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1、第一章 绪论1.1 研究背景及意义我国是一个自行车大国，自行车总量占世界第一。很多人喜欢骑自行车出行，然而自行车的停放、自行车的安全问题一直是困扰政府和市民的一个老问题。据不完全统计，中国每年被盗的自行车有上百万量。而且，自行车乱停放的问题也很严重，很多街道、小巷、建筑门口都停满了自行车，极大的影响了人们的出入。为了使自行车得到安全有效的管理，需要设计一个自行车管理控制系统来管理自行车。自行车管理控制系统是由触摸屏、PLC、数据采集卡、POS机等设备构建而成的。这种系统能实现中心联网控制，可以解决传统自行车租赁中哪里借车哪里还的问题，从而实现异地还车、异地退款的功能。借还车时都要用IC卡。借车
2、的时候刷卡机先扣下IC卡里的钱，并记下借车时间。还车时只有车还要按步骤停到指定的位置上才能退还扣下的押金。这样，就不会担心车被盗或者是停车问题了。这对一个城市的市容市貌的提升有很重要的意义。1.2 本论文主要研究内容本论文在分析国内外触摸屏系统在工业中的实际应用同时，结合国外自行车管理控制系统的控制特点等，设计出了一套适合我国的基于触摸屏的自行车管理控制系统。论文的内容如下：第一章绪论。简单明了的介绍了论文的研究背景、研究目的和内容。第二章总体设计方案。根据自行车管理控制系统中的各种具体要求，提出了自行车管理控制系统总体设计方案。第三章根据系统总体方案要求，提出了自行车管理控制系统的详细硬件设
3、计方案。系统硬件包括控制系统、人机界面、数据采集系统、通信系统、pos机等。第四章根据系统总体方案要求，提出系统软件设计方案。介绍了控制系统的编程工具、系统控制软件各模块的设计。第五章结论与展望。总结本论文的研究工作，并指出本文存在的局限，提出展望。第二章 总体设计方案2.1 自行车管理控制系统总体概述本系统设计的要求是构建自行车管理控制系统。为了自行车管理控制系统能获得长期和稳定的工作，选用了PLC、触摸屏这些在工业控制市场上已经很成熟的产品。PLC的控制技术能够稳定、安全的保证系统的正常运行。系统要完成以下功能：1. 能够通过触摸屏上的按键、指示灯等来与PLC通信。2. POS机能够与PL
4、C之间的通信完成刷卡功能，并记录相关信息。3. PLC除了要与POS机、触摸屏通信外，还要通过can总线控制can模块的动作，can控制锁的动作。系统的结构示意图如图2.1所示：图2.1 自行车管理控制系统结构示意图主控制器采用GE可编程控制器IC200CPUE05，外加一个电源模块IC200PWR102。人机界面采用上海步科电气有限公司生产的MT4000系列触摸屏可编程显示器产品MT4400TE。上海步科电气有限公司是一家专业生产触摸屏的知名企业，其产品性能较好，外观设计精巧，操作简便，可与任何品牌的PLC相连接使用。2.2系统的性能指标 系统的要求如下：l 通过POS机来完成自行车租赁中的
5、费用、时间的计算和处理。l 触摸屏能给PLC发送数据，从而实现控制要求。触摸屏能显示借还车过程的步骤。l PLC能通过与触摸屏、POS机的通信控制can模块的输入输出信号，以完成借还车步骤。2.3系统工艺流程2.3.1借车流程首先，pos机向PLC发送报文询问是否有车。PLC接到特定格式的报文后，判断是否有车可借。无车可借则返回POS机无车；有车可借则返回PLC可借车的车位号。POS机读卡扣款，假如卡内余额不足，则显示余额不足；扣款成功后，PLC把车号与卡号绑定，同时PLC给锁上电。人工按下解锁按钮，锁就能打开并取走车。PLC检测到车位无车后自动断电，借车完成。假如90秒内车未取走，则人工上电
6、开锁取车。2.3.2还车流程首先，pos机向PLC发送报文询问是否有空车位。PLC接到特定格式的报文后，判断是否有空车位。无空车位可借则返回POS机无空车；有则返回PLC空车位的车位号。并且给空车位车锁上电。人工按下开锁按钮并还车。PLC判断车位是否有车。有车则上锁并断电，然后给POS机发送还好车命令，pos机根据信息退款。90秒内无车则重新分配车位。自行车管理控制系统的流程图如图2.2所示。图2.2 自行车管理控制系统流程图第三章 自行车管理控制系统硬件设计自行车管理控制系统要求自行车的借车和还车进行控制，管理员能够通过触摸屏对其控制，还需要对借车时间进行计算。所以选择工业中运用广泛的可编程
7、控制器作为主控制器，触摸屏作为其人机界面，pos机作为刷卡机。可编程控制器是集计算机技术与的梯形图语言及简单指令，具有形象自动化控制技术于一体的一种新型工业控制系统，专为工业应用环境下应用而设计的，它采用易于理解和掌握直观、结构简单、可靠性极高、抗干扰强、故障率低、易于操作和维修，且根据不同工艺要求修改程序及参数简单等优势，被广泛应用于生产、科研、社会生活等诸多领域4-10。应用PLC可以解决CAN总线、触摸屏、POS机与PLC之间的通信问题，从而解决一切控制的问题。3.1触摸屏概述3.1.1触摸屏简介触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒
8、体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备17。触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要是公共信息的查询；如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户3。 3.1.2触摸屏的工作原理 触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU
