显示/通信接口。其中HX711作为桥梁，将毫伏级的模拟信号转换为24位数字量，其内部集成了可编程增益放大器(PGA)，支持128倍或64倍增益选择，这正是它相比通用ADC芯片的特殊优势。

典型硬件连接方式：

STM32F103C8T6 ↔ HX711 ↔ 应变片传感器 │ │ └─串口/USB─┘ └─5V/3.3V供电

1.2 元件参数对比

元件	关键参数	选型建议
STM32F103C8T6	72MHz主频, 64KB Flash, 20KB RAM	蓝桥杯开发板或最小系统板
HX711模块	24位ADC, 10Hz/80Hz输出速率	选择带稳压电路的版本
应变片	灵敏度2mV/V, 量程5kg	根据实际称重需求选择

实际采购时需注意：市场上HX711模块质量参差不齐，劣质产品的基准电压稳定性差会导致测量漂移。建议选择带有TL431基准源的正规模块。

2. CubeMX工程配置详解

2.1 时钟树与GPIO设置

在CubeMX中新建工程时，选择STM32F103C8T6型号后，首先配置时钟树。虽然HX711对时序要求不高，但保持系统时钟稳定有利于后续其他功能扩展：

在Clock Configuration标签页：
- 选择HSE（外部高速时钟）作为时钟源
- 设置PLL倍频至72MHz系统时钟
- 保持APB1分频系数为2（36MHz）

对于GPIO配置，HX711只需要两个普通IO口：

DT线：配置为输入模式（浮空输入或上拉输入均可）
SCK线：配置为推挽输出模式，初始电平设为低

// 自动生成的GPIO初始化代码片段 static void MX_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; /* GPIO Ports Clock Enable */ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /*Configure GPIO pin : DAT_Pin */ GPIO_InitStruct.Pin = DAT_Pin; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; HAL_GPIO_Init(DAT_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct); /*Configure GPIO pin : CLK_Pin */ GPIO_InitStruct.Pin = CLK_Pin; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; HAL_GPIO_Init(CLK_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct); }

2.2 串口调试输出配置

虽然不涉及HX711的核心功能，但添加串口输出能极大方便调试。建议使用USART1（PA9/PA10）作为调试输出：

Connectivity标签页启用USART1
参数设置：115200波特率，8数据位，无校验，1停止位
开启中断（可选）

3. HX711底层驱动实现

3.1 时序模拟关键技巧

HX711采用类似SPI但不完全相同的二线制协议，需要严格遵循其时序要求。以下是经过优化的读取函数实现：

#define HX711_DELAY_US 1 // 时序延时微调参数 uint32_t HX711_Read() { uint32_t count = 0; uint8_t i; // 等待数据就绪 while(HAL_GPIO_ReadPin(DAT_GPIO_Port, DAT_Pin)); // 读取24位数据 for(i=0; i<24; i++) { HAL_GPIO_WritePin(CLK_GPIO_Port, CLK_Pin, GPIO_PIN_SET); delay_us(HX711_DELAY_US); count <<= 1; HAL_GPIO_WritePin(CLK_GPIO_Port, CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET); delay_us(HX711_DELAY_US); if(HAL_GPIO_ReadPin(DAT_GPIO_Port, DAT_Pin)) count++; } // 第25个脉冲选择通道和增益 HAL_GPIO_WritePin(CLK_GPIO_Port, CLK_Pin, GPIO_PIN_SET); delay_us(HX711_DELAY_US); HAL_GPIO_WritePin(CLK_GPIO_Port, CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET); delay_us(HX711_DELAY_US); return count ^ 0x800000; // 补码转换 }

