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1. 项目概述：从赛题到一台“电子秤”的完整实现

第九届蓝桥杯嵌入式国赛的“电子秤”题目，可以说是我参加过所有嵌入式竞赛中，将基础外设、算法处理和工程实践结合得最紧密的一道题。它远不止是简单地读取一个称重传感器的数据然后显示出来。题目要求你从零开始，基于指定的竞赛开发板（通常是STM32G431或类似型号），搭建一个具备称重、计价、超限报警、数据存储和查询功能的完整电子秤系统。这相当于在一个限时、高压的竞赛环境中，完成一个迷你版的商业产品开发全流程。

对于嵌入式开发者，尤其是学生和初学者而言，这个项目是一个绝佳的“练手”综合案例。它几乎覆盖了单片机应用的核心技能栈：模拟信号采集（ADC）、人机交互（按键、LCD）、数据存储（EEPROM）、定时器应用、状态机编程以及简单的业务逻辑处理。通过复现这个项目，你不仅能巩固STM32的HAL库或标准外设库编程，更能深刻理解如何将零散的技术点串联成一个稳定、可靠的系统。我当年做这个项目时，最大的收获不是某个外设用得有多熟，而是学会了如何设计一个清晰、易维护的软件架构来应对复杂的多任务需求。

2. 核心需求与系统设计拆解

拿到题目，第一步不是着急写代码，而是把需求彻底吃透，并转化为清晰的技术指标和模块划分。国赛题目的要求通常非常具体，任何一点遗漏都可能导致严重失分。

2.1 需求规格说明书（自拟）

根据常见的赛题回忆和工程逻辑，一个完整的竞赛级电子秤通常包含以下核心需求：

1. 基本称重与显示：实时采集称重传感器信号（模拟电压），经处理后转换为重量值（单位：克/g），并实时在LCD屏幕上显示。
2. 单价设置与金额计算：可以通过按键设置当前商品的单价（元/千克），系统根据金额 = 重量 * 单价 / 1000自动计算并显示金额。
3. 超重报警功能：当重量超过预设的阈值（例如2kg）时，触发声光报警（LED闪烁、蜂鸣器鸣响），并在LCD上给出提示。
4. 数据存储与查询：
   • 称重记录存储：每次完成一次称重（例如按下“累计”键），将当前时间（时、分）、重量、金额作为一个条目，存储到板载EEPROM中。
   • 记录查询功能：可以通过按键翻页查询历史存储的记录，并在LCD上显示。
5. 去皮功能：可以将当前重量值置为零，用于扣除容器重量。
6. 累计功能：在称重模式下，多次称重可以累加金额，并显示累计总价。
7. 系统设置：通过按键进入设置模式，可以设置单价、报警阈值、时间等参数。

2.2 系统架构与模块划分

基于以上需求，我们可以将整个系统划分为硬件驱动层、业务逻辑层和人机交互层。清晰的模块化设计是保证代码在竞赛高压下仍能稳定运行的关键。

硬件驱动层：

• ADC模块：负责以一定频率（如100Hz）采样称重传感器输出的模拟电压。这是数据的源头，其稳定性和准确性直接决定整个系统的精度。
• LCD显示模块：驱动液晶屏，提供函数接口用于显示重量、金额、单价、时间、菜单、报警信息等。
• 按键模块：扫描矩阵键盘或独立按键，识别短按、长按等事件，并转化为统一的事件信号上报。
• EEPROM模块：提供对板载EEPROM（如M24C02）的读写接口，用于参数的保存和历史记录的存储与读取。
• 定时器模块：利用基本定时器（如TIM6）产生精确的时基（如1ms中断），为按键扫描、数据更新、报警判断提供时间基准。
• 声光报警模块：控制LED和蜂鸣器，用于超限报警指示。

业务逻辑层（核心）：

• 数据滤波与标定算法：对ADC原始采样值进行软件滤波（如滑动平均、中位值平均），并将滤波后的值通过线性标定公式转换为实际重量值。重量(g) = k * ADC值 + b，其中k和b需要通过实物标定得出。
• 状态机管理：这是整个系统的“大脑”。通常设计几个主要状态：正常称重状态、设置单价状态、查询记录状态、系统设置状态。状态机根据按键事件和内部条件在不同状态间切换，并调度相应的显示和逻辑处理。
• 业务逻辑处理：在称重状态下，实时计算金额；处理去皮、累计等操作；判断超限并触发报警；管理历史记录队列的存储与读取。

