朱滨峰
南京高华科技股份有限公司 江苏南京 210000
摘要：在河工模型中，经常需要研究波浪载荷，本文提出一种在河工模型中使用的总力测量仪。MCU采用STC15单片机，AD采用HX711进行数据采集，使用MCP1525将数据传输给上位机。由于温度对总力采集影响较大，本文研究了温度补偿的算法，经过实验测量结果显示，该总力测量仪的误差小于0.5%，精度高。
Abstract：STC15，波浪，总力，温度补偿
0.引言
我国的国民经济发展越来越快，国家的相关海洋战略也在逐步实施，关于海洋交通的工程也越来越多，建造海洋桥梁将成为研究的重点。海洋环境中，海洋波浪对桥梁存在较大的撞击载荷，这些载荷将成为设计海洋桥梁时的重要影响因素，也是海洋桥梁施工和防护的过程中的隐患。
为了研究波浪载荷，本文将研究一种总力测量仪，主要是将海洋环境按照相似比例关系缩小为河工模型，这种总力测量仪将在河工模型中测量模拟的海洋波浪载荷。
1.总力测量仪的总体设计
总力测量仪是通过总力传感器测量河工模型中的波浪载荷，总力测量仪由拉压力传感器、信号隔离和放大电路，控制和通讯单元组成，总体设计框图如图1所示。
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传感器在工作过程中，由于受到拉力和压力的变化，惠斯通电桥中的电阻发生变化，该电桥将失去平衡，引起输出电压U0发生变化，实现了将拉力和压力的变化转换成了电信号的改变。
1.2总力采集电路的设计
总力采集时采用MCU为STC15，当总力发生变化时，总力传感器将输出不同的电压值，通过将该电压放大、滤波电路，然后经过A/D转换芯片HX711将电压值传递给单片机，单片机进行处理获得相应的总力值，通过CAN总线将总力值传给上位机，如图3所示。
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图3 信号采集电路的设计
1.3CAN总线的设计
由于总力测量仪在使用过程中是多个同时使用，此时需要采用广播的通信方式，而CAN总线是一种高效可靠的广播通讯模式。本文在设计过程中选用MCP2515和TJA1050作为控制器和收发器。
2.总力传感器温度补偿的研究
总力传感器温度漂移具有很强的非线性，需要针对不同的问对对总力传感器的输出进行补偿，增加温度补偿系数，使得传感器的输出更准确。同时，为了增加总力传感器的适应力，必须使总力传感器具有自学习和自适应的功能。
总力传感器的温度补偿过程，实质上是补偿被测压力和电桥电压之间的映射关系。根据标定实验的数据，确定n压力标定点和m个温度标定点构成的矩阵H，其元素为,，协方差正定矩阵B为：
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此时，可以根据计算后得到的系数a，得出，使用样本进一步训练，即可完成总力传感器的温度补偿。
3.总力测量仪的软件设计
总力测量仪的功能是定时通过CAN发送总力值。在进行软件设计时，首先需要对单片机，HX711，MCP2515等进行初始化。然后通过定时器监控定时时间是否已到，如果时间未到，继续等待；如果时间已到，通过HX711获取总力的AD值，经过温度补偿后，转变为测得的总力值，然后由MCP2515发送至采集站。
4.总力测量仪的系统测试
总力测试仪在设计、制作完成后，需进一步检测，并对检测结果进行分析，检测数据如表1所示。结果表明，误差小于0.5%，精度较高。
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5.结论
本文设计了一款河工模型中使用的总力测量仪。MCU采用STC15，选用HX711进行AD转换，MCP2515进行CAN通讯，并通过研究温度补偿算法，对总力值进行补偿。经过实验，该总力测量仪测得的值精度较高，误差小于0.4%，满足河工模型试验中总力测量的要求。
参考文献
[1]压阻式传感器多路温度补偿系统的设计[J].彭军皓,蒋庆,汤建斌,周乔军.仪表技术与传感器.2014(08)：50-55
[2]基于样条曲线插值的压力传感器的温度补偿[J].樊尚春,张秋利,秦杰.北京航空航天大学学报.2006(06):33-38