地铁自动售票机的触摸屏控制程序设计.docx
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地铁自动售票机的触摸屏控制程序设计
天津职业技术师范大学
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业设计
专业：
电气工程与自动化
班级学号：
电自0901
**********************
指导教师：
肖宝兴高级工程师
二〇一三年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
地铁自动售票机的触摸屏控制程序设计
Touchscreencontrolprogramdesignofthesubwayticketmachines
专业班级：
电自0901
*******
指导教师：
肖宝兴高级工程师
学院：
自动化与电气工程
2013年6月
摘要
跟随计算机技术的猛速发展，计算机在每行每业管理中应用的普及，使用计算机实现每行每业信息化的管理已经势在必行。
这个系统是根据行业管理中实际的地铁售票系统运行过程中的需求并且经过了实际的需求分析，采用强大功能的WinCCflexible、STEP7MicroWIN做为这个系统的开发工具。
本着整个系统的设计符合操作简便快捷、灵活实用、易上手的要求出发，完成了售票管理的基本过程。
论文主要涉及到触摸屏与PLC之间的通信问题以及PLC程序执行等问题，所要完成的功能和开发的过程。
经过整理，它使用西门子公司的WinCCflexibl、STEP7MicroWIN等开发工具。
利用其提供的各种开发软件，尤其是数据窗口这个可以方便并且简洁操纵数据库的智能化对象。
首先在短时间内建立系统应用原型，然后，对初始原型系统进行需求迭代，不断修正和改进直到形成人们中意的地铁售票管理的可行性系统。
关键词：
地铁自动售票，plc，触摸屏，西门子
ABSTRACT
Followingthesharplydevelopmentofcomputertechnology,Thepopularityofcomputerapplicationinvirtuallyeveryindustryinthemanagement,Usingcomputertorealizevirtuallyeveryindustryinformatizationmanagementisimperative.Thissystemisaccordingtotheactualmetroticketingsysteminindustrymanagementoperationintheprocessofdemandanalysisandthroughtheactualdemand,usingthepowerfulfunctionofWinCCflexible,STEP7MicroWINasthesystemdevelopmenttools.
Basedonthedesignofthewholesystemconformstotheoperationconvenient,flexibleandpractical,easytofittherequirement,completestheaffairs.ThesismainlyinvolvestheproblemofcommunicationbetweentouchscreenwithPLCandPLCprogramexecution,etc,Tocompletethefunctionanddevelopmentprocess.
Afterthinking,ItUsingSiemensWinCCflexibl,STEP7MicroWINdevelopmenttools,etc.Usingthevariousdevelopmentofferedbythesoftware,particularlythedatawindowthiscanconvenientandconcisemanipulationdatabaseintelligentobjects.Buildsystemapplicationprototypeinashorttimefirst,andthen,theinitialprototypesystemneedsiteration,Alwaysreviseandimproveuntilformpeoplepreferredthefeasibilityofsubwayticketmanagementsystem.
