宠物饮水碗低水位报警用称重传感器判断水量的原理与实操先说结论这篇从零开始不要求你学过电路或编程。先看按钮、电线和小灯怎么变化技术名词会在用到时再用白话解释。称重传感器本质是阻值随压力变化的电阻桥重量变化转化为毫伏级电压信号需要HX711放大后才能被ADC正常读取水面晃动会导致称重数据剧烈抖动滤波算法滑动平均或卡尔曼是必需步骤否则阈值判断会频繁误触发标定必须用已知重量的水进行分档测试不能假设线性关系直接计算否则实际误差可能超过可接受范围用“守门员只关心球进了没有”建立直觉秤盘只关心水还剩多少不管水怎么晃动。然后沿“称重桥→ADC→滤波→阈值→提醒”拆开真实信号链路给出可复制的接线、代码和验证方法最后列出不适用场景。先看它能解决什么问题家里养猫狗的人大概都遇到过这种情况下班回家发现水碗早就空了宠物渴了一整天。传统解决办法是每天手动检查但工作一忙很容易忘记。如果能在水快喝完时自动发出提醒就能省掉这个心事。这就是宠物饮水碗低水位报警功能要解决的问题。它的任务很纯粹当水碗里的水少于某个刻度时点亮指示灯或者发出声音。这个功能看起来简单但背后涉及一连串硬件和软件的配合理解这些配合过程对做其他称重类项目也有帮助。纠常见误解水位检测不是魔法有些新手会以为“传感器直接告诉MCU还有多少水”。这个想法很正常但不对。实际情况是传感器只能给出电压或者电阻这种原始信号。MCU自己不会看水量它只能看电压高低。把“还有多少水”翻译成“应该提醒还是不该提醒”这中间需要经过信号放大、模数转换、滤波处理、阈值判断这几个步骤。每一步都有讲究做错了就会出问题。下面把整个链路拆开来讲。生活类比秤盘像守门员先用一个容易理解的场景来建立直觉。想象足球场上的守门员。他的任务非常简单球过来了他只关心一件事——球有没有进网。球在禁区里怎么飞来飞去、旋转成什么样他根本不管。他的眼睛只盯着“球”和“球门线”这两个关键点一旦球越过线立刻做出扑救动作。回到我们的饮水碗。秤盘就是那个守门员。水倒进去的时候水面会晃动水位会上下起伏但秤盘只关心一件事——当前的总重量是多少。水波怎么折腾秤盘不关心。它只把当前的重量转换成电压信号交给后面的电路去处理。回到电路称重传感器的输出引脚只输出与当前压力对应的毫伏电压不管上一秒水波有多大。这个类比映射关系是守门员 → 称重传感器/秤盘负责感知当前状态球门线 → 阈值水位线决定什么时候触发提醒扑救动作 → MCU输出驱动LED或蜂鸣器球在禁区飞舞 → 水面晃动产生的干扰信号需要被过滤掉真实硬件链路称重桥→HX711→ADC→滤波→阈值硬件部分可以分成四个阶段每个阶段负责不同的任务。第一阶段称重桥把重量变成电压常见的称重传感器内部是一个惠斯通电桥。四个电阻组成一个菱形其中两个臂上装有应变片。当外界施加压力时应变片的阻值会发生微小变化导致电桥的输出端出现毫伏级别的电压差。这个电压非常小一般只有几毫伏到几十毫伏。直接接给MCU的ADC不行信号太弱了。回到电路把水碗放在传感器上水越重→应变片阻值变化越大→电桥输出电压越高→万用表红黑表笔之间能测到几mV的变化。第二阶段HX711把微弱信号放大HX711是一款专门用于称重传感器的24位ADC芯片内部集成了可编程放大器。它把电桥输出的毫伏信号放大几十倍然后转换成数字量输出给MCU。接线很简单HX711的E、E-接传感器的激励电压脚A、A-接传感器的输出脚DT和SCK接MCU的两个普通IO口VCC接3.3VGND接地。回到电路HX711的DT脚会向MCU输出一串24位的二进制数这个数的大小与传感器受到的压力成正比。第三阶段MCU读取ADC并滤波MCU通过IO口模拟SPI时序从HX711读取数据。但这时候的数据还不能直接用因为水碗里的水晃动会导致读数跳来跳去。滤波方法有两种常用选择。简单的是滑动平均每次取最近10次或20次采样的平均值作为当前值。复杂一点的是卡尔曼滤波但宠物饮水碗这种场景用滑动平均就够用了。滤波的核心逻辑是不要让偶然的跳动影响判断而是让稳定下来的趋势决定结果。回到电路程序每秒采样10次放入数组每次输出前计算平均值。这个平均值会稳定很多除非真的水位下降了。第四阶段阈值判断与提醒输出MCU把滤波后的数值与预设阈值比较。阈值怎么定需要通过标定来确定后面会专门讲。当检测到当前重量低于阈值时MCU控制某个IO口输出高电平驱动LED点亮或者蜂鸣器响起来。