摘要

随着健康意识的提升，体重监测成为人们日常健康管理的重要环节。传统体重秤功能单一，仅能显示即时体重，无法满足用户对数据记录、分析及长期追踪的需求。本文设计了一种基于STM32的智能体重秤系统，通过压力传感器采集体重数据，经STM32微控制器处理后，实现体重精确测量、数据存储、蓝牙传输及移动端APP显示功能。测试结果表明，该系统测量误差小于±0.1kg，响应时间小于1秒，可稳定实现体重数据的实时监测与智能管理，为用户提供便捷的健康数据追踪工具。

关键词

STM32；智能体重秤；压力传感器；数据传输；健康监测

一、引言

体重作为反映人体健康状态的基础指标，其精准监测与长期记录对肥胖预防、健身效果评估等具有重要意义。传统机械体重秤精度低、无数据存储功能，电子体重秤虽精度有所提升，但多缺乏数据交互能力，难以满足现代用户对健康数据系统化管理的需求。

STM32系列微控制器具有高性能、低功耗及丰富外设接口的特点，适合作为智能体重秤的控制核心。本文设计的智能体重秤以STM32为核心，结合高精度压力传感器与无线通信技术，实现体重数据的精准采集、处理、存储与传输，同时通过手机APP实现数据可视化与历史记录查询，为用户提供全方位的体重管理解决方案。

二、系统总体设计

2.1 功能需求分析

系统需实现以下核心功能：

    •    体重测量：精确采集用户体重数据，测量范围覆盖5kg-150kg，精度达到±0.1kg。

    •    数据处理：对采集的原始数据进行滤波、校准，确保测量结果稳定可靠。

    •    本地显示：通过显示屏实时显示当前体重数值，清晰直观。

    •    数据存储：存储最近100条体重记录，包括测量时间与体重值。

    •    无线传输：通过蓝牙模块将数据发送至手机APP，支持历史数据同步。

    •    低功耗管理：具备自动休眠与唤醒功能，延长电池使用寿命。

2.2 系统架构设计

系统采用分层设计架构，主要由5个模块组成：

    1.    数据采集模块：由压力传感器与信号调理电路组成，负责将体重信号转换为电信号。

    2.    主控模块：以STM32为核心，实现数据处理、控制逻辑执行及各模块协调工作。

    3.    显示模块：通过OLED屏显示体重数据及系统状态。

    4.    存储模块：采用EEPROM存储体重记录，防止数据丢失。

    5.    通信模块：通过蓝牙模块实现与手机APP的无线数据交互。

三、系统硬件设计

3.1 主控模块选型

选用STM32L051C8T6作为主控芯片，该芯片基于Cortex-M0+内核，工作频率达32MHz，具备低功耗特性（休眠模式电流低至0.5μA），适合电池供电设备。芯片内置12位ADC、I2C、SPI、UART等外设，可满足传感器数据采集、显示驱动及蓝牙通信需求，同时其64KB Flash与8KB RAM足以存储程序代码与临时数据。

3.2 数据采集模块设计

    1.    压力传感器：选用4个电阻应变片式压力传感器（型号HX711配套传感器），采用全桥连接方式，均匀分布于体重秤四角，确保受力平衡。传感器灵敏度为2mV/V，供电电压3.3V，当承受150kg重量时输出电压约6mV。

    2.    信号调理电路：采用HX711高精度AD转换芯片，该芯片专为称重传感器设计，内置低噪声放大器与24位ADC，转换速率可达10Hz，精度满足系统需求。HX711通过两线制（SCK、DOUT）与STM32连接，实现压力信号的放大与数字化转换。

3.3 显示模块设计

采用0.96英寸OLED显示屏（分辨率128×64），通过I2C接口与STM32连接，具有功耗低（工作电流约30mA）、响应快、视角广等特点。显示屏可显示体重数值（单位kg）、测量时间及电池电量，待机时自动进入黑屏模式以节省电量。

3.4 存储与通信模块设计

    •    存储模块：选用AT24C02 EEPROM芯片（I2C接口），容量2KB，可存储100条体重记录（每条记录含时间戳与体重值，约20字节）。EEPROM具备掉电数据保存功能，确保记录不丢失。

    •    通信模块：采用BLE蓝牙模块（型号CC2541），通过UART接口与STM32通信，支持蓝牙4.0协议，通信距离可达10米，满足室内数据传输需求。模块默认处于低功耗模式，仅在数据传输时唤醒。