KeyWords：
Metroticketing,PLC,Touchscreen,Siemens
1概述
1.1地铁自动售票机
日前，城市交通日益拥挤的问题越来越严重。
因此，全国各大城市都开始了地铁项目的建设。
城市与城际轨道交通的建设也逐渐成为近年国家投资的重点项目之一。
自动售检票系统（AutomaticFareCollectionSystem,简称AFC系统）是集计算机技术、通信技术、机械制造于一身的自动化售票、检票系统，是利用计算机集中控制自动售票、自动检票以及自动收费、自动统计的自动化系统，是利用计算机集中控制自动售票、自动检票以及自动收费、自动统计的自动化系统。
该系统由以下几块组成：
CC（中央计算机系统）；SC（车站计算机系统）；TVM（自动售票机）；AGM（自动检票机）；AVM（自动加值机）；BOM（人工售补票机）；E／S（编码分拣机）；TCM（自动查询机）；紧急按钮及双电源设备以及其他辅助设备。
其中，自动售票机是自动售检票系统中车站硬件设备重要的组成部分，，主要的功能就是实现无人自动售票。
本章主要介绍了论文的背景，自动售票机（TVM）发展现状，自动售票机（TVM）的工作流程及组成。
1.2触摸屏
触摸屏（touchscreen）也叫做“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。
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。
它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。
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；城市街头的信息查询；此外应用于领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。
将来，触摸屏还要走入家庭。
1.3西门子PLC
它主要由中央处理单元、输入接口和输出接口、通信接口和其他组件组成。
其中CPU可以说是PLC的核心、I/O单元之间连接现场设备和CPU接口电路，通信接口用于连接到编程器和上位机。
对于完全整体式的PLC,所有部件都是放在一个机壳内,而对于模块化的PLC,每个功能单元独立封装,叫做模板,每个模块通过总线连接,安装在框架或导轨的上面。
根据品牌的PLC在市场上很多,各种各样的品牌下还有具体型号,更具有不同的功能。
但看起来从结构、PLC具有相似的结构,包括CPU、内存、输入/输出端口,等等所组成。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微机相同，基本构成为：
（1）中央处理单元CPU
CPU是PLC的核心，其主要作用如下。
①读取用户输入的程序，并保存至程序存储器；
②读取I/O送入的现场信号，并存入相应的数据存储器；
③执行用户程序，完成各种逻辑运算和数学运算，并输出相应的动作信号实现程序预先规定的动作；
④系统自诊断，检测CPU自身的运行状态。
（2）存储器
PLC的存储器用来存放PLC系统程序、用户程序和实时数据。
（3）输入输出接口电路
输入输出接口是PLC与现场设备之间的连接端口。
微机的I/O接口为弱电信号，工作电压5V，而PLC的输入输出口可以工作在强电，其输出接口直接和大功率设备相连接，直接驱动大型设备工作。
小型PLC通常将I/O部分集成在PLC设备上，提供的端口也较少，而对于中、大型PLC，I/O部分通常做成专门的输入输出模块，用户可根据自己的需要选取不同功能、不同点数的I/O模块来满足系统的需要。
为便于检查，每个I/O点都接有指示灯，某点接通时，相应的指示灯发光指示。
用户可以方便地检查各点的通断状态。
PLC的输出接口在工业过程中通常可以实现开关量逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制以及数据处理等功能。
（4）功能模块
如计数、定位等功能模块。
（5）其他设备
PLC还可以配备录音机、打印机、EPROM擦除器及显示屏等图形监控设备等。
1.4设计目标及任务
地铁自动售票机应用于地铁站，它能利用现代智能化技术让地铁站有限的空间发挥出最大的潜能。
地铁自动售票机采用触摸屏作为人机进行信息传递的交互界面，并利用PLC作为内部控制核心，对信息进行集中处理。
在人将信息经触摸屏输入到PLC，以及PLC将信息通过触摸屏进行显示的过程中，主要涉及到触摸屏与PLC之间的通信问题以及PLC程序执行等问题。