人机交互层：

• UI界面管理：根据当前系统状态，调用LCD模块的接口，绘制不同的显示界面。例如，称重界面、设置界面、查询列表界面。
• 按键事件响应：将底层按键模块上报的原始键值，映射为当前状态下有意义的业务操作。例如，在称重界面，KEY1可能是“去皮”，在设置界面，KEY1可能是“数值增加”。

设计心得：在竞赛或产品开发中，切忌将所有代码堆在main.c或中断服务函数里。务必坚持“高内聚、低耦合”的原则。例如，ADC采集只管采集和滤波，它不关心重量是多少；重量计算模块只接收ADC滤波值，输出重量；UI模块只负责显示。这样调试时，问题很容易被定位。当年我队友就因为按键处理和业务逻辑混在一起，导致一个按键卡死引发整个系统显示异常，调试了整整一个晚上。

3. 核心模块实现细节与避坑指南

3.1 称重核心：ADC采样与数据处理

这是整个电子秤的“感官系统”，其稳定性是重中之重。

硬件连接：竞赛开发板上的称重传感器一般是电阻应变式半桥或全桥传感器，输出毫伏级差分信号。通常会连接到一个高精度、低漂移的仪表放大器（如板载的HX711专用芯片，或者直接使用STM32内部的差分ADC通道）。在蓝桥杯板子上，通常直接使用MCU的ADC单端模式，测量经过放大后的单端电压信号。

软件实现要点：

1. ADC配置：使用DMA循环采样模式是首选。以100Hz的频率，连续采样多个点（如64个点）存入数组。DMA模式可以解放CPU，避免因频繁进入中断而影响系统实时性。

   // 示例：ADC1, DMA1, 规则通道，连续转换，DMA循环模式 HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_raw_buffer, BUFFER_SIZE);

2. 数字滤波：ADC采样必然伴随噪声。滑动平均滤波简单有效，非常适合这种实时性要求高的场景。

   #define FILTER_WINDOW 10 static uint32_t filter_buffer[FILTER_WINDOW] = {0}; static uint8_t filter_index = 0; uint32_t get_filtered_adc_value(uint32_t new_raw_value) { filter_buffer[filter_index] = new_raw_value; filter_index = (filter_index + 1) % FILTER_WINDOW; uint32_t sum = 0; for(int i = 0; i < FILTER_WINDOW; i++) { sum += filter_buffer[i]; } return sum / FILTER_WINDOW; }

   对于工频干扰（50Hz），如果采样频率设置不当，可能会引入周期性噪声。可以采用中位值平均滤波法（去极值后平均），抗脉冲干扰能力更强。

3. 标定与换算：这是将“数字”变为“重量”的关键一步。

   • 步骤一：零点标定。在空载（秤盘上无任何物品）时，读取滤波后的稳定ADC值，记为AD_ZERO。
   • 步骤二：满量程标定。放置一个已知精确重量的砝码（如500g标准砝码），读取稳定后的ADC值，记为AD_WEIGHT。
   • 步骤三：计算系数。根据两点确定一条直线的原理：实际重量 = K * (当前AD值 - AD_ZERO)其中，K = 标准重量 / (AD_WEIGHT - AD_ZERO)
   • 将K和AD_ZERO作为常数保存在代码或EEPROM中。

避坑指南：

• 坑1：采样频率与滤波窗口的权衡。频率太高（如1kHz）且滤波窗口太大，会导致显示刷新慢，感觉“迟钝”；频率太低，则无法滤除某些噪声。100Hz采样 + 10点滑动平均是一个不错的起点。
• 坑2：忽略温漂和时漂。传感器和放大电路的零点会随时间和温度变化。高要求的应用需要做自动零点跟踪（在判断长时间空载且稳定时，缓慢修正AD_ZERO值），但竞赛中通常忽略，或提供一个“零点校正”按键功能。
• 坑3：变量溢出。重量和金额计算涉及浮点数。STM32G431没有FPU，浮点计算较慢。可以使用uint32_t类型，以“厘克”（0.01g）和“分”（0.01元）为单位进行整数运算，最后显示时再格式化。这能大幅提升性能并避免浮点精度问题。

  // 使用整数运算示例：重量单位0.01g，金额单位0.01元（分） uint32_t weight_centigram = 0; // 重量，单位0.01g uint32_t unit_price_per_kg = 1000; // 单价，单位 元/千克。 1000表示10.00元/千克 uint32_t amount_cent = 0; // 金额，单位分 // 计算金额：金额(分) = 重量(g) * 单价(元/kg) / 1000 * 100 // 等价于：金额(分) = (重量(0.01g) / 100) * 单价(元/kg) / 1000 * 100 // 简化后：金额(分) = 重量(0.01g) * 单价(元/kg) / 10000 amount_cent = weight_centigram * unit_price_per_kg / 10000;

