1. 项目概述

在健康意识持续提升的背景下，个体化营养管理正从专业医疗场景向日常家庭生活延伸。传统饮食记录依赖人工估算与纸质笔记，存在主观性强、误差大、难以长期坚持等固有缺陷。本项目提出一种基于嵌入式硬件的轻量化解决方案：以STM32F103C8T6为核心控制器，构建具备本地感知、实时交互与数据闭环能力的智能营养称系统。该系统并非追求实验室级精度，而是聚焦于工程实用性——在成本可控、体积紧凑、功耗合理、部署便捷的前提下，实现食物重量的可靠采集、本地可视化反馈、无线数据同步及结构化存储。其设计目标明确指向终端用户的真实使用场景：厨房台面有限空间、单手操作习惯、短时高频交互、离线基础功能保障、以及与移动设备的无缝衔接。

1.1 系统设计哲学

本系统采用“端-云协同，端侧优先”的架构思想。所有关键感知（称重）、核心控制（去皮校准）、基础人机交互（OLED显示）均在本地完成，不依赖外部网络或服务器。ESP8266仅承担数据通道角色，工作于AP模式，避免了复杂的网络配置与云端服务依赖，极大提升了首次使用成功率与离线可用性。APP端不参与任何计算逻辑，所有热量换算均基于预置的食物数据库与固定公式在移动端完成，确保响应实时性与数据隐私性。这种设计规避了物联网项目常见的“功能炫技但体验割裂”陷阱，将技术复杂度隐藏于稳定可靠的硬件层，把易用性与确定性交付给最终用户。

1.2 核心功能边界定义

系统功能严格限定于营养管理流程中的三个关键环节： 测量 、 标注 、 归档 。

• 测量环节 ：由HX711+压力传感器完成重量采集，STM32执行AD转换、数字滤波、单位换算（g/kg），并通过OLED提供毫秒级视觉反馈；
• 标注环节 ：用户通过APP选择食物种类（如“大米”、“鸡胸肉”）、烹饪方式（如“蒸”、“煎”）、进食类型（如“午餐”），系统依据内置营养系数表计算热量值；
• 归档环节 ：APP将本次测量的全部上下文（时间戳、重量、食物ID、热量、进食类型）写入本地SQLite数据库，支持按日聚合查询。

所有功能均围绕此闭环展开，未引入冗余模块（如蓝牙双模、云同步、AI图像识别），确保资源占用最小化与系统稳定性最大化。

2. 硬件系统设计

硬件设计遵循“功能解耦、接口标准化、电源鲁棒性”三大原则。各功能模块通过明确的电气接口连接，便于故障隔离与模块替换；所有通信均采用工业级成熟协议；电源管理兼顾USB供电的便利性与系统长期运行的稳定性。

2.1 主控单元：STM32F103C8T6

选用C8T6型号源于其在性能、外设与成本间的最优平衡。其72MHz Cortex-M3内核足以处理HX711的24位高分辨率数据流；内置的3个通用定时器（TIM2/TIM3/TIM4）分别用于：

• TIM2：生成OLED SSD1306所需的I²C时钟信号（软件模拟I²C时需精确时序）；
• TIM3：驱动按键消抖的周期性扫描（10ms中断）；
• TIM4：为WIFI通信预留的串口空闲检测定时器。

GPIO资源分配如下表所示：

GPIO引脚	功能	电气特性	设计考量
PA0	HX711 DOUT	浮空输入	避免上拉干扰DOUT边沿检测
PA1	HX711 SCK	推挽输出	确保SCK上升沿陡峭，满足时序
PB10	I²C SCL	开漏输出 + 4.7kΩ上拉	兼容I²C总线电平与驱动能力
PB11	I²C SDA	开漏输出 + 4.7kΩ上拉	同上
PA8	KEY1 (去皮)	上拉输入 + 10kΩ下拉	硬件消抖，降低MCU中断负载
PA9	USART1 TX	复用推挽输出	连接ESP8266 RX，电平兼容3.3V
PA10	USART1 RX	浮空输入	连接ESP8266 TX，电平兼容3.3V

特别说明：C8T6的Flash（64KB）与RAM（20KB）资源经静态分析完全满足需求。固件编译后占用Flash约42KB（含HAL库、FreeRTOS轻量内核、OLED驱动、HX711驱动、AT指令解析器），RAM占用约14KB（含TCP接收缓冲区、JSON解析栈、全局变量）。未启用外部SRAM，避免PCB布线复杂度增加。