在该论文中详细的介绍以上问题，并将触摸屏的分类、特点、工作原理及应用场合等都做了详尽的描述。
在该系统设计中，选择西门子S7-200系列的CPU226型PLC作为地铁售票机的主机，对由触摸屏控制器输入的信息进行处理；触摸屏选择的是西门子TP177B，可通过RS485接口与PLC进行通信，它对应的组态软件是WinCCflexible。
在实现自动售票机的基本功能外，还采用自动封锁技术，对取票托盘进行了改进，使整机更加以人为本。
在这个设计中，用到的硬件有西门子S7-200PLC、西门子TP177B触摸屏和计算机。
用到的软件有STEP7MicroWIN、WinCCflexible。
所选的触摸屏是西门子TP177B，它对应的组态软件是WinCCflexible。
触摸屏是整个系统的输入和输出设备，其输入和输出是由触摸屏控制器和PLC共同完成的。
触摸屏上的每一个按钮对应的是一个过程变量，该变量是在触摸屏组态软件中进行设定的。
选择的PLC是西门子S7-200中的CPU226。
该PLC与TP177B触摸屏可以通过PPI通信协议直接进行通讯。
并且该PLC有16个输出点，在本设计中已经足够。
西门子S7-200PLC与TP177B触摸屏之间的通讯用的PPI协议。
在用计算机对PLC和触摸屏进行编程时，用PC/PPI电缆，在PLC和触摸屏之间进行连接时可采用网络电缆。
在程序设计中，除完成地铁自动售票机的正常购票外，还对取票托盘进行了改进，即增加了制票及找零动作未完成前封锁取票托盘的控制。
因为在取票和取回零钱的过程中，很多人听到票或找回的硬币发出声音后，便打开托盘去取票。
其实，此时票或找回的硬币还未到达取票口，只是在通往取票口的过程中，所以当我们在票或找回的硬币还未到达取票口前打开取票托盘的话，当票或找回的硬币到达取票口后便会冲出取票口，造成比较麻烦的后果。
在设计中，增加了解决该问题的功能，使之更加完善。
2现代触摸屏技术
2.1触摸屏概述
我们在第一章已经大致介绍了触摸屏，本节我们主要介绍触摸屏的分类。
从技术原理来区分触摸屏,大致可以分为五个基本种类:
电阻技术触摸屏、矢量压力传感技术触摸屏、红外线技术触摸屏、电容触技术触摸屏和表面声波触摸屏。
其中的电阻触摸屏技术方向是准确的,但它的价格比较高,并且易碎怕磨损;矢量压力传感技术触摸屏已成为“文物”;红外线技术触摸屏价格低廉,但外框脆弱,容易产生光干扰,曲面情况下失真;电容触摸屏的概念设计是合理的,但是图像失真问题很难得到根本解决;表面声波触摸屏解决了以往触摸屏的各种缺陷,清晰而不容易被损坏,适于各种场合,缺点是如果屏幕表面有水滴和尘土会使触摸屏变得迟钝,甚至无法工作。
按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，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。
每一类触摸屏都有其各自的优缺点，要了解哪种触摸屏适用于哪种场合，关键的就是要在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。
2.2表面声波式触摸屏
2.2.1基本结构
表面声波触摸屏的基本结构是：
由强化玻璃和超声波换能器组成，超声波换能器安置在玻璃屏的边角上。
2.2.2工作原理
以右下角的X-轴发射换能器为例：
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。
发射信号与接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。
当手指或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。
接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置即得触摸坐标控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。
之后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。
2.2.3主要优缺点
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；有第三轴（即压力轴）响应，目前在公共场所使用较多。
表面声波屏需要经常维护，因为灰尘，油污甚至饮料的液体沾污在屏的表面，都会阻塞触摸屏表面的导波槽，使波不能正常发射，或使波形改变而控制器无法正常识别，从而影响触摸屏的正常使用，用户需严格注意环境卫生。
