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1、毕 业 设 计 （论文） 智能PLC十字交通灯的设计摘 要目前，我国许多大中城市的交通压力都非常大。部分交通路口的信号灯工作时间不合理，交通违章或肇事记录不确切。所以，改善与提高现有的交通系统的工作效率，加强交通路口的信号灯控制和安全状况的监控是非常重要的。本设计主要设计利用PLC来实现十字路口交通灯的控制与监控。通过交通中心的主机根据具体城市各路口的需要控制各个十字路口的PLC，从而控制十字路口交通灯的变化，以及对各个路口的安全状况进行监控，监控机动车是否违章、是否肇事，并把记录的结果存储、上传和处理。 本设计的上位机采用PC机，通过安装在十字路口的监控设备以及移动电子监控设备，对各个十字路
2、口的安全状况进行监控。下位机采用德国西门子的S7-200系列的CPU226做主机，配以扩展模块EM222。设计中采用S7-200编程软件STEP 7 - Micro/WIN3.2进行编程。采用顺序功能图与梯形图相结合的方法设计程序。实现对城市十字路口的合理控制与监控。【关键词】：十字路口；交通灯；智能化；PLC控制。 目录摘要1第一章 概述4 1.1 课题设计背景4 1.2 交通灯发展现状4 1.3 交通灯重要性4 1.4 课题设计任务5第二章 设计方案分析与确定6 2.1 单片机控制6 2.2 继电器控制6 2.3 可编程逻辑控制器控制6 2.4 控制方案确定7第三章 交通灯硬件设计10 3
3、.1 硬件选型10 3.2 交通灯控制过程10 3.3 硬件系统框图123.4 扩展模块选择143.5 硬件连接图16 3.6 监控系统17第四章 交通灯软件设计18 4.1 系统控制过程18 4.2 流程及时序图18 4.3 控制梯形图22结论30致谢31参考文献32附录33 第一章 概述1.1课题设计背景交通十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。靠什么来实现这井然秩序呢？靠的是交通信号灯的自动指挥系统。那么控制系统是如何实现红、绿、黄三种颜色信号灯有条不紊工作的呢？交通信号灯控制方式很多，可以用电子电路来实现，也可以用单片机编程控制来实现。然而交通灯的控制问题是个老难题
4、，近年来，随着车辆社会拥有量的增加，这难题日显突出，特别是在上下班的高峰期。有很多学者多年来一直探讨舒缓这个难题(谈不上解决)的方法。其中包括近来提出的在车道（红绿灯前）安装车流量传感器，统计车流量再控制绿灯的放行时间；设定定时器在上、下班高峰期增加绿灯的放行时间以及对各个路口违章、肇事的监控与记录等等问题。所以，出于这些问题本文采用合理的方案设计对十字路口交通灯进行控制以及对路口的安全状况的监控。1.2交通灯发展现状因此，我们有必要寻求一种具有智能的交通控制系统。这种智能交通控制系统能够根据车流量的变化自动调节红绿灯的时间长度，最大限度地减少十字路口的车辆滞流现象，有效的缓解交通拥挤、实现交
5、通控制系统的最优控制，大大的提高了交通控制系统的效率。随着我国人民生活水平的不断提高，城市化的推进与私家车数量的猛增，道路交通拥挤的问题日益突出，可以预见，智能交通控制系统将具有广大的应用前景。1.3交通灯重要性随着社会的发展和进步，上路的车辆越来越多，而道路建设却往往跟不上城市发展的速度，因此城市交通的问题日益突出，经常在十字路口等交通繁忙的地方发生堵塞情况，在这个时候，道路交通灯的正常运行以及合理的功能就是交通畅通的重要保证。目前，我国城市十字路口的交通灯控制系统基本上都采用定时控制方式。这样必然产生如下弊端：当某条道路的车流量很大却要等待红灯，而此时另一条空道或车流量相对少得多的道路却依
6、然按原定时间亮着绿灯，这种现象是未对道路的实际情况进行实时监控所造成的。这样的交通控制系统效率低，容易造成交通拥挤，而且也浪费人力、物力。1.4课题设计任务本设计采用PLC做控制器，完成对十字路口交通灯的自动控制与监控，主要实现城市交通路口信号灯自动控制，救护应急控制等，从而保证了车辆在城市道路各路口顺畅通行以及安全。第二章 设计方案分析与确定2.1单片机控制单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
7、因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。使用单片机设计交通灯控制系统采用MSC-51系列单片机ATSC51和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间。使用单片机设计的优点在于它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。但是编程复杂，对环境的要求较高，出现故障时进行调试不方便，可靠性不高。2.2继电器控制采用继电接触式控制系统设计交通灯控制系统，主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方式是断续的，所以又称为断续控制系统。虽然这种系
