公共自行车站点控制器毕设说明书

目 录 前 言 .1 第一章 绪论 2 1.1 引言 .2 1.2 课题背景与意义 .2 1.3 公共自行车租凭控制的现状 .3 1.4 论 文 研 究 的 主 要 内 容 4 第二章 公 共 自 行 车 租 凭 控 制 系 统 总 体 设 计 方 案 6 2.1 公 共 自 行 车 租 凭 控制要求 6 2.2 公共自行车租凭控 制 系 统 通 行 方 案 8 2.3 公 共 自 行 车 租 凭 控 制 系 统 流 程 图 9 第 三 章 公 共 自 行 车 租 凭 控 制 系 统 硬 件 设 计 .11 3.1 硬件系统总体设计 11 3.2 硬件接线图 13 3.3 PLC 介绍 .14 3.3.1 PLC 的基本概念和基本组成 .14 3.3.2 PLC 的工作原理 .15 3.3.3 PLC 的分类 .15 3.4 PLC 的输入/输出分配表 16 3.5 硬件设备选型 18 3.4.1 LED 数码管 18 3.4.2 激光传感器 19 第四章 公共自行车租凭控制系统软件设计 .21 4.1 控制程序设计分析 21 4.1.1 公共自行车租凭检测车流量 21 4.1.2 各 个 路 口 交通灯循 环 通 行 24 4.1.3 数码管显示 25 4.1.4 强制通行交通功能 28 4.1.5 监控摄像显示 29 4.2 程 序 的 检 查 和 编 译 .29 4.3 调试程序的下载 30 第 五 章 控 制 系 统 调 试 过 程 分 析 32 5.1 软件调试过程 32 5.2 硬件制作调试过程 33 5.3 软 硬 件 调 试 .33 第六章 结论 .38 致 谢 39 参 考 文 献 .40 附录 1 电气原理图 .41 附录 2 硬件接线图 .42 附录 3 部分程序源代码 .43 南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文） 前 言 公共自行车具有便捷的特点它是短距离范围内最好的交通工具；80%以上的 成年市民会自行使用；且能与各种交通方式的实现对接。公共自行车交通还有 人性化的优点，它简单易用，自由线路；通过自行车的定制，可以更加方便老 人、儿童、家庭以及残障人士选择合适的车型。设施更加人性化，更加体现以 人为本的精神。再者它更加关注人和自然的关系，自行车交通系统不需要能源， 是最绿色的交通方式之一；它代表未来城市自行车的发展趋势，运用各种可持 续的交通技术、交通方式和交通理念使城市更加美好。最后自行车交通系统与 其它交通工具联合组成综合的交通网：可以满足各种交通联合的方式；无需额 外的资源，可实现交通的融合；是各种短途交通方式有利的补充。 第一章 绪 论 1.1、引言 自行车站点控制系统由触摸屏、PLC、数据采集卡、POS 机等设备组成。 这样可以总线联网控制，如此可解决了传统自行车租凭系统必须要哪里借哪里 还的问题，从而实现了异地借还车，异地退款的的问题，我们在借还车的同时 都必须要使用到 IC 卡。在实地考察过我校大门前的过程中，我发现有故意损坏 公共财产的行为，故设置以下功能，借车的时候刷卡机先扣下 IC 卡中的部分数 额的钱以作为押金，只有按照规定的要求退还车才能退还押金，如此可解决车 被盗和规范停车等问题。 本课题研究的是公共自行车租凭系统，是实现自行车与其他交通方式对接 的重要环节，采用可编程逻辑控制器(PLC)来实现租凭系统的控制，可编程逻辑 控制器(PLC)是一种专用于控制制造过程及机构的运行的处理器,它使用可编程 存储器存储指令并且执行功能，其中包括开/管控制，计时，计数，排序，算术 以及数据处理 3。 可编程逻辑控制器(PLC)应用于广泛的离散事件，比如用输入输出口和顺序 控制器控制复杂的生产流程 4，它居有编程方法简单易学的优点，梯形图是使 用最多的可编程逻辑控制器(PLC)编程语言，其电路符号和表达方式与继电器控 制电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器控制电路图 的电气技术人员只要花几天的时间就可以熟悉 PLC 梯形图语言，并用来写用户 程序 5。此外它功能强大，性能价格比高，一台小型 PLC 内有成千上万个可供 用户使用的编程元件，有很强的功能，与相同的继电器控制系统比，具有很高 的性价比，PLC 可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理 6。还有 PLC 硬 件配套齐全，用户使用方便，适应性强,PLC 产品已经标准化，系列化，模块化， 配备有品种齐全的硬件装置可供用户使用，PLC 的安装接线也很方便，一般用 接线端子连接外部接线。又有它可靠性高，抗干扰能力强，PLC 采取了一系列 硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的 工业生产现场，PLC 已被公认为最可靠的工业控制设备之一。再者 PLC 系统的 设计、安装、调试工作量少，PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的 中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作 量大大减少。