9、，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。 触摸屏是一套透明的绝对定位系统，首先它必须保证是透明的；其次它是绝对坐标；再其次就是能检测手指的触摸动作并且判断手指位置，各类触摸屏技术就是围绕“检测手指触摸”而八仙过海各显神通的18。3.1.3触摸屏特点 触摸屏的特点有透明、触摸屏是绝对坐标系统、检测触摸并定位等特点。一、透明程度 透明直接影响到触摸屏的视觉效果。透明有透明的程度问题，当然仅用透明一点来概括它的视觉效果是不够的，它应该至少包括四个特性：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度19，还能再分，比如反光程度包括镜面反光程度和衍射反光程度，不过触摸屏表面衍射反光还没到达CD盘的程度。二、触摸屏
10、是绝对坐标系统触摸屏是绝对坐标系统，要选哪就直接点那，与鼠标这类相对定位系统的本质区别是一次到位的直观性。绝对坐标系的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统，每次触摸的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标 15。三、检测触摸并定位检测触摸并定位，各种触摸屏技术都是依靠各自的传感器来工作的，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。3.1.4触摸屏的主要类型 按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。下面对上述的各
11、种类型的触摸屏的简要介绍：1、 电阻式触摸屏 图3.2电阻式触摸屏工作原理图这种触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的（小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。 当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再根据模
12、拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理 15-21。 2、 电容式触摸屏 图3.3电容式触摸屏工作原理图电容式触摸屏利用人体的电流感应进行工作的。电容式触摸屏是是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO，最外层是一薄层矽土玻璃保护层,夹层ITO涂层作为工作面,四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层以保证良好的工作环境。 当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对
13、这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置15-20。 电容屏反光严重，而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还造成图像字符的模糊。 电容屏更主要的缺点是漂移：当环境温度、湿度改变时，环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确 21。3、红外线式触摸屏 图3.4红外线式触摸屏工作原理图红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线
14、，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，红外线技术是触摸屏产品最终的发展趋势 17。 4、表面声波触摸屏 图3. 5表面声波触摸屏工作原理图表面声波触摸屏的触摸屏部分的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X-轴的接收换能器，接收换能器
15、将返回的表面声波能量变为电信号。 当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号，不难看出，接收信号集合了所有在X轴方向历经长短不同路径回归的声波能量，它们在Y轴走过的路程是相同的，但在X轴上，最远的比最近的多走了两倍X轴最大距离。因此这个波形信号的时间轴反映各原始波形叠加前的位置，也就是X轴坐标。Y轴同样的过程判定出触摸点的Y坐标。除了一般触摸屏都能响应的X、Y坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值。其原理是由接收信号衰减处的衰减量计算得到。三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机15-21。 表面声波触摸屏清晰度较高，透光率好。高度耐久，抗刮伤性良好(相对于电阻、电容等有表面度膜)。反应灵敏。不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率高，寿命长（维护良好情况下5000万次）；透光率高（92%），能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，只需安装时一次校正 15-21。 3.2 eVIEW触摸屏自行车管理控制系统人机界面采用上海步科电气有限公司生产的MT4000系列触摸屏可编程显示器产品MT4400TE。上海步科电气有限公司是一家国内专业生产人机界面的企业，其产品性能较好，外观设计精巧，操作简便，可以任何品牌的PLC相连接使用，并且全面支持以太
