HX711电子秤DIY全攻略：从芯片选型到OLED显示（附STM32源码）

HX711电子秤DIY全攻略：从芯片选型到OLED显示（附STM32源码）

你是否曾想过，厨房里那个精准显示克数的电子秤，或者超市里快速结算的计价秤，其核心原理其实并不神秘？作为一名嵌入式爱好者，亲手打造一台属于自己的高精度电子秤，不仅能让你深刻理解传感器、模数转换和嵌入式系统的协同工作，更能收获从无到有的巨大成就感。这篇文章，就是为你准备的实战手册。我们将抛开复杂的理论堆砌，直接切入动手环节，从最关键的HX711模数转换芯片的选型与电路设计开始，一步步连接应变片传感器，编写STM32的驱动代码，最终在精致的OLED屏幕上实时显示重量。无论你是刚接触STM32的新手，还是想找一个完整项目练手的DIY玩家，跟随这个攻略，你都能在周末的时光里，收获一个既实用又有趣的作品。

1. 项目核心：深入理解HX711模数转换器

在电子秤系统中，称重传感器输出的信号极其微弱，通常是毫伏甚至微伏级别。普通的单片机ADC（比如STM32内置的12位ADC）分辨率有限，难以直接精确测量这种微小变化。这时，就需要一个专用的前端芯片来放大和转换信号，HX711正是为此而生的明星芯片。

它不仅仅是一个24位高精度ADC，更是一个高度集成的解决方案。其内部集成了可编程增益放大器（PGA）、稳压电源和时钟振荡器。这意味着，你只需要极少的外围元件（几个电阻电容），就能搭建一个稳定可靠的前端采集电路，极大地简化了硬件设计难度。

1.1 HX711关键特性与通道选择

我们先来拆解几个你必须掌握的核心参数：

• 高分辨率：24位模数转换，理论分辨率高达2^24，这意味着它能将模拟信号划分为超过1600万个等级，为高精度测量奠定了基础。
• 双差分输入通道：芯片提供A和B两个通道，但同一时刻只能使用一个。通道A更常用，因为它支持两种增益（64或128），适合连接桥式应变传感器；通道B增益固定为32，可用于其他信号源或温度传感器。
• 可编程增益放大器（PGA）：这是放大微弱信号的关键。增益越高，对小信号的放大倍数越大，测量越灵敏。具体关系如下表所示：

通道选择	可编程增益	输出数据周期（时钟脉冲数）	典型应用场景
通道 A	128	25	高精度称重，放大倍数最大
通道 A	64	27	平衡精度与量程的称重
通道 B	32	26	辅助信号测量，如温度补偿

• 输出速率：通过RATE引脚可选择10Hz或80Hz的数据输出率。10Hz时噪声更低，精度更高；80Hz则刷新更快，适合动态称重。对于大部分静态称重DIY项目，10Hz完全足够。

提示：在实际选购HX711模块时，你会发现市面上常见的小模块通常已将通道A和增益设置为128（或通过焊盘选择），并引出VCC、GND、DOUT、SCK、以及为传感器供电的E+和E-。这为我们省去了许多配置麻烦。

1.2 内部稳压电路与传感器供电

HX711的一个设计精妙之处在于其内部稳压电路。它不仅能为自己提供稳定的模拟电源（AVDD），还能通过简单的三极管（如S8550）扩流，为外部的称重传感器提供一个非常稳定的激励电压（通常为5V或3.3V）。传感器供电的稳定性直接决定了输出的稳定性，是保证测量精度的重要一环。

其输出电压V_AVDD由外部电阻R1和R2决定，公式为：V_AVDD = V_BG * (R1 + R2) / R2，其中V_BG是芯片内部基准电压，典型值为1.25V。通过选择合适的R1和R2，我们可以得到所需的AVDD电压。

// 理解公式的简单计算示例（假设V_BG=1.25V）
// 若R1=20kΩ, R2=12kΩ，则：
// V_AVDD = 1.25 * (20k + 12k) / 12k ≈ 1.25 * 2.667 ≈ 3.33V

这种设计确保了即使单片机系统的电源有轻微波动，传感器和HX711模拟部分的供电也能保持恒定，从而减少测量误差。

2. 硬件系统搭建：从原理图到实物连接

有了对HX711的深入理解，现在我们可以开始动手搭建硬件了。一个完整的DIY电子秤系统通常包含以下几个部分：主控MCU、HX711模块、称重传感器、OLED显示屏以及必要的按键。