PLC 的梯形图程序一般用顺序控制设计法来设计，这种编程方法 很有规律，容易掌握，节省大量的设计时间。PLC 的用户程序可以在实验室模 拟调试，输入信号用小开关或按钮来模拟，通过 PLC 上的发光二极管可观察输 入、输出信号的状态 8。最后 PLC 系统的维修工作量小，维修方便，它的故障 南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文） 率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执行机构发 生故障时，可以根据 PLC 上的发光二极管或编程软件提供的信息迅速查明故障 的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障 10。 可编程程序控制器把微计算机的功能完备、通用性和灵活性好的优点和继 电器控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来 6。因此它是 一种较适用于本课题的的控制装置。 本课题就基于 PLC 的应用上，使用 PLC 来实现公共自行车站点控制器系统 的控制，能够实现简单化操作及系统控制的自动化。 1.2、课题背景与意义 公共自行车租赁系统是将自行车纳入到城市的公共交通系统，基于“随用 随借、方便快捷”的开发理念，解决城市“最后 1-3 公里”的交通问题。利用 公共自行车出行，能够提高道路资源利用率，缓解交通拥堵，另一个特色是使 用自行车能促进节能减排、减少尾气污染，再者骑自行车可以强身健体、修身 养性。 公共自行车站点控制器是城市自行车租凭系统的重要组成部分，也是自行 车租凭系统的关键技术。本论文致力于研究更加完善自行车站点控制器系统， 系统采用可编程序控制器（PLC）来控制，方法新颖，可作为普通学生在学习可 编程序控制器时的实践项目。 1.3、公共自行车租凭系统控制的现状 发达国家在城市公共系统的绿色交通环境方面做了大量工作，欧盟国家、 英国和日本等国先后作为国家政策对发展城市自行车修订了相关法规，积累了 丰富的整备理念、规划理论和设计方案1。随着人们对节能环保的重视，自行 车租赁将会越来越广泛的出现在我们日常生活中，成为日后短距离出行代步的 重要角色2，并且自行车租凭越来越受到社会的普遍关注，完善的租赁系统和 人性化的设计为居民出行带来了方便，为城市城市的交通减少了负担，增加了 一份秩序感将使我们的生活变得更加美好。 目前国内外许多城市，如巴黎、马赛、华盛顿、里昂、北京、杭州等众多 城市都实施了公共自行车项目，取得了非常好的环保和社会效应。 1.4、论文研究的主要内容 本课题要完成的内容包括自行车站点控制器总体方案设计、自行车站点控 制器的电器原理图设计、PLC 程序设计、研究的系统是采用西门子公司的 S7- 200 系列的 PLC 控制器来实现控制的。 公共自行车站点控制器系统可分为以下几个部分：租赁锁柱控制系统、管 理柱系统、后台管理系统、计费系统。 租赁锁柱控制系统实行永久网点采用分散式锁柱管理，每个锁柱都能独立 实现借车和还车。 管理柱系统是网点对外实现互动交流的设施，可以对用户实现查询、用户 卡管理、充值等功能。管理柱设有与中央数据中心的网络连接，可以实时检索 用户卡及网点信息。 后台管理系统是通过网络间的协议转换，管理中心可以直接查询每个租赁 终端(锁柱)的状态，甚至可以控制终端设备的远程操作。 计费系统设有多种计费功能，满足不同场合需要如学生卡、老人卡、工作人员 卡等。 第二章 公共自行车站点控制系统总体设计方案 南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文） 2.1 公共自行车租凭系统控制要求及技术规范 公共自行车站点控制系统由现场服务子系统、通讯子系统、后台管理子系统及服务点设备、 设施构成。介绍如下 2.1.1 现场服务子系统的构成 由锁止器控制单元、现场通讯控制单元、锁止器执行单元、自助服务单元和安防单元等构 成。 2.1.2 现场服务子系统的功能 能实现租车卡信息读写、储存及异常处理、公共自行车自助式通租通还及安防等现场服务 功能。 2.1.3 现场服务子系统的适应性要求 现场设备应能在交流供电 220 V22 V，环境温度-20 +70 和环境湿度 20%90%的 情况下正常运行。当有停车棚时，设备防水等级应不低于 IP4 级。无停车棚时设备防水等 级应不低于 IP6 级。特殊环境宜提高现场设备的防雷及防腐要求。 2.2.4 锁止器控制单元 能实时接收租车卡和公共自行车的状态信息，向现场通讯控制单元传输数据，接收其反馈 信号，同时向锁止器执行单元发出指令，实现租车卡数据读写。 2.1.5 现场通讯控制单元 能实时接收锁止器控制单元传输的数据，通过工业现场总线向锁止器控制单元发出状态判 断指令，同时通过通讯子系统向后台管理子系统传输数据。应能对单个锁止器以先进先出 的方式保存至少 45 条交易数据。 2.1.6 锁止器执行单元 能执行锁止器控制单元的指令，实现锁止器开启/锁止。 2.1.7 自助服务单元 由自助服务机等设备组成，能实现公共自行车租用者对租车卡信息自助查询，并能够对租 车卡的异常进行自助处理。 2.1.8 安防单元 由视频监控设备、视频服务器、存储设备、防盗报警器等组成。能实现对公共自行车服务 点设施设备的视频监控及防盗管理。