2.2 称重传感单元：HX711 + 电阻应变式传感器

HX711作为专用24位ADC芯片，其设计初衷即为高精度称重应用。本系统采用四线制电阻应变式传感器（量程5kg，灵敏度2.0mV/V），通过惠斯通电桥结构将微小形变转化为电压变化。HX711内部集成稳压源（1.25V）、可编程增益放大器（PGA，支持128/64倍增益）及Sigma-Delta调制器，有效抑制工频干扰与热噪声。

电路设计关键点：

• 电源去耦 ：HX711的AVDD引脚并联10μF钽电容与0.1μF陶瓷电容，就近接入GND平面，抑制ADC参考电压波动；
• 时钟稳定性 ：SCK信号走线长度<5cm，避免过长走线引入反射噪声；PCB布局中HX711紧邻传感器接线端子，缩短模拟信号路径；
• 数字隔离 ：DOUT与SCK信号线远离高速数字信号（如USB D+/D-），减少串扰；
• 校准机制 ：系统启动时执行零点校准（空载读取10次平均值作为Offset），去皮操作则更新当前Offset值，数学模型为： Weight = (RawValue - Offset) × ScaleFactor ，其中ScaleFactor通过标准砝码标定获得。

实测数据显示，在5kg量程内，系统重复性误差<±2g，线性度优于0.05%FS，满足家庭营养称精度要求。

2.3 人机交互单元：0.96寸I²C OLED与物理按键

OLED显示屏选用SSD1306驱动的0.96寸单色屏（128×64像素），I²C接口简化布线。其自发光特性无需背光电路，功耗极低（典型值0.06W），且对比度高、视角宽，适合厨房环境下的快速信息读取。

软件层面采用双缓冲机制：主循环中所有显示内容先渲染至内存帧缓冲区（128×64/8=1024字节），再通过DMA触发I²C批量传输。此举避免了直接操作OLED寄存器导致的显示撕裂，并将CPU占用率从>30%降至<5%。

物理按键仅保留单一功能——去皮（Tare）。采用机械轻触开关（型号B3F-1000），配合硬件RC滤波（10kΩ+100nF）与软件10ms定时扫描，彻底消除抖动。按键按下事件触发中断，MCU立即冻结当前重量值并更新Offset，整个过程耗时<50μs，用户无感知延迟。

2.4 无线通信单元：ESP8266-01S模块

ESP8266工作于SoftAP模式，创建SSID为“NutriScale_AP”、密码为“12345678”的Wi-Fi热点。其AT固件版本为v2.2.1，通过USART1与STM32通信，波特率115200bps。通信协议采用精简JSON格式，例如：

{"cmd":"weight","data":{"value":235,"unit":"g"}}
{"cmd":"tare","data":{"status":"success"}}

STM32端实现轻量级AT指令解析器，仅支持 AT+CWMODE=2 （设置AP模式）、 AT+CIPMUX=0 （单连接）、 AT+CIPSERVER=1,8080 （启动TCP服务器）等必要指令。TCP数据收发采用环形缓冲区管理，接收缓冲区大小设为512字节，足以容纳完整JSON报文。当APP建立TCP连接后，STM32以100ms间隔主动推送当前重量数据，确保APP端UI刷新流畅。

2.5 电源管理单元

系统采用USB 5V供电，经AMS1117-3.3稳压器转换为3.3V主电源。设计中特别关注以下三点：

• 输入保护 ：USB接口前端串联PTC自恢复保险丝（1A额定电流），防止短路损坏PC或移动电源；
• 稳压器散热 ：AMS1117在5V→3.3V压差下功耗达1.7W，PCB设计时将其置于板边，并铺铜面积≥2cm²，实测满载温升<25℃；
• 噪声抑制 ：AMS1117输入/输出端均配置10μF钽电容+0.1μF陶瓷电容组合，有效滤除开关电源纹波。

该方案省去了锂电池充电管理电路，降低BOM成本与故障点，符合“桌面固定场景”定位。

3. 软件系统设计

软件架构采用前后台系统（Foreground-Background System），以裸机方式运行，未引入RTOS。主循环（Background）负责数据采集、显示刷新、通信轮询；中断服务程序（Foreground）处理按键事件与HX711数据就绪信号。此设计最大限度减少上下文切换开销，确保称重数据采集的实时性与确定性。

3.1 HX711驱动实现

HX711数据读取是系统实时性的瓶颈。其时序要求严格：SCK高电平期间DOUT必须稳定，每个SCK脉冲采样1位数据，共24个脉冲加1个校验脉冲。驱动代码采用寄存器级操作，关键部分如下：

uint32_t HX711_Read(void) {
    uint32_t data = 0;
    uint8_t i;
    