2.1 元器件选型清单

在开始焊接或连接杜邦线之前，请确保你手头有以下材料：

• 主控制器：STM32F103C8T6（蓝色小板）。这款芯片资源丰富，价格亲民，社区支持极好，是DIY项目的首选。
• 称重传感器：推荐使用常见的“悬臂梁式”应变传感器，量程有1kg、5kg、10kg等可选。初次尝试建议用1kg或5kg，精度感受更明显。
• HX711模块：直接购买集成好的模块，通常售价仅几元。注意检查模块是否引出传感器接口（E+/E-/A+/A-）和单片机接口（VCC/GND/DOUT/SCK）。
• 显示模块：0.96寸或1.3寸的I2C接口OLED屏。I2C接线简单，仅需两根信号线。
• 其他：轻触按键若干、面包板、杜邦线（公对公、母对母）、微调电阻（用于校准时的“砝码”模拟）、以及一个稳定的5V/2A电源适配器（为整个系统供电）。

2.2 电路连接详解

连接是项目成功的第一步，务必仔细。下图展示了核心的连接关系：

[系统连接示意图（文字描述）]
STM32F103C8T6          <-->          外围设备
-----------------------------------------------------
PB14 (GPIO Output)     <-->          HX711.SCK (时钟)
PB15 (GPIO Input)      <-->          HX711.DOUT (数据)
3.3V                   <-->          HX711.VCC, OLED.VCC
GND                    <-->          所有GND引脚
PB10 (I2C2_SDA)        <-->          OLED.SDA
PB11 (I2C2_SCL)        <-->          OLED.SCL
PB1  (GPIO Input)      <-->          按键（另一端接GND）
                                      |
                                      |
HX711模块              <-->          称重传感器
E+                     <-->          传感器红线 (激励+)
E-                     <-->          传感器黑线 (激励-)
A-                     <-->          传感器白线 (信号-)
A+                     <-->          传感器绿线 (信号+)

注意：传感器线色可能因厂家而异，最常见的是红（E+）、黑（E-）、白（A-）、绿（A+）。如果不确定，最好查阅卖家提供的资料。接反可能导致读数反向或异常。

给传感器供电的要点：务必使用HX711模块产生的稳压电源（E+和E-）为传感器供电，而不是直接使用单片机系统的5V或3.3V。这是保证测量基线稳定的关键。

3. 软件驱动：STM32与HX711的通信实战

硬件连接妥当后，我们进入核心的软件部分。与HX711的通信是一种简单的同步串行协议，需要我们用GPIO来模拟时序。

3.1 HX711通信时序与数据读取函数

HX711的通信协议可以概括为：当DOUT为低电平时，表示芯片数据就绪。随后，主控在SCK引脚上产生25~27个时钟脉冲，同时在每个脉冲的上升沿读取DOUT上的数据位。前24位是转换结果，后续的1-3位用于设置下次转换的通道和增益。

下面是一个针对通道A，增益128的经典读取函数实现。我更喜欢用寄存器操作来获得更精确的时序控制。

/**
  * @brief  读取HX711的24位AD值（通道A，增益128）
  * @param  无
  * @retval 返回原始的32位无符号AD值
  */
uint32_t HX711_Read(void) {
    uint32_t count = 0;
    uint8_t i;

    HX711_SCK_LOW(); // 时钟线拉低，准备开始
    delay_us(1);

    // 等待HX711数据就绪（DOUT变低）
    while(HX711_DOUT_READ() == GPIO_PIN_SET) {
        // 可以加入超时退出机制，防止死循环
    }

    // 连续读取24位数据
    for(i = 0; i < 24; i++) {
        HX711_SCK_HIGH();       // 产生上升沿
        delay_us(1);            // 保持高电平，HX711在上升沿后稳定数据
        count <<= 1;            // 左移，为下一位腾出空间
        HX711_SCK_LOW();        // 拉低时钟
        delay_us(1);
        if(HX711_DOUT_READ() == GPIO_PIN_SET) {
            count++;
        }
    }