安防单元应符合 GB 50348 要求，每个服务点配置的视 频监控设备不宜少于两台，监控范围应覆盖整个公共自行车服务点，可辨识区域内的场景 和相关人员的体貌特征。图像分辨率不低于 D1(4CIF)，每路记录速度不低于 25 祯/秒，保 存期限不少于为 15 d。 6 通讯子系统 依托城市通讯网络设施，构建城市公共自行车系统专用网络，实现现场服务子系统和后台 管理子系统的数据传输。 2.1.10 后台管理子系统 7.1 构成 由运营管理单元、运营调度单元、交易单元、设备状态管理单元、租车卡管理单元、热线 服务单元等构成。 7.2 功能 应能实时准确接收并处理各服务点租/还车所产生的各类数据，实现对服务点调度，关键设 备工作状态监控，租车卡管理、费用结算、热线服务等功能。 7.3 适应性要求 计算机场地的环境要求应符合 GB 2887 的规定。 7.4 运营管理单元 能准确接收各服务点租/还车所产生的各类数据，进行综合处理后生成报表。 7.5 运营调度单元 能实时对公共自行车服务点进行管理，调度、实现点位状态监控报警功能。 7.6 交易单元 能实现接收现场通讯控制单元传输的租用信息，计算消费金额，并向现场控制单元发送费 用结算指令，记录租车卡的消费数据，实时将数据发送到结算中心。 7.7 设备状态管理单元 能对现场服务子系统的锁止器、自助服务机等关键设备工作状态进行管理。 7.8 租车卡管理单元 能实现租车卡的发售、充值、挂失、黑（白）名单、退卡、结算等功能，并进行归类整理 后形成报表系统，且具备容错机制。 7.9 热线服务单元 具备自动派位和来电弹屏功能，具有定期进行各类数据的统计、分析及报表功能。 8 服务点设备、设施 8.1 选点要求 8.1.1 服务点距离道路交叉路口应不小于 5m，距离机动车道或机动车泊位应不小于 1 m， 距离盲道应不小于 0.25 m。 8.1.2 服务点应避开污水井、雨水井、煤气管道、自来水管道、电力通讯管道、国防电缆 等地下设施。 8.1.3 服务点宜选择靠近 24 小时常电电源的位置。 南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文） 8.2.1 服务点宜设置服务亭、停车棚等设施，上述设施安全性应符合相关规范的要求，抗 风等级应不低于 10 级。 8.2.2 服务点应安装防雷和接地设施，防雷和接地安全性应符合 GB 50343 要求。 8.2.3 服务点地面应平整，锁止器预埋件区域 220 m320 m 范围内地面平整度偏差不大于 5 mm。 8.2.4 各类设施、设备的安装位置应不影响自行车租/还。同类基础设施宜保持在同一直线 上，管道铺设不应影响电缆、网线及信号线的穿线。 8.2.5 停车棚、服务亭宜采用钢结构，表面应进行防锈处理，漆膜均匀、美观，无脱落， 无褪色，施工质量应满足 GB 50205 的要求，停车棚照明应符合国家相关安全标准和节能标 准。 8.2.6 服务亭应配置设备柜、消防和调温设施，宜设置服务窗口。设备柜应满足本规范 5.3 要求。 8.2.7 锁止器应固定在地面或移动平台上，安装牢固，无晃动，刷卡区域高度为 600 mm1 100 mm。锁止器与固定平面的垂直度偏差应不大于 60 mm。锁孔与自行车锁舌高度 偏差为3mm。相邻两个锁止器的中心距离宜在 550 mm700 mm。 8.3 锁止器 8.3.1 锁止器应采用不高于 36V 直流电源供电。 8.3.2 边门锁采用专用通配型号，用专用螺栓固定。 8.3.3 锁止器内部电子控制设备应安装牢固，在公共自行车租/还等碰撞中不应产生松动、 脱落等现象。 8.3.4 锁止器在公共自行车租/还过程中应有明显的声光提示。 8.4 自助服务机 设备防护等级应满足本标准 5.3 条规定，结构安全应符合本标准 8.2.1 的要求，安装高度 应不高于 1 500 mm。 8.5 公共自行车 8.5.1 车型宜采用 24 寸车型，其安全性能应满足 GB 3565 要求。 8.5.2 车身应经防锈处理，外观统一喷涂设计，并配置电子标识。 8.5.3 锁舌及其他各部件应连接牢固，具有防盗功能。每辆公共自行车还应配置临时锁具， 临时锁具应具有与锁止器不同时锁止的功能。 2.2 公共自行车站点控制通行方案 借车流程： 首先确定 POS 机在正常使用状态，POS 机向 PLC 发电借车卡是否有效，PLC 判断卡是否有效， 无效则提示借车卡无效，有效则判断卡内是否有车号，若有车号则进入还车状态，若无车 则进入借车状态，进入借车状态后，传感器检测判断是否有车可借，无车可借则提示无车 可借，若有车可借则判断余额是否充足，否则提示余额不足请充值，余额充足则读卡预扣 款、然后绑定车号与卡号、绑定之后计时器开始工作，最后车锁打开，30 秒内车未取走则 提示车未取走，PLC 检测到车位无车后自动断电。 还车流程： 首先确定 POS 机在正常使用状态，POS 机向 PLC 发电借车卡是否有效，PLC 判断卡是否有效， 无效则提示借车卡无效，有效则判断卡内是否有车号，若无车号则进入借车状态，若有车 号则进入还车状态，进入还车状态后，传感器检测判断车位是否有车，车位有车则提示车 位有车，若车位无车则提示还车开始，还车开始后，卡锁首先关闭，然后传感器检测判断 车是否锁好，否之则返回继续还车，若还好后则解除车号与卡号的绑定、随之计时器停止 工作，再者显示消费金额，然后计费退款，最后提示车已还好，提示结束好 PLC 自动断电。 