必须经常擦抹屏的表面以保持屏面的光洁，并定期作一次全面彻底擦除。
2.3电阻式触摸屏
2.3.1基本结构
上、下两层玻璃屏为基板，在基板的工作面上均匀的镀上一层透明导电薄膜，两个透明导电薄膜中间用均匀分布的绝缘的透明小球隔开。
2.3.2工作原理
电阻触摸屏的工作原理主要是通过压力感应原理来实现对屏幕内容的操作和控制的，这种触摸屏屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，其中第一层为玻璃或有机玻璃底层，第二层为隔层，第三层为多元树脂表层，表面还涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面经硬化处理、光滑防刮的塑料层。
在多元脂表层表面的传导层及玻璃层感应器是被许多微小的隔层所分隔电流通过表层，轻触表层压下时，接触到底层，控制器同时从四个角读出相称的电流及计算手指位置的距离。
这种触摸屏利用两层高透明的导电层组成触摸屏，两层之间距离仅为2.5微米。
当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。
2.3.3主要优缺点
电阻式触摸屏的优点是它的屏和控制系统都比较便宜，反应灵敏度很好，而且不管是四线电阻触摸屏还是五线电阻触摸屏，它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，能适应各种恶劣的环境。
它可以用任何物体来触摸，稳定性能较好。
缺点是电阻触摸屏的外层薄膜容易被划伤导致触摸屏不可用，多层结构会导致很大的光损失，对于手持设备通常需要加大背光源来弥补透光性不好的问题，但这样也会增加电池的消耗。
电阻式触摸屏的优缺点可以归类为：
1.电阻式触控屏的精确度高，可到像素点的级别，适用的最大分辨率可达4096x4096。
2.屏幕不受灰尘、水汽和油污的影响，可以在较低或较高温度的环境下使用。
3.电阻式触控屏使用的是压力感应，可以用任何物体来触摸，即便是带着手套也可以操作，并可以用来进行手写识别。
4.电阻式触控屏由于成熟的技术和较低的门槛，成本较为廉价。
5.电阻式触控屏能够设计成多点触控，但当两点同时受压时，屏幕的压力变得不平衡，导致触控出现误差，因而多点触控的实现程度较难。
6.电阻式触控屏较易因为划伤等导致屏幕触控部分受损。
2.4电容式触摸屏
2.4.1基本结构
电容触摸屏的基本结构是：
一个单层玻璃为基板，在玻璃屏的内外表面上均匀的镀上一层透明导电薄膜，在外表面的透明导电薄膜的四个角上安置四个电极。
2.4.2工作原理
电容式触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的。
电容式触摸屏的感应屏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导电层，最外层是一薄层矽土玻璃保护层。
当我们用手指触摸在感应屏上的时候，人体的电场让手指和和触摸屏表面形成一个耦合电容，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，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。
2.3.3主要优缺点
电容式触摸屏的优势主要有以下几个方面：
1.操作新奇。
电容式触摸屏支持多点触控，操作更加直观、更具趣味性。
2.不易误触。
由于电容式触摸屏需要感应到人体的电流，只有人体才能对其进行操作，用其他物体触碰时并不会有所相应，所以基本避免了误触的可能。
3.耐用度高。
比起电阻式触摸屏，电容式触摸屏在防尘、防水、耐磨等方面有更好的表现。
作为目前正当红的触摸屏技术，电容式触摸屏虽然具有界面华丽、多点触控、只对人体感应等优势，但与此同时，它也有以下几个缺点：
1.精度不高。
由于技术原因，电容式触摸屏的精度比起电阻式触摸屏还有所欠缺。
而且只能使用手指进行输入，在小屏幕上还很难实现辨识比较复杂的手写输入。
2.易受环境影响。
温度和湿度等环境因素发生改变时，也会引起电容式触摸屏的不稳定甚至漂移。
例如用户在使用的同时将身体靠近屏幕就可能引起漂移，甚至在拥挤的人群中操作也会引起漂移。
这主要是由于电容式触摸屏技术的工作原理所致，虽然用户的手指距离屏幕更近，但屏幕附近还有很多体积远大于手指的电场同时作用，这样就会影响到触摸位置的判断。
3.成本偏高。
此外，当前电容式触控屏在触控板贴附到LCD面板的步骤中还存在一定的技术困难，良品率并不高，所以无形中也增加了电容式触控屏的成本。
2.5红外线触摸屏
2.5.1基本结构