    // 第25个脉冲，用于设置下一次为通道A增益128
    HX711_SCK_HIGH();
    delay_us(1);
    HX711_SCK_LOW();

    // 转换补码到直接二进制形式（可选，取决于你的数据处理逻辑）
    // count = count ^ 0x800000;
    return count;
}

这段代码中，HX711_SCK_HIGH/LOW和HX711_DOUT_READ是宏定义，指向具体的GPIO操作。delay_us函数需要用一个定时器（如TIM3）精确实现微秒级延时，这是通信稳定的保证。

3.2 重量计算与校准：从AD值到克数

读取到的count是一个与传感器所受压力成正比的原始AD值。要把它转换成有意义的重量（克），需要两步：去皮和标定。

首先，在传感器空载时读取一个AD值，作为“皮重”（Tare Weight）。之后的所有测量值都减去这个皮重，得到“净重”AD值。

uint32_t tare_weight_ad = 0;
void get_tare_weight(void) {
    uint32_t sum = 0;
    for(int i=0; i<10; i++) { // 采样10次取平均，减少噪声
        sum += HX711_Read();
        delay_ms(10);
    }
    tare_weight_ad = sum / 10;
}

接下来是最关键的标定。你需要一个已知重量的标准砝码（比如100g或500g）。将砝码放在秤上，读取此时的净重AD值。

uint32_t cal_weight_ad = 0;
float scale_factor = 0.0; // 比例系数，单位：AD值/克

void calibration(uint32_t known_weight_grams) {
    uint32_t sum = 0;
    printf("请放置 %lug 砝码后按键...\n", known_weight_grams);
    wait_for_key();
    for(int i=0; i<20; i++) {
        sum += HX711_Read();
        delay_ms(10);
    }
    cal_weight_ad = (sum / 20) - tare_weight_ad; // 得到砝码对应的净AD值
    scale_factor = (float)cal_weight_ad / known_weight_grams;
    printf("标定完成！比例系数: %.2f AD/g\n", scale_factor);
    // 将scale_factor存入Flash，下次上电直接使用
}

得到比例系数scale_factor后，任何净重AD值都可以转换为克数：weight_grams = (raw_ad - tare_weight_ad) / scale_factor。

在实际代码中，我通常会将tare_weight_ad和scale_factor保存到STM32的内部Flash中，这样设备断电重启后无需重新标定。

4. 用户界面与系统集成：OLED显示与按键交互

硬件驱动和核心算法完成后，一个友好的用户界面能让你的作品瞬间提升档次。我们使用I2C OLED来显示重量，并用按键实现去皮、切换单位等功能。

4.1 OLED显示驱动与界面设计

使用STM32的硬件I2C或软件模拟I2C驱动OLED都很方便。这里以硬件I2C2（PB10, PB11）为例。在STM32CubeMX中配置好I2C后，可以借助成熟的OLED驱动库（如ssd1306或u8g2）来简化开发。

一个清晰的称重界面可以包含以下信息：

• 当前重量（大字体显示）
• 单位（g/kg）
• 电池电量图标（如果使用电池供电）
• 状态提示（如“稳定”、“去皮中”）

在主循环中，你可以这样组织显示逻辑：

void update_display(void) {
    char weight_str[20];
    float current_weight = get_current_weight(); // 调用你的重量计算函数

    OLED_Clear();
    OLED_SetFont(&Font16x24); // 使用大字体
    sprintf(weight_str, "%.1f", current_weight);
    OLED_PrintStringCentered(40, weight_str); // 居中显示重量

    OLED_SetFont(&Font8x16);
    OLED_PrintString(90, 45, "g"); // 显示单位

    if(is_weight_stable()) { // 判断重量是否稳定
        OLED_DrawRect(10, 10, 108, 20); // 绘制稳定框
    }
    OLED_Update(); // 刷新屏幕
}