8、统也具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，但这种控制系统的缺点是采用固定接线方式，接线多，灵活性差，工作频率低，触电易损坏，可靠性差。2.3可编程逻辑控制器控制可编程控制器简称PC（Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在把可编程逻辑控制器简称为PLC。它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。可编程序控制器控制系统是一种
9、数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。它具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于其他一般微型控制系统的一个重要特征。如果采用PLC作为十字路口交通灯控制系统作为控制核心，只需将程序下载到PLC内即可。并可通过通信随时对控制系统进行调试。PLC适应环境的能力非常强，抗干扰等方面能力都非常强大。性能价格也很高。2.4控制方案确定可编程控制器控制技术与继电-接触器控制技术、单片机控制技术的异同点：1、 功能强，性能
10、价格比高在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。继电器是用于逻辑控制，起到过渡作用的，亦可控制小负载。PLC是可编程逻辑控制器，是用软件来进行逻辑控制的，而继电器是用硬件结构来控制的。一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。2、 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供
11、用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。3、 可靠性高，抗干扰能力强单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。而PLC的编程更比单片机通俗易懂。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继
12、电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。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，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。4、 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的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试
13、，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。5、 编程方法简单梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图和单片机的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。6、 维修工作量少，维修方便PLC的故障率很低，且有完
14、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器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。这些都是继电器和单片机无法比拟的。7、 体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。将PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰
15、富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便的实现。目前大多品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于PLC本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。综合以上优点，所以，本设计采用可编程序控制器控制系统。第三章 交通灯硬件设计3.1硬件系统框图制系统结构图如图3-1所示图3-1 交通灯控制系统框图3.2交通灯控制过程信号灯受启动及停止按钮的控制，当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环工作，当按下停止按钮时，系统将停止在初始状态，所有信号
