防作弊高精度电子秤研究

论文摘要

电子秤是一种广泛应用于工业生产、商业贸易、交通运输、机械制造、港口计量、医疗保健、国防建设和科学研究等领域的质量计量仪器，具有反应速度快、测量范围广、使用简单、操作方便、便于计算机控制等特点。但是，传统电子秤存在准确度较低、不能进行倾角自动补偿、容易作弊、人性化程度低等不足。为此，本文研制了一种高精度、倾角自动补偿的防作弊电子秤。通过对电子秤的现状进行研究，确定了本文的设计目标；设计了防作弊高精度电子秤的信号采集、防作弊模块、人机接口等模块的电路；基于模块化设计思想，对电子秤的软件进行了设计；提出了倾角自动补偿模型、非线性校正方法和温度补偿方法，对倾角、传感器非线性和温度等进行了自动补偿。设计并实现了量程为1000g、感应量为0.01g的防作弊高精度电子秤。最后，在实验室条件下进行了测试检定。本文研究工作的重点主要是系统硬件设计与软件设计以及倾角误差补偿和非线性误差补偿方法。主要工作以及创新点如下：在硬件设计上，以ADμC7060微处理器作为信息处理核心，采用24位高精度的Σ-Δ型A/D转换器AD7190构成高精度的数据采集模块，利用RFID技术进行校验、加速度传感器ADXL345测量倾斜角实现倾角自动补偿，以及硬件冗余技术防止电子秤软硬件作弊，采用DS18B20实现电子秤的温度自动补偿。在软件设计上，根据系统需求，采用模块化设计方法，将软件分为传感器、称重信号采集、防作弊、故障诊断、人机接口等模块，对各模块分别进行设计。在倾角自动补偿模型中，提出了一种适合微控制器实现的倾角自动补偿模型，有效的补偿了倾角引起的误差；在称重信息处理方法中，建立了一种分段最小二乘法的非线性称重误差校正方法，有效地改善了系统的非线性；在减少温度对系统的影响方面，介绍了最小二乘曲面拟合补偿模型的实现。现场测试表明，防作弊高精度电子秤的量程为1000g，感量为0.01g，最大允许误差优于0.05g，完全满足国家标准《JJG555非自动衡器检定规程》规定的II级秤要求；在秤台倾角<15°时，系统最大误差<0.2g，减少了秤台倾角引起的称重误差，实现了秤台倾角误差的自动补偿。同时，防作弊电子秤能够有效防止7类常见作弊方法，并完成相应的作弊报警提示。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 电子秤现状与发展趋势
• 1.2.1 电子秤的现状
• 1.2.2 电子秤的发展趋势
• 1.3 电子秤作弊方法及防作弊技术研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 防作弊高精度电子秤的构成与工作原理
• 2.1 仪器的构成框图
• 2.2 仪器的工作原理
• 2.3 电子秤防作弊原理及方法
• 2.4 仪器的主要功能及技术指标
• 2.4.1 功能简介
• 2.4.2 技术指标
• 第3章 防作弊高精度电子秤电路设计
• 3.1 传感器电路设计
• 3.1.1 电阻应变式称重传感器
• 3.1.2 倾角传感器
• 3.1.3 数字温度传感器
• 3.2 称重信号采集电路设计
• 3.2.1 电源系统设计
• 3.2.2 称重信号调理电路设计
• 3.2.3 基于 AD7190 的 A/D 转换电路设计
• 3.3 防作弊模块硬件电路设计
• 3.3.1 防止更换微处理器作弊模块设计
• 3.3.2 防止内部电路改装作弊电路设计
• 3.4 ARM 系统与人机接口电路设计
• 3.4.1 ADμC7060 性能与内部资源
• 3.4.2 通信接口电路设计
• 3.4.3 键盘与显示模块设计
• 3.4.4 语音模块电路设计
• 第4章 防作弊高精度电子秤软件设计
• 4.1 软件开发平台与开发工具
• 4.2 系统分析
• 4.2.1 防作弊高精度电子秤需求分析
• 4.2.2 软件的模块化设计
• 4.3 数据采集模块
• 4.3.1 称重信号采集
• 4.3.2 温度采集模块
• 4.3.3 倾角采集模块
• 4.4 防作弊模块软件设计
• 4.4.1 防止内部改装作弊
• 4.4.2 防止更换 MCU 作弊
• 4.4.3 其它防作弊功能程序设计
• 4.5 称重数据采集与处理
• 4.5.1 称重数据采集方法
• 4.5.2 数据滤波算法
• 4.6 故障自诊断模块软件设计
• 4.7 人机接口与通信模块
• 4.7.1 键盘输入程序设计
• 4.7.2 LCD 模块
• 4.7.3 语音模块
• 4.7.4 通信模块
• 4.7.5 校准模块
• 4.8 上位机管理软件
• 第5章 高精度电子秤补偿算法研究
• 5.1 电子秤倾角对称量准确度的影响
• 5.1.1 倾角测量原理
• 5.1.2 倾角自动补偿模型
• 5.2 高精度电子秤非线性校正方法
• 5.2.1 非线性校正原理
• 5.2.2 基于分段最小二乘拟合的非线性校正方法
• 5.2.3 非线性校正仿真研究
• 5.2.4 非线性校正方法的测试
• 5.3 高精度电子秤温度误差补偿方法
• 5.3.1 温度对称重传感器的影响
• 5.3.2 温度误差补偿方法
• 第6章 防作弊高精度电子秤的检定与误差分析
• 6.1 高精度电子秤的技术指标
• 6.2 高精度电子秤的检定方法
• 6.2.1 示值误差检定
• 6.2.2 重复性检定
• 6.2.3 偏载误差检定
• 6.2.4 鉴别力检定
• 6.3 高精度电子秤的检定结果与误差分析
• 6.4 防作弊功能测试与结果
• 6.4.1 电子秤倾角自动补偿功能测试结果
• 6.4.2 电子秤防作弊功能测试
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的论文
• 附录 B 防作弊高精度电子秤电路图
• 附录 C 防作弊高精度电子秤实物图
• 附录 D 防作弊高精度电子秤内部结构图