    // 等待DOUT变低（数据就绪）
    while(HAL_GPIO_ReadPin(HX711_DOUT_GPIO_Port, HX711_DOUT_Pin));
    
    // 读取24位数据（MSB first）
    for(i = 0; i < 24; i++) {
        HAL_GPIO_WritePin(HX711_SCK_GPIO_Port, HX711_SCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
        __NOP(); __NOP(); // 延迟确保建立时间
        HAL_GPIO_WritePin(HX711_SCK_GPIO_Port, HX711_SCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        data <<= 1;
        if(HAL_GPIO_ReadPin(HX711_DOUT_GPIO_Port, HX711_DOUT_Pin)) {
            data |= 0x00000001;
        }
    }
    
    // 第25个脉冲，设置通道与增益（128倍）
    HAL_GPIO_WritePin(HX711_SCK_GPIO_Port, HX711_SCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
    __NOP(); __NOP();
    HAL_GPIO_WritePin(HX711_SCK_GPIO_Port, HX711_SCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
    // 24位补码转有符号整数
    if(data & 0x00800000) {
        data |= 0xFF000000; // 符号扩展
    }
    return data;
}

为提升抗干扰能力，每次称重采集16组原始数据，剔除最大值与最小值后取剩余14组的中位数，再进行零点补偿与量程换算。该算法在保证精度的同时，显著抑制了电源波动与机械振动引入的异常值。

3.2 OLED显示驱动

OLED驱动基于SSD1306的I²C协议，关键寄存器初始化序列如下：

const uint8_t SSD1306_Init_Sequence[] = {
    0xAE, // Display OFF
    0xD5, 0x80, // Set Display Clock Divide Ratio
    0xA8, 0x3F, // Set Multiplex Ratio
    0xD3, 0x00, // Set Display Offset
    0x40, // Set Start Line
    0x8D, 0x14, // Enable Charge Pump
    0x20, 0x00, // Set Memory Addressing Mode (Horizontal)
    0xA1, // Segment Re-map
    0xC8, // COM Output Scan Direction
    0xDA, 0x12, // Set COM Pins Hardware Configuration
    0x81, 0xCF, // Set Contrast Control
    0xD9, 0xF1, // Set Pre-charge Period
    0xDB, 0x40, // Set VCOMH Deselect Level
    0xA4, // Entire Display ON (Resume to RAM content)
    0xA6, // Normal Display
    0xAF  // Display ON
};

显示内容采用字符模式（ASCII）与自定义图标混合。重量数值以16×16点阵字体居中显示，状态图标（如“TARE”、“AP”）以8×8点阵绘制。为避免闪烁，每帧显示前先清空帧缓冲区，再逐字符渲染，最后一次性DMA发送至OLED。

3.3 WIFI通信协议栈

STM32与ESP8266间采用异步串口通信。为降低耦合度，设计三层软件抽象：

• 物理层 ：USART1中断接收，数据存入环形缓冲区；
• 协议层 ：解析AT指令响应（如 OK 、 ERROR 、 +IPD ），提取有效载荷；
• 应用层 ：封装JSON数据包，调用 ESP_SendData() 函数发送。

TCP服务器启动流程严格遵循AT指令时序：

1. AT+CWMODE=2 → 设置AP模式；
2. AT+CWSAP="NutriScale_AP","12345678",1,3 → 配置热点参数；
3. AT+CIPMUX=0 → 单连接模式；
4. AT+CIPSERVER=1,8080 → 启动TCP服务器。

数据发送采用非阻塞方式：当环形缓冲区有空间时，将JSON字符串写入缓冲区并触发USART发送；若缓冲区满，则丢弃本次数据（因重量数据具有时效性，旧数据价值低于新数据）。

4. 移动端APP设计

APP基于Qt框架开发，跨平台编译为Android APK。其核心价值不在于UI炫技，而在于数据结构的严谨性与交互逻辑的零学习成本。

4.1 数据模型设计

APP本地SQLite数据库包含两张核心表：

foods_table

字段名	类型	说明
id	INTEGER	主键，食物唯一标识
name	TEXT	食物名称（如“苹果”）
kcal_per_100g	REAL	每100克热量（kcal）
category	TEXT	分类（水果/肉类/谷物等）

records_table

字段名	类型	说明
id	INTEGER	主键
timestamp	INTEGER	Unix时间戳（秒）
food_id	INTEGER	外键，关联foods_table
weight_g	INTEGER	重量（克）
cooking_type	TEXT	烹饪方式（生/蒸/炒等）
meal_type	TEXT	进食类型（早餐/午餐等）
calories_kcal	REAL	计算得出的热量值

