HX711重量传感信号处理精度提升方法

原创于 2025-11-17 10:22:26 发布 · 260 阅读

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#HX711 #称重传感器 #ADC精度

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HX711重量传感信号处理精度提升方法

在电子厨房秤、智能药房设备甚至小型工业配料系统中，我们常常会看到一个不起眼的小黑块——HX711。别看它便宜（几块钱就能买到），但要是用不好，轻则读数跳来跳去像在跳舞，重则称个苹果显示“负200克”…😅

问题来了： 为什么标称24位分辨率的HX711，实际却连1克都稳不住？

答案是： 芯片只是工具，真正的精度藏在每一个设计细节里。

HX711本质上是个专为称重传感器打造的ΔΣ型ADC，自带可编程增益放大器（PGA），支持128倍放大，能把微弱到几十微伏的桥式电压差转换成数字信号。听起来很香？没错！但它对电源噪声、地线干扰和软件滤波极其敏感。

换句话说——

🔧 “你给它多干净的输入，它就还你多稳定的输出。”

所以，想让它发挥出亚克级甚至毫克级的潜力，光靠接上线可不够。下面我们就从实战角度拆解如何让这块“平民ADC”干出“贵族精度”的活儿。

先说最致命的一点： 供电问题 。

很多人图省事，直接拿单片机的3.3V或5V给HX711供电。但如果这个电源来自USB或者开关电源（DC-DC），那恭喜你，已经踩进第一个坑了！

因为HX711的参考电压就是它的供电电压AVDD。一旦电源有纹波，比如±20mV波动，相当于ADC的“尺子”本身在晃动——结果自然飘忽不定。

✅ 正确姿势是什么？

用一颗低噪声LDO单独供电！比如AMS1117-3.3、LT1761这类低压差稳压器，前级再加一组去耦电容：

5V输入 → [10μF电解] + [100nF陶瓷] → LDO → 干净3.3V → 同时供给HX711和Load Cell激励端

⚠️ 特别注意： 不要用DC-DC直接驱动！ 即使电压匹配也不行，高频噪声会通过电源耦合进模拟前端，导致数据剧烈跳动。

实测对比就很说明问题：
- USB直供：空载标准差 > 500 counts（完全不可用）
- LDO+滤波后：< 50 counts（稳定多了）

更进一步？可以考虑使用REF3030这类专用基准源为HX711提供独立参考电压，不过成本会上升，适合高要求场景。

解决了“尺子”的稳定性，接下来就是对付数据里的“毛刺”。

HX711原始输出往往夹杂着热噪声、EMI干扰、甚至人体静电放电引起的尖峰脉冲。这时候如果直接拿来算重量，用户体验简直灾难。

常见的做法是加滤波算法，但选哪种？这里有三个层级可以递进使用：

🟡 第一层：中位值滤波（Median Filter）

适用于去除突发性异常值，比如按键瞬间引入的干扰、附近电机启停造成的跳变。

原理很简单：连续采样5~11次，排序后取中间那个值。这样哪怕有一次采到“99999”，也不会影响最终结果。

代码实现也不复杂，小数组冒泡排序完全够用：

int32_t median_filter(int32_t *vals, int n) {
    // 排序...
    return vals[n/2];
}

💡 小技巧：采样间隔建议控制在10~100ms之间，太短容易受串扰，太长响应迟钝。

🟡 第二层：均值滤波（Moving Average）

适合平滑随机噪声，尤其在静态称重时效果显著。

维护一个循环缓冲区（如16个历史值），每次更新后重新计算平均值：

int32_t moving_average_filter(int32_t new_val) {
    buffer[idx++] = new_val;
    idx %= FILTER_SIZE;

    int64_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < FILTER_SIZE; ++i)
        sum += buffer[i];
    return sum / FILTER_SIZE;
}

但它有个缺点：响应慢，且对持续偏移不敏感。

🟢 推荐组合拳：中位+均值复合滤波

这才是真正实用的方案！

流程如下：
1. 先采集一组原始数据（例如11次）
2. 做一次中位滤波，得到“中心趋势”
3. 再筛选靠近中位值的数据点做加权平均

甚至可以在复合基础上加入 变化率限制 ：当相邻两次输出差异过大时，认为尚未稳定，暂不刷新显示。

这样既能抗冲击干扰，又能保持长期稳定性，非常适合动态放置物品的场景。

还有一个常被忽视的问题： 温度漂移 。

无论是应变片式传感器还是HX711芯片本身，都会随着环境温度变化产生零点漂移。夏天开机读数可能是“0.0g”，冬天可能直接跳到“+15g”。

怎么办？

最简单有效的办法是： 自动归零（Tare）机制 。

在系统上电或长时间静止后，执行一次“清零”操作：

void tare_scale() {
    int32_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        sum += read_hx711_raw();
        delay(100);
    }
    zero_offset = sum / 10;  // 记录当前零点
}

float get_weight() {
    int32_t raw = read_hx711_filtered();
    return (raw - zero_offset) * SCALE_FACTOR;
}

这样一来，即使温漂导致整体上移，也能被抵消掉。

🎯 进阶玩法：如果你的应用温域较宽（比如户外称重设备），可以增加一个DS18B20温度传感器，建立“温度-零点偏移”映射表，在运行时动态查表补偿。

最后一步： 校准与线性化 。

HX711输出的是数字码值，要转成“克”或“千克”，必须经过标定。

基础两步法：
1. 空载时记录 offset
2. 加已知重量W（如1000g），记录 reading_with_weight
3. 计算比例因子：
c SCALE_FACTOR = W / (reading_with_weight - offset);

这适用于线性度较好的传感器。但如果发现轻载准、重载不准，或者反之，就需要 多点校准 。

比如分别加载500g、1000g、2000g，记录对应的ADC值，然后用最小二乘法拟合一条直线 y = kx + b，甚至二次曲线。

float get_weight_advanced(int32_t adc_raw) {
    int32_t corrected = adc_raw - zero_offset;
    return k * corrected + b;  // 或者 a*x² + b*x + c
}

📌 提示：校准过程最好做成用户可触发模式（如长按按键进入），方便更换传感器或环境变化后重新标定。

来看一个典型系统架构：

[Load Cell]
     │ (E+, E-, S+, S-)
     ↓
[HX711模块] —— 双绞屏蔽线 ≤1.5m
     │ (DOUT, PD_SCK)
     ↓
[MCU: STM32 / ESP32 / Arduino]
     │
     ↓
[OLED显示 / WiFi上传 / UART输出]

关键设计要点总结一下：

项目	最佳实践
电源	独立LDO供电，避免与数字电路共用
走线	屏蔽双绞线，远离电机/继电器等干扰源
PCB布局	HX711尽量靠近接线端子，减少走线长度
采样频率	匹配HX711输出速率（10Hz对应每100ms读一次）
滤波策略	中位值（7~11点）→ 均值滤波 → 输出锁定防抖
校准机制	支持软件归零 + 多点标定