2.3 公 共 自 行 车 租 凭 控 制 系 统 流 程 图 第 三 章 公 共 自 行 车 租 凭 控 制 系 统 硬 件 设 计 3.1 硬件系统总体设计 自行车站点控制系统需要对自行车的借车和还车实现控制且要对借车时间进行 计时计费所以用可编程序控制器实现这些内容的控制。在本控制系统中将会用 到矩阵式键盘、LED 数码管、激光传感器、POS 机等工控元件。 3.2 硬件接线图 3.3 PLC介绍 3.3.1 PLC的基本概念和基本组成 3.3.2 PLC的工作原理 3.3.3 PLC的分类 3.4 PLC的输入/输出分配表 3.5 硬件设备选型 3.5.1矩阵式键盘 简介 工作原理 南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文） 矩阵式键盘是相对于独立式键盘而言的，也叫行列式键盘，是当键数较多时为节省 I/O 点而采取的一种 结构。在微机系统中，矩阵式键盘的构成方式如图 1 所示。 首先，判断整个键盘上有无键按下。方法是:将列全输出为 0，然后读入行的状态，如果行读入的状态全 为 1，则无键按下，不全为 1 则有键按下。 其次，若有键按下则逐列扫描。方法是:依次将列线送低电平 0，检查对应行线的状态 ;若行线全为 1，则 按键不在此列; 若不全为 1，则按键必在此列，且是与 0 电平行线相交的那个键。最后，确定键值，并进 入键处理程序。 3.5.2 LED数码管 简介 led 数码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成 “8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电 极。数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的，加上小数点就是 8 个。 这些段分别由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 来表示。 当数码管特定的段加上电压后， 这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个“2”字， 那么应当是 a 亮 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不亮 c 不亮 dp 不亮。LED 数码管有一般亮 和超亮等不同之分，也有 0.5 寸、1 寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔 画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成， 一般情况下，单个发光二极管的管压降为 1.8V 左右，电流不超过 30mA。发光 二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴 极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用 LED 数码管显示的数字 和字符是 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。 特点 1.LED 数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红， 黄，蓝，绿，白，黄 绿等效果。单色，分段全彩管可用大楼，道路，河堤轮廓亮化，LED 数码管可 均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案及文字，并可播放不同格式的视频 文件。通过电脑下 flash、动画、文字等文件，或使用动画设计软件设计个性 化动画，播放各种动感变色的图文效果； 2.可放在 PCB 电路板上按红绿兰顺序呈直线排列，以专用驱动芯片控制，构成 变化无穷的色彩和图形。外壳采用阻燃 PC 塑料制作，强度高，抗冲击，抗老化， 防紫外线，防尘，防潮。LED 护栏管具有功耗小，无热量，耐冲击，长寿命等 优点，配合控制器，即可实现流水，渐变，跳变，追逐等效果。如果应用于大 面积工程中，连接电脑同步控制器，还可显示图案，动画视频等效 LED 数码全 彩灯管可以组成一个模拟 LED 显示屏，模拟显示屏可以提供各种全彩效果及动 态显示图像字符，可以采用脱机控制或计算机连接实行同步控制；可以显示各 式各样的全彩动态效果。控制系统采用专用灯光编程软件编辑，数码管控制花 样更改方便，只需将编辑生成的花样格式文件复制进 CF 卡即可，数码管控制器 可以单独控制，也可多台联机控制，数码管安装编排方式任意，适合各种复杂 工程需求。数码管、控制器以及电源等以标准公母插头连接，方便快捷，并具 有独特的外形设计，全新的户外防水结构 结构原理 ed 数码管常用段数一般为 7 段有的另加一个小数点，还有一种是类似于 3 位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10 位等等，led 数码管 根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，了解 LED 的这些特性，对编程是很 重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也 是不同的。