3.2 状态机设计：系统流畅运行的灵魂

电子秤需要响应多种按键并在不同界面间切换，使用if-else堆砌会很快变得难以维护。状态机是优雅的解决方案。

定义系统状态：

typedef enum { STATE_WEIGHING, // 正常称重状态 STATE_SET_PRICE, // 设置单价状态 STATE_QUERY_RECORD, // 查询记录状态 STATE_SYS_SETTING, // 系统设置（阈值、时间） STATE_TARE, // 去皮确认状态（可选） } SystemState_t; static SystemState_t current_state = STATE_WEIGHING;

状态机处理函数（在主循环中调用）：

void system_state_machine_handler(void) { KeyEvent_t key_event = get_key_event(); // 获取按键事件 switch(current_state) { case STATE_WEIGHING: handle_weighing_state(key_event); break; case STATE_SET_PRICE: handle_set_price_state(key_event); break; case STATE_QUERY_RECORD: handle_query_state(key_event); break; // ... 其他状态处理 } }

以称重状态处理函数为例：

void handle_weighing_state(KeyEvent_t event) { switch(event.key) { case KEY_SET: if(event.type == SHORT_PRESS) { current_state = STATE_SET_PRICE; // 切换到单价设置 lcd_show_set_price_screen(); // 更新界面 } break; case KEY_UP: if(event.type == SHORT_PRESS) { enter_record_query_mode(); // 进入查询模式 current_state = STATE_QUERY_RECORD; } break; case KEY_TARE: if(event.type == SHORT_PRESS) { perform_tare(); // 执行去皮操作 } break; case KEY_ACCUM: if(event.type == SHORT_PRESS) { save_current_transaction(); // 保存当前笔交易到EEPROM add_to_total_amount(); // 累计总金额 } break; default: // 其他按键或无按键事件 update_weight_display(); // 实时更新重量和金额显示 check_weight_alarm(); // 检查超限报警 break; } }

设计心得：状态机的引入，使得每个状态下的逻辑变得非常清晰独立。调试时，如果发现设置单价有问题，你只需要关注handle_set_price_state这个函数，大大缩小了问题范围。此外，一定要处理好状态切换的“入口”和“出口”动作。例如，从称重状态进入设置状态，需要保存当前界面并绘制设置界面；从设置状态退出时，需要保存设置的值并恢复称重界面。

3.3 数据存储：EEPROM的可靠读写

历史记录需要掉电保存，EEPROM（I2C接口）是标准选择。这里的关键是存储结构设计和读写寿命管理。

定义记录结构体：

#pragma pack(1) // 按1字节对齐，节省空间 typedef struct { uint8_t hour; uint8_t minute; uint32_t weight_centigram; // 重量，0.01g为单位 uint32_t amount_cent; // 金额，分为单位 } TransactionRecord_t; #pragma pack()

假设一条记录占13字节。如果EEPROM是2KB（2048字节），最多可存储2048 / 13 ≈ 157条记录。

存储策略：

1. 循环队列存储：在EEPROM中固定一个区域作为记录存储区。用一个变量（也存于EEPROM）记录最后写入的地址索引。当写满时，覆盖最老的记录。这避免了频繁擦写固定区域。
2. 关键参数存储：单价、报警阈值、零点值等也需要存储。为它们分配固定的EEPROM地址。

EEPROM读写注意事项：

• 写延迟：每次写操作（字节或页写）后，需要等待几毫秒的写入时间。在HAL_I2C_Mem_Write后调用HAL_Delay(5)是简单粗暴但有效的方法。
• 跨页写：一次写入的数据不能跨越物理页边界。M24C02的页大小是16字节。我们的记录是13字节，所以单次写入是安全的。但如果要写入一个20字节的结构体，就必须拆分成两次写操作。
• 数据校验：为防止数据异常，可以在记录末尾增加一个校验和（Checksum）或CRC8字段。写入时计算并存储，读取时验证。

bool eeprom_write_record(uint16_t index, const TransactionRecord_t* record) { uint16_t addr = RECORD_START_ADDR + index * sizeof(TransactionRecord_t); uint8_t crc = calculate_crc8((uint8_t*)record, sizeof(TransactionRecord_t)-1); // 将记录和CRC一起写入 // ... 写入操作，注意地址是否跨页 return true; } bool eeprom_read_record(uint16_t index, TransactionRecord_t* record) { uint16_t addr = RECORD_START_ADDR + index * sizeof(TransactionRecord_t); // ... 读取操作 uint8_t crc_read = ...; // 从存储中读出的CRC uint8_t crc_calc = calculate_crc8((uint8_t*)record, sizeof(TransactionRecord_t)-1); return (crc_read == crc_calc); }