4.2 按键功能设计与状态机

通常我们需要两个按键：一个用于去皮/归零，一个用于切换单位（如克与盎司）。为了消抖和实现长按等功能，建议使用状态机来处理按键。

typedef enum {
    KEY_IDLE,
    KEY_DEBOUNCE,
    KEY_PRESSED,
    KEY_LONG_PRESS
} key_state_t;

void key_scan_task(void) {
    static key_state_t state = KEY_IDLE;
    static uint32_t press_tick = 0;

    switch(state) {
        case KEY_IDLE:
            if(is_key_tare_pressed()) { // 检测按键按下
                state = KEY_DEBOUNCE;
                press_tick = HAL_GetTick();
            }
            break;
        case KEY_DEBOUNCE:
            if(HAL_GetTick() - press_tick > 20) { // 消抖20ms
                if(is_key_tare_pressed()) {
                    state = KEY_PRESSED;
                    tare(); // 执行去皮操作
                } else {
                    state = KEY_IDLE;
                }
            }
            break;
        case KEY_PRESSED:
            if(!is_key_tare_pressed()) { // 按键释放
                state = KEY_IDLE;
            } else if(HAL_GetTick() - press_tick > 1000) { // 长按1秒
                state = KEY_LONG_PRESS;
                enter_calibration_mode(); // 进入标定模式
            }
            break;
        case KEY_LONG_PRESS:
            if(!is_key_tare_pressed()) {
                state = KEY_IDLE;
            }
            break;
    }
}

将按键扫描任务放在定时器中断或主循环中定期执行，整个系统的交互就变得非常流畅。

5. 精度优化与进阶玩法

一个基础能工作的电子秤只是开始，如何让它更准、更稳、更专业，才是DIY的乐趣所在。

5.1 软件滤波：让读数更稳定

称重传感器的输出信号难免含有高频噪声。除了在硬件上做好电源滤波，软件滤波算法成本低、效果显著。移动平均滤波和一阶低通滤波是两种最常用的方法。

#define FILTER_SAMPLE_NUM  10
uint32_t adc_filter_buffer[FILTER_SAMPLE_NUM];
uint8_t filter_index = 0;

/**
  * @brief  滑动平均滤波器
  * @param  new_ad_value: 新的AD采样值
  * @retval 滤波后的AD值
  */
uint32_t moving_average_filter(uint32_t new_ad_value) {
    uint32_t sum = 0;
    adc_filter_buffer[filter_index] = new_ad_value;
    filter_index = (filter_index + 1) % FILTER_SAMPLE_NUM;

    for(int i=0; i<FILTER_SAMPLE_NUM; i++) {
        sum += adc_filter_buffer[i];
    }
    return sum / FILTER_SAMPLE_NUM;
}

/**
  * @brief  一阶低通数字滤波器 (IIR)
  * @param  new_ad_value: 新的AD采样值
  * @param  prev_filtered: 上一次滤波输出
  * @param  alpha: 滤波系数 (0.0~1.0)，越小越平滑，响应越慢
  * @retval 滤波后的AD值
  */
float low_pass_filter(float new_ad_value, float prev_filtered, float alpha) {
    return alpha * new_ad_value + (1.0 - alpha) * prev_filtered;
}

在实际项目中，我常常先使用移动平均滤除明显毛刺，再用一个较轻的低通滤波让最终显示值缓慢变化，这样既能快速响应重量变化，又能避免最后一位数字不停跳动，用户体验非常好。

5.2 进阶扩展思路

当你的基础版本运行良好后，可以尝试以下扩展，让项目更具挑战性：

• 多传感器求和：将四个传感器放在桌角，用四个HX711模块，STM32读取四路数据相加，制作一个“体重秤”或“行李秤”。
• 蓝牙/Wi-Fi数据传输：接入ESP-01S或HC-05蓝牙模块，将重量数据发送到手机APP，实现记录和统计。你可以使用串口JSON格式传输数据，例如 {"weight": 250.5, "unit": "g"}。
• 自动休眠与低功耗：利用HX711的掉电模式（将SCK引脚置高并保持超过60us），当长时间无重量变化时，让STM32和HX711进入休眠，仅由按键中断唤醒，非常适合电池供电的场景。
• 外壳与结构设计：使用3D打印或亚克力板为你的电子秤制作一个漂亮、坚固的外壳。结构设计要保证传感器只承受垂直方向的力，避免侧向力影响精度。

调试这类项目，一台逻辑分析仪会是你的得力助手。它可以清晰地捕捉SCK和DOUT之间的时序，帮助你确认通信是否正常，延时是否准确。当读数不准时，不要急于调整代码，先检查硬件连接是否牢固，电源是否干净，传感器安装是否受力均匀。这些细节往往决定了项目的最终精度。