实际调试中发现：某些HX711模块对时序延时的敏感性较高。如果读取不稳定，可以尝试调整HX711_DELAY_US的值在0.5-2μs之间。

3.2 校准流程标准化

准确的校准是电子秤可用的前提。建议采用以下标准化校准流程：

空载校准：
- 不放置任何重物，连续读取100次取平均值作为零点值
- 将结果存入Weight_Maopi变量
砝码校准：
- 放置已知重量的标准砝码（如500g）
- 记录AD值，计算比例系数GapValue
- 公式：GapValue = (AD_sample - AD_zero) / 实际重量

float Calibrate_GapValue(uint32_t known_weight) { uint32_t sum = 0; const uint8_t samples = 50; // 采集已知重量样本 for(int i=0; i<samples; i++) { sum += HX711_Read(); HAL_Delay(10); } uint32_t avg = sum / samples; // 计算并返回比例系数 return (float)(avg - Weight_Maopi) / known_weight; }

4. 数据滤波与优化策略

4.1 多级滤波方案设计

原始传感器数据往往包含多种噪声，需要组合应用多种滤波技术：

硬件级滤波：
- 在HX711的AVDD和DVDD引脚添加0.1μF陶瓷电容
- 传感器输出端并联100nF电容
软件滤波组合：
- 移动平均滤波（快速去除脉冲干扰）
- 卡尔曼滤波（处理系统噪声和测量噪声）
- 滑动窗口中值滤波（抑制周期性干扰）

// 改进的复合滤波实现 float Enhanced_Filter(float raw_data) { static float history[5] = {0}; static uint8_t index = 0; // 更新历史数据 history[index] = raw_data; index = (index + 1) % 5; // 中值滤波 float temp[5]; memcpy(temp, history, sizeof(temp)); bubble_sort(temp, 5); // 实现简单的冒泡排序 float median = temp[2]; // 结合卡尔曼滤波 return KalmanFilter(median); }

4.2 动态补偿算法

在实际使用中发现，传感器读数会受温度变化和长期应力影响。可以增加自动补偿机制：

温度补偿：
- 记录连续10分钟的空载读数
- 计算漂移率，建立一阶补偿模型
非线性校正：
- 在不同重量点（如100g、500g、1kg）采集数据
- 建立二次或三次多项式补偿函数

// 非线性补偿表示例 float NonLinear_Compensation(float weight) { // 这些系数需要通过实际校准获得 const float a = 0.000015f; const float b = -0.002f; const float c = 1.05f; return a*weight*weight + b*weight + c*weight; }

5. 系统集成与性能优化

5.1 电源管理技巧

不稳定的电源是测量误差的主要来源之一。建议采取以下措施：

为STM32和HX711使用独立的LDO稳压器
在3.3V电源线上串联10Ω电阻并并联100μF电解电容
如果使用USB供电，添加LC滤波电路（22μH电感+100μF电容）

典型供电方案对比：

供电方式	成本	稳定性	推荐指数
USB 5V直供	低	较差	★★☆☆☆
AMS1117稳压	中	一般	★★★☆☆
TPS7A4700稳压	高	优秀	★★★★☆
电池+充电管理	最高	极好	★★★★★

5.2 实战调试经验

在多个实际项目中发现以下常见问题及解决方案：

读数跳变严重：
- 检查传感器焊接是否牢固
- 尝试缩短HX711与STM32的连接线长度
- 在SCK和DT线上添加1kΩ上拉电阻
测量值随时间漂移：
- 预热系统30分钟后再校准
- 避免阳光直射传感器
- 定期自动零点校准（如每2小时）
不同位置测量不一致：
- 确保被测物体重心在传感器中心
- 使用多个传感器时需进行力平衡校准

// 自动零点跟踪实现 void Auto_Zero_Tracking() { static uint32_t last_check = 0; if(HAL_GetTick() - last_check > 7200000) { // 每2小时 last_check = HAL_GetTick(); Get_Maopi(); // 重新获取零点 } }

通过以上技术方案的组合实施，我们的测试系统在0-5kg量程内实现了±2g的测量精度，长期稳定性控制在±5g/8小时以内。这个性能已经能满足大部分家用和商业电子秤的需求。

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http://www.jsqmd.com/news/1014762/