3.5 电源管理模块

系统采用3节AA电池（总电压4.5V）供电，通过LDO稳压芯片（ME6211）输出3.3V稳定电压，为各模块供电。设计电源监测电路，通过STM32的ADC采集电池电压，当电压低于3.6V时，显示屏提示“低电量”。同时，系统支持自动休眠：无操作30秒后，STM32进入停机模式，关闭显示屏与传感器供电，仅保留中断唤醒功能（踩上秤体时通过传感器触发唤醒）。

四、系统软件设计

4.1 开发环境

软件开发基于Keil MDK5平台，采用C语言编程，结合STM32CubeMX生成初始化代码，提高开发效率。蓝牙APP采用Android Studio开发，实现数据接收与可视化功能。

4.2 主程序流程

系统上电后完成初始化（GPIO、ADC、I2C、UART等），随后进入待机状态：

    1.    检测到用户站上秤体时，传感器输出变化触发STM32唤醒，启动数据采集。

    2.    HX711连续采集20组压力数据，STM32对数据进行滑动平均滤波，去除异常值。

    3.    将滤波后的数据与校准参数比对，转换为实际体重值（单位kg）。

    4.    OLED显示屏显示体重数值，同时记录测量时间（通过内置RTC实时时钟获取）。

    5.    体重数据存储至EEPROM，若检测到蓝牙连接，则将数据发送至手机APP。

    6.    用户离开秤体30秒后，系统自动进入休眠模式。

4.3 数据校准与处理算法

    1.    校准算法：系统支持两点校准（0kg与已知重量校准）。用户可通过长按按键进入校准模式，依次放置0kg（空载）与标准砝码（如10kg），STM32记录两次测量的AD值，计算出重量与AD值的线性关系（重量=k×AD值+b），校准参数存储于EEPROM。

    2.    滤波算法：采用滑动平均滤波法，对连续采集的20组数据去除最大值与最小值后取平均，有效抑制测量过程中的抖动干扰，使显示数值更稳定。

4.4 蓝牙通信协议

STM32与手机APP采用自定义数据帧格式通信，帧结构为：帧头（0xAA）+ 数据长度（1字节）+ 体重值（2字节，单位0.1kg）+ 时间戳（4字节，Unix时间）+ 校验位（1字节）+ 帧尾（0x55）。例如，体重65.3kg、时间戳1620000000的数据帧为：0xAA 0x07 0x41 0x15 0x5E 0x7A 0x12 0x00 0x3C 0x55。APP接收数据后解析并更新至历史记录列表。

五、系统测试与结果分析

5.1 测试环境与设备

测试环境：室内常温（25℃），平整地面；测试设备：标准砝码（1kg、5kg、10kg、20kg）、电子天平（精度0.01kg）、示波器、蓝牙调试助手。

5.2 测试内容与结果

    1.    精度测试：分别放置10kg、50kg、100kg标准砝码，记录系统显示值与实际值的误差，重复测量10次取平均。结果显示，10kg时误差0.03kg，50kg时误差0.05kg，100kg时误差0.08kg，均小于设计要求的±0.1kg。

    2.    响应时间测试：从用户站上秤体到显示稳定体重的时间，多次测试平均为0.8秒，满足实时性需求。

    3.    数据存储与传输测试：连续存储100条记录后，读取数据无丢失；蓝牙传输距离在8米内稳定，超过10米时信号减弱但未丢失数据。

    4.    功耗测试：工作状态电流约80mA，休眠状态电流约15μA，3节AA电池（容量1200mAh）可持续使用约6个月，符合低功耗设计目标。

5.3 结果分析

测试结果表明，系统各项性能指标均达到设计要求。精度误差随重量增加略有上升，主要因传感器非线性特性导致，可通过分段校准进一步优化。蓝牙传输在复杂环境下可能受干扰，后续可增加数据重传机制提高可靠性。

六、结论

本文设计的基于STM32的智能体重秤，通过高精度传感器与优化算法实现了体重的精准测量，结合存储与蓝牙传输功能，满足用户对健康数据的长期管理需求。系统具有精度高、功耗低、使用便捷等特点，相比传统体重秤更具实用性与智能化优势。

未来可进一步拓展功能：增加体脂测量模块（通过生物电阻抗法），实现体重、体脂、BMI等多参数监测；引入WiFi模块支持云端数据同步，适配多终端查看；优化算法提高动态测量稳定性，适应儿童、老人等特殊用户群体。该设计为智能健康监测设备的研发提供了参考方案。