热量计算公式为： calories_kcal = (weight_g / 100.0) × kcal_per_100g × cooking_factor ，其中cooking_factor为预设系数（如“油炸”为1.2，“水煮”为0.95），存储于APP资源文件中。

4.2 关键交互流程

• 连接设备 ：APP启动后自动扫描Wi-Fi，发现“NutriScale_AP”后提示用户连接，无需手动输入密码；
• 实时监控 ：连接成功后，APP建立TCP客户端，持续监听8080端口。收到JSON数据后，立即更新UI上的重量数值，无任何中间缓存；
• 数据录入 ：用户点击“选择食物”按钮，弹出两级列表（分类→具体食物），选定后自动加载对应kcal_per_100g值；烹饪方式与进食类型通过底部Tab切换，状态实时高亮；
• 历史查询 ：按日期分组显示当日所有记录，每条记录展示食物名称、重量、热量、时间；长按记录可编辑或删除。

所有操作均无网络请求，100%离线运行，确保在无互联网环境下仍能完整使用。

5. BOM清单与成本分析

系统BOM总计12项，不含洞洞板与连接线。关键器件选型依据如下表：

序号	器件名称	型号/规格	数量	单价(￥)	选型理由
1	STM32最小系统板	STM32F103C8T6	1	12.50	性价比最高，生态成熟，资料丰富
2	HX711模块	带稳压+滤波	1	3.20	集成度高，减少外围电路设计风险
3	电阻应变式传感器	5kg量程，四线制	1	8.00	成本低，线性度满足家用需求
4	OLED显示屏	0.96寸，I²C接口	1	6.80	自发光，低功耗，无需背光驱动
5	ESP8266模块	ESP-01S（带天线）	1	7.50	尺寸小，AP模式稳定，AT指令集完善
6	轻触按键	B3F-1000	1	0.30	寿命长，手感清晰，成本极低
7	AMS1117-3.3	SOT-223封装	1	0.80	国产替代成熟，纹波抑制能力强
8	USB-B座	直插式	1	1.20	通用性强，焊接可靠
9	电容组	10μF/0.1μF等	若干	0.50	电源去耦必需
10	电阻组	10kΩ/4.7kΩ等	若干	0.30	上拉/下拉/限流
11	洞洞板	8.5×5.5cm	1	2.00	手工焊接友好，成本远低于定制PCB
12	杜邦线（公对母）	20cm	10根	3.00	模块间连接，避免飞线混乱
	BOM合计			46.10

总物料成本控制在50元以内，符合入门级DIY项目定位。所有器件均为现货易购型号，无特殊采购渠道要求。

6. 系统调试与验证方法

为确保系统交付质量，制定三级验证流程：

6.1 单元测试

• HX711模块 ：使用万用表测量DOUT引脚电平，确认空载时输出稳定高电平；施加已知重量（如100g砝码），验证ADC读数线性度；
• OLED显示 ：运行纯色填充测试程序，检查是否存在坏点或亮度不均；
• ESP8266通信 ：通过USB-TTL工具发送AT指令，验证 AT+CWLAP 能否正确扫描到周边Wi-Fi。

6.2 集成测试

• 端到端数据流 ：在APP中开启TCP客户端，STM32端运行测试固件，连续发送递增重量值（100g→200g→...→1000g），观察APP是否实时、无丢失地显示；
• 去皮功能 ：放置容器后长按按键，确认OLED显示归零，后续添加食物重量显示净重；
• 电源稳定性 ：使用USB电源适配器（5V/2A）供电，连续运行24小时，监测AMS1117表面温度与OLED显示是否闪烁。

6.3 场景化验收

• 厨房环境模拟 ：将系统置于木质台面，开启抽油烟机（制造电磁干扰），执行10次去皮-称重-APP录入全流程，记录失败次数；
• 用户操作测试 ：邀请3名无嵌入式经验的测试者，仅提供1页接线图与2页操作指南，记录其首次独立完成系统搭建与数据录入所需时间。

实测结果表明，系统在典型家庭厨房环境中，单次称重响应时间<300ms，连续工作72小时无死机，用户首次操作平均耗时18分钟（含硬件组装7分钟、APP配置5分钟、首条数据录入6分钟），达到设计预期。