基于STM32F103C8T6与HX711的电子秤设计：HAL库驱动与数据校准实战

1. 项目背景与硬件选型

最近在做一个智能厨房项目，需要精确测量食材重量。市面上现成的电子秤模块要么精度不够，要么价格太高，于是决定自己用STM32F103C8T6和HX711搭建一个高精度电子秤系统。这个组合特别适合创客和嵌入式开发者，成本不到50元，精度却能轻松达到0.1%级别。

选择STM32F103C8T6这块"蓝色小药丸"有几个原因：首先是性价比超高，20块钱就能买到正品；其次它自带硬件SPI和定时器，方便与HX711通信；最重要的是HAL库支持完善，开发效率高。HX711则是专为电子秤设计的24位ADC芯片，内部集成放大器，直接连接应变片就能用，省去了复杂的外围电路。

硬件连接非常简单：

• HX711的DT脚接PA1（任何GPIO都可）
• SCK脚接PA0
• VCC接3.3V
• GND共地
• 应变片的E+、E-接HX711的正负输入端

2. 开发环境搭建

我用的是STM32CubeIDE，这个IDE最大的好处是自带HAL库和图形化配置工具。新建工程时选择STM32F103C8T6，时钟配置为72MHz（外部8MHz晶振倍频）。关键是要开启两个外设：

1. USART1：用于调试输出重量数据
2. TIM2：用于实现微秒级延时

在CubeMX里配置GPIO时，PA0设为输出模式（推挽），PA1设为输入模式（上拉）。时钟树配置要注意APB1总线不要超过36MHz，否则定时器会出问题。生成代码后，记得在main.c里添加重定向printf的代码：

int fputc(int ch, FILE *f) { HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xff); return ch; }

3. HX711驱动实现

HX711的通信协议比较特殊，不是标准的SPI或I2C，需要手动控制时序。在HX711.h中定义几个宏简化操作：

#define CLK_1 HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET) #define CLK_0 HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET) #define Read_PIN HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1)

数据读取的核心在Get_number()函数。HX711每次输出24位数据，高位在前。关键是要在时钟下降沿读取数据，每个时钟周期保持至少1us的低电平：

unsigned long Get_number() { val = 0; CLK_0; while(!Read_PIN); // 等待数据就绪 for(int i=0; i<24; i++) { HAL_Delay_us(1); CLK_1; val = val << 1; HAL_Delay_us(1); CLK_0; if(Read_PIN) val++; HAL_Delay_us(1); } // 第25个脉冲设置增益 CLK_1; val = val ^ 0x800000; // 补码转换 HAL_Delay_us(1); CLK_0; return val; }

这里有个坑要注意：很多网上的例程没有在读取后清零val变量，会导致后续数据异常。实测发现延时参数也很关键，太快会导致数据错位，太慢会影响采样率。

4. 数据校准与滤波处理

原始ADC值需要转换为实际重量。我的20kg应变片分度系数是103，在Get_Weight()函数中处理：

long Get_Weight(void) { HX711_Buffer = Get_number(); Weight = HX711_Buffer; Weight = (long)((float)Weight / 103); // 校准系数 return Weight; }

校准步骤很关键：

1. 空载时读取10次取平均值作为零点
2. 放置已知重物（如500g砝码）
3. 计算系数 = 原始ADC值 / 实际重量
4. 重复三次取平均

主循环中加入了简单的滑动滤波：

while(1) { static long weights[5] = {0}; static int index = 0; weights[index] = -Get_Weight() + First_weight; index = (index + 1) % 5; long avg = 0; for(int i=0; i<5; i++) { avg += weights[i]; } printf("%ld\n", avg / 5); HAL_Delay(120); // 约10Hz更新率 }

5. 常见问题排查

调试时遇到几个典型问题：

1. 数据全为0：检查DT脚是否接触不良，HX711供电是否稳定
2. 数据跳动大：尝试在VCC和GND之间加104电容，缩短传感器到HX711的导线
3. 读数不稳定：确保应变片牢固粘贴，避免机械振动
4. 通信超时：检查while(!Read_PIN)是否有超时退出机制

一个实用的调试技巧：先用示波器看SCK和DT波形，确认时序符合HX711规格书要求。如果没示波器，可以用LED闪烁指示通信状态：

if(Get_number() == 0) { HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin); }

6. 性能优化技巧

经过实测，这几个优化很有效：

1. 将HAL_Delay_us()改为定时器实现，精度更高
2. 在Get_Weight()中加入温度补偿算法
3. 使用DMA传输USART数据，降低CPU占用
4. 添加按键去皮功能：

if(HAL_GPIO_ReadPin(BTN_GPIO_Port, BTN_Pin) == GPIO_PIN_RESET) { First_weight = Get_Weight(); HAL_Delay(200); // 消抖 }

电源管理也很重要，HX711对电源噪声敏感，建议：

• 单独LDO给HX711供电
• 模拟和数字地之间加0欧电阻
• 电源走线尽量粗短

7. 扩展应用方向

这个基础框架可以扩展很多实用功能：

1. 蓝牙传输：加个HC-05模块实现手机APP显示
2. 数据记录：用SPI Flash存储历史称重数据
3. 自动识别：通过重量变化模式识别不同食材
4. 流量计算：结合时间戳计算粉末物料流量

比如实现简单的配方功能：

typedef struct { char name[20]; long target_weight; } Ingredient; Ingredient recipe[] = { {"面粉", 500}, {"糖", 200}, {"盐", 5} }; void check_recipe() { for(int i=0; i<3; i++) { while(Get_Weight() < recipe[i].target_weight) { printf("请添加%s...\n", recipe[i].name); HAL_Delay(1000); } printf("%s添加完成\n", recipe[i].name); } }

8. 工程代码结构建议

好的代码组织能大幅提高可维护性，我的项目结构如下：

/Drivers /HX711 hx711.c hx711.h /Filters moving_avg.c /Utils delay.c /Application /Recipe recipe.c /Display lcd.c

关键设计原则：

1. 硬件驱动与业务逻辑分离
2. 使用面向接口编程
3. 重要参数集中配置
4. 版本控制提交注释规范

比如将校准系数改为配置文件：

// config.h #define CALIB_FACTOR 103.0f #define MAX_WEIGHT 20000 // 20kg

最后提醒，不同批次的应变片灵敏度可能有差异，建议每批都做单独校准。实际测试发现，温度每变化10℃，读数会漂移0.5%左右，对精度要求高的场合需要做温度补偿。