图 2 是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的， 只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。led 数码管广 泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗， 亮度，波长等。下面将介绍常用 LED 数码管内部引脚图片。 南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文） 10 引脚的 LED 数码管 图 1 这是一个 7 段两位带小数点 10 引脚的 LED 数码管图 2 引脚定义 每一笔划都是对 应一个字母表示 DP 是小数点。透过分时轮流控制各个 LED 数码管的 COM 端， 就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。每位元数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数 码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显 示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量 的 I/O 口，而且功耗更低。 应用 主要用于楼体亮化，广告招牌、高档的 DISCO、酒吧、夜总会、会所的门 头广告牌等。特别适合应用于广告牌背景、立交桥、河、湖护栏、建筑物轮廓 等大型动感光带的夜景照明之中，可产生彩虹般绚丽的效果。 用护栏管装饰建 筑物的轮廓，可以起到突出美彩亮化建筑物的效果。事实证明，它已经成为照 明产品中的一只奇葩，绽放在动感都市。 3.5.3 激光传感器 简介 激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测 量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测 量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 主要分类及其特点 激光器按工作物质可分为 4 种。固体激光器：它的工作物质是固体。常 用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器 (即 YAG 激光器)和钕玻璃激光 器等。它们的结构大致相同，特点是小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前 脉冲输出功率最高的器件，已达到数十兆瓦。气体激光器：它的工作物质为 气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有二 氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形状如普通放电管，特点是 输出稳定，单色性好,寿命长,但功率较小，转换效率较低。液体激光器:它又 可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中最重要的是有 机染料激光器，它的最大特点是波长连续可调。半导体激光器：它是较年轻 的一种激光器，其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量 轻、结构简单，适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距 仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。 工作原理 激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标 反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收 后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学 传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。 常 见的是激光测距传感器，它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历 的时间，即可测定目标距离。激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为 光速太快。 例如，光速约为 3*108m/s，要想使分辨率达到 1mm，则传输时间测距传感 器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间： 0.001m/(3*108m/s)=3ps 要分辨出 3ps 的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太 高。