4. 系统整合与调试实战

当各个模块都准备好后，将它们整合到一个工程里，并确保它们能协同工作，这是最具挑战性也最有成就感的一步。

4.1 主程序框架与任务调度

在main.c中，应避免使用HAL_Delay进行长时间阻塞。推荐采用基于定时器中断的“前后台”或简易时间片轮询架构。

// 在1ms定时器中断中 void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if(htim->Instance == TIM6_Instance) { system_1ms_tick++; // 系统时钟滴答 key_scan_tick(); // 按键扫描计时 // 可以设置更多的软件定时器标志位 } } // 在主循环中 int main(void) { // HAL初始化、外设初始化、全局变量初始化 system_init(); lcd_show_welcome_screen(); HAL_Delay(1000); while (1) { // 1. 按键扫描与事件处理（每10ms执行一次） if(system_1ms_tick - last_key_scan_tick >= 10) { last_key_scan_tick = system_1ms_tick; key_scan_process(); // 此函数内部会调用状态机 } // 2. 重量显示与业务逻辑更新（每100ms执行一次） if(system_1ms_tick - last_display_update_tick >= 100) { last_display_update_tick = system_1ms_tick; // 只有称重状态才需要频繁更新显示 if(current_state == STATE_WEIGHING) { update_weight_data(); // 读取ADC，滤波，换算重量/金额 refresh_weighing_display(); // 刷新LCD显示 check_alarm(); // 检查报警条件 } } // 3. 其他低优先级任务，如EEPROM存储完成指示等 // ... } }

4.2 调试技巧与问题排查

在整合过程中，你一定会遇到各种奇怪的问题。以下是我总结的排查清单：

一个高级调试技巧：利用串口打印日志。即使比赛可能不要求串口功能，在开发阶段也务必启用。将关键变量（如原始ADC值、滤波后值、计算出的重量、当前状态）定期打印出来，是定位复杂逻辑问题最有效的手段。你可以通过条件编译来控制日志的开关，这样在最终版本中关闭即可。

#ifdef DEBUG_ENABLE printf("[%lu] ADC:%lu, W:%lu.%02lug, State:%d\r\n", system_1ms_tick, raw_adc, weight_g, weight_centigram % 100, current_state); #endif

5. 功能扩展与优化思路

完成基本功能后，如果想做得更出彩，可以考虑以下优化和扩展，这些在竞赛评分或实际项目中都是加分项：

1. 动态滤波算法：在重量稳定时，增大滤波窗口以获得更稳的显示；在重量快速变化时，减小滤波窗口以提升响应速度。可以通过计算最近一段时间ADC值的方差来判断是否稳定。
2. 自动休眠与唤醒：长时间无操作后，关闭LCD背光、降低ADC采样率进入低功耗模式。通过按键或传感器重量变化（需配置外部中断唤醒）来唤醒系统。
3. 简单的数字键盘输入：用于直接输入单价，而不是简单的加减。这需要设计一个软键盘UI和输入法逻辑。
4. 数据统计功能：在查询模式中，不仅显示单条记录，还可以统计当天的总交易笔数、总重量、总金额。
5. 更完善的报警：除了超重，还可以增加欠载报警（重量为负值）、传感器故障报警（ADC值超量程）等。
6. 使用RTOS：如果学有余力，可以尝试使用FreeRTOS。将按键扫描、显示刷新、业务逻辑、数据存储分别放在不同的任务中，通过队列和信号量通信。这会让程序结构更清晰，但对调试能力要求更高。

复现“蓝桥杯嵌入式电子秤”项目的整个过程，是一次从模块到系统的完整训练。它强迫你去思考硬件如何驱动、数据如何流动、状态如何管理、异常如何应对。当你最终看到LCD上稳定显示重量，按下按键能流畅切换功能，EEPROM里正确保存记录时，那种对系统掌控感带来的满足，是任何单纯学习外设无法比拟的。我的建议是，不要只满足于“跑通”，多问几个“为什么这样设计”和“如果坏了怎么办”，你的收获会成倍增加。