红外线触摸屏的基本结构是：
红外线发射器和红外线接收器是触摸屏的核心部分，分别安装在红外线触摸屏的横向和纵向的边框上。
2.5.2工作原理
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线发射管和红外接收管，一一对应成横竖交叉的红外矩阵。
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，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。
外触摸屏，是高度集成的电子线路整合产品。
红外触摸屏包含一个完整的整合控制电路，和一组高精度、抗干扰红外发射管和一组红外接收管，交叉安装在高度集成的电路板上的两个相对的方向，形成一个不可见的红外线光栅。
内嵌在控制电路中的智能控制系统持续地对二极管发出脉冲形成红外线偏震光束格栅。
当触摸物体如手指等进入光栅时，便阻断了光束。
智能控制系统便会侦察到光的损失变化，并传输信号给控制系统，以确认X轴和Y轴坐标值。
2.5.3主要优缺点
该种触控技术的优点是工作信号较稳定、光透过率高和抗电磁干扰能力好，但不足之处是抗红外光干扰差、易碎易损和分辨率较低。
2.6触摸屏的技术特性
2.6.1透光性能
触摸屏是由多层的复合薄膜构成，透明性能的好坏直接影响到触摸屏的视觉效果。
衡量触摸屏透明性能不仅要从它的视觉效果来衡量，还应该包括透明度、色彩失真度、反光性和清晰度这四个特性。
2.6.2绝对坐标系统
我们传统的鼠标是一种定位系统相对，只和前一次鼠标的位置坐标有关。
而触摸屏则是一种绝对坐标系统，要选哪就直接点哪，与相对定位系统有着本质的区别。
绝对坐标系统的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，每次触摸的数据通过校准转为屏幕上的坐标，不管在什么情况下，触摸屏这套坐标在同一点的输出数据是稳定的。
不过由于技术原理的原因，并不能保证同一点触摸每一次采样数据相同的，不能保证绝对坐标定位，点不准，这就是触摸屏最怕的问题：
漂移。
对于性能质量好的触摸屏来说，漂移的情况出现的并不是很严重。
2.6.3检测与定位
各种触摸屏技术都是依靠传感器来工作的，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西门子S7-200PLC
3.1PLC概述
3.1.1可编程序控制器的典型产品
PLC的产家有很多，并且每个产家的产品种类繁多，特点各异，而我们最常见也是最典型的产品有三菱FX2N系列的PLC,西门子S7-200系列的PLC，欧姆龙CPM1A系列PLC。
3.1.2可编程序控制器的特性
PLC具有以下鲜明的特点。
（1）功能健全,灵活组合,扩展容易,方便实用。
现代PLC的功能和它的各种扩展单元,智能单元和特殊功能模块,可以方便、灵活的合成不同规模和需要的控制系统,以适应需求的各类工业控制。
对开关量控制专业;可以连续过程PID回路控制;并与上位机构组成一个复杂的控制系统,如DDC和DCS,实现生产过程的综合自动化。
。
（2）安装简单,维修方便。
PLC可以直接运行在各种工业环境中,只需要把现场的各种设备连接到PLC对应的I/O端,编写程序来运行。
在各个模块的运行和故障都设有显示装置,便于用户理解操作和寻找故障。
PLC还具有强大的自检功能,它提供了方便的维护。
（3）使用方便,编程简单,使用简单明了的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言,但是不需要计算机知识,因此系统开发周期短,现场调试非常容易。
使用PLC可以在线修改程序,改变控制方案进而不需要拆机设备。
它可以运行在不同的环境中,可靠性是非常强大的。
（4）低的环境要求，使PLC技术条件在一般的高温、振动、冲击、粉尘和其他恶劣环境中,能够承受工作环境时强烈的电磁干扰而可靠的运行。
这就是PLC产品的市场生存价值。
（5）抗干扰能力和可靠性的能力远高于其他的各种机型。
隔离和过滤,是它两个主要的抗干扰措施。
而且对PLC的内部电源也采取了措施,例如屏蔽、电压稳定、保护,以减少外界的干扰,保证供电质量。
除了输入/输出接口电路的功率相互独立的,为了避免电源与电源之间。
正确选择接地的地方和完善的接地系统是PLC控制系统的一个重要的抗电磁干扰措施。
为了适应恶劣环境的工作现场,还使用了密封、防尘、抗震的外壳封装结构。
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