回到电路MCU的GPIO输出脚从低电平变成高电平→LED正向导通→指示灯亮起。最小代码采样、判断、驱动下面是一段极简的伪代码保留采样、判断、驱动这三条主线去掉了所有寄存器配置的细节。实际移植时只需要把引脚编号和延时函数替换成自己用的MCU平台即可。// 伪代码仅展示核心逻辑 #define THRESHOLD 1500 // 实测标定后确定 void main() { init_hx711(); // 初始化HX711 init_gpio(); // 初始化提醒引脚 while(1) { int raw read_hx711(); // 读取原始ADC值 int filtered moving_average(raw); // 滑动平均滤波 if (filtered THRESHOLD) { set_alert_pin(HIGH); // 点亮LED或响蜂鸣器 } else { set_alert_pin(LOW); // 关闭提醒 } delay_ms(100); // 每100ms采样一次 } } int moving_average(int new_value) { static int buffer[10]; static int index 0; static int sum 0; sum sum - buffer[index] new_value; buffer[index] new_value; index (index 1) % 10; return sum / 10; }这段代码的逻辑就是不断采样不断滤波不断比较。核心只有三件事读进来、处理一下、决定要不要提醒。仪器验收分档标定与水波测试代码写出来了怎么知道它真的能工作需要做两件事标定和验证。分档标定标定的意思是往水碗里分别加入已知重量的水记录下对应的ADC读数。具体做法是空碗时记录一次读数记作零点加入100ml水记录读数加入200ml水记录读数继续加到常见容量上限记录读数把这些数据整理成表格就可以看出ADC读数与实际水量的大致对应关系。然后根据这个对应关系反推当水量剩下多少时ADC读数会降到阈值以下。成功标准在不同水量下多次测量误差控制在预期范围的20%以内。例如预计剩100ml报警实际剩80ml~120ml报警都算可接受。水波干扰测试水碗放在桌上使用时人走动、宠物喝水、甚至是风吹都会让水面晃动。这些晃动会传导到传感器上导致ADC读数短时跳动。测试方法装满水后用手指轻轻敲击桌面模拟震动或者用小棒子轻轻碰一下水面观察滤波后的输出值是否仍然稳定。成功标准滤波后的数值波动幅度应小于阈值的10%不会导致误触发提醒。如果波动太大需要增加滤波窗口大小从10次采样增加到20次或更多。验证工具初学者用万用表测量HX711的输出电压范围确认信号在合理区间。有条件的话用示波器观察滤波前后的波形对比能更直观地看到滤波效果。适用边界与替代方案不是所有场景都适合用称重传感器来判断水位。适合的场景水碗固定放置不会被宠物搬动对成本敏感单价控制在几十元以内水量变化范围大需要检测剩余量而非仅检测空杯不适合的场景水碗需要经常移动或清洗需要精确知道剩余毫升数而不只是“快要没了”环境震动剧烈干扰无法通过滤波消除需要检测几十毫升以内的高精度液位替代方案如果称重传感器不合适可以考虑以下替代品电容式液位传感器通过检测电容变化判断有无液体适合检测是否空杯但精度不如称重浮球开关机械式触碰开关水位到了某个高度就闭合或断开。优点是成本极低缺点是只能判断一个固定高度超声波测距从水面往上发射超声波根据回波时间计算距离。不接触液体但成本较高且水面波浪会影响精度选择哪种方案取决于具体的使用场景和精度要求。没有最好的方案只有最合适的取舍。记住这一条称重传感器判断水位的本质是先把重量变化变成电压信号放大后交给MCU处理加上滤波去掉水波干扰最后用阈值比较决定要不要提醒。每一级都要跑通信号才能从“传感器”流到“提醒灯”。给想继续学的人本文的硬件边界以芯片厂商资料为准https://www.st.com/resource/en/application_note/an2834-how-to-get-the-best-adc-accuracy-in-stm32-microcontrollers-stmicroelectronics.pdf