16、灯都熄灭。交通灯示意图如图3-2所示，在东西南北两个方向均安装信号灯，两个方向各6个灯，分为三个方向红、黄、绿三种颜色。控制要求：南北主干道： 左转绿 10S 直行绿 30S 绿闪3S 黄2S 红 45S 右行红10S 绿 78S东西人行道：绿 27S 绿闪3S 红60S东西主干道：红 45S右行红10S 绿 78S左转绿 10S 直行绿 30S 绿闪3S 黄2S南北人行道：红60S 绿27S 绿闪3S正常循环控制方式交通灯变化顺序表（单循环周期90秒）（1）南北向（列）和东西向（行）主干道均设有左行绿灯10S，直行绿灯30S，绿灯闪亮3S，黄灯2S和红灯45S。当南北主干道红灯点亮时，东西主
17、干道应依次点亮左行绿灯，直行绿灯，绿灯闪亮和黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮左行绿灯，直行绿灯，绿灯闪亮和黄灯。（2）南北向和东西向人行道均设有通行绿灯和禁行红灯。南北人行道通行绿灯应在南北向主干道直行绿灯点亮3S后才允许点亮，然后接3S绿闪，其他时间为红灯；同样，东西人行道通行绿灯于东西向主干道直行绿灯点亮3S后才允许点亮，然后接3S绿闪，其它时间为红灯。急车强通控制方式（1）急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时，按正常循环时序控制，有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止，将急车强通开关断开，信号的状态
18、立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3次。随后按正常时序控制。（2）急车强通信号只能响应一路方向的来车，若两个方向先后来急车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。图3-2 交通灯示意图3.3硬件选型根据设计要求，本设计共需要I/O点数为4输入/22输出。具体需要的输入输出点数如表3-1和表3-2所示。序号输入信号名称电气符号1启动按钮SB12停止按钮SB23急车强通按钮1SB34急车强通按钮2SB4表3-1 输入点数分配 序号输出信号名称电气符号1南北左转绿HL22南北左转黄HL113南北左转红HL134东西左转绿HL165东西左转黄HL196东西左转红HL67南北直行绿HL98南北直行黄HL149
19、南北直行红HL310东西直行绿HL1811东西直行黄HL2212东西直行红HL713南北右行绿HL1014南北右行黄HL2115南北右行红HL416东西右行绿HL817东西右行黄HL1518东西右行红HL1719南北人行绿HL1220南北人行红HL521东西人行绿HL122东西人行红HL20表3-2 输出点数分配根据表3.1和表3.2可以确定PLC以及扩展模块的选型。对于这种中小型自动控制中，应用德国西门子公司生产的S7-200系列PLC无疑是十分明智的选择。在主机模块中，常用的主机有CPU222，CPU224，CPU226三种。方案一：若选择CPU222作为主机，由于CPU222有8输入/6
20、输出，与此设计的4输入/22输出相差16点数字量输出。还需要扩展16点数字量输出。方案二：若选择CPU224作为主机，仍然缺少8点数字量输出，和前者相比，CPU224的存储容量增大了一倍，它可以有7个扩展模块，并且有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数处理能力。是使用的相对较多的S7-200产品。方案三：如果选用CPU226作为主机，CPU226主机为24输入/16输出，与4输入/22输出较为接近，只需扩展一片8点数字量输出的扩展模块即可。和CPU224相比，CPU226增加了通讯口的数量，使得它的通信能力大大增强，可以用于点数较多，要求较高的小型或者中型控制系统。经过价格、性能、扩展模块的数量
21、的比较，以及设计的要求等多方面的考虑，选择CPU226作为主机是最合理的。3.4扩展模块选择1、 扩展模块的选择S7-200系列CPU提供一定数量的主机数字量I/O点，但在主机I/O点数不够的情况下，就必须使用扩展模块的I/O点。由于本设计的输入点很少，只PLC主机的输入点足以满足要求。需要扩展6点输出，EM222是8DC输出，这样扩展一个EM222就满足系统要求，且比较经济合理，所以，选择EM222作为输出扩展模块。2、 扩展模块与主机的连接形式主机和扩展模块上均有一个连接口，用专用的连线将两个接线口连通即可。如图3-3所示。图3-5 CPU226与EM222的连接图3、 I/O分配如表3-
22、3、表3-4所示，优先分配主机CPU226的地址，后分配扩展模块EM222（8输出数字量模块）的地址。序号输入信号名称按扭电气符号1启动按钮SB1I0.02停止按钮SB2I0.13急车强通按钮1SB3I1.04急车强通按钮2SB4I1.1表3-3 输入点分配序号输出信号名称按扭电气符号1南北左转绿HL2Q0.12南北左转黄HL11Q1.23南北左转红HL13Q1.44东西左转绿HL16Q1.75东西左转黄HL19Q2.26东西左转红HL6Q0.57南北直行绿HL9Q1.08南北直行黄HL14Q1.59南北直行红HL3Q0.210东西直行绿HL18Q2.111东西直行黄HL22Q2.512东西直
23、行红HL7Q0.613南北右行绿HL10Q1.114南北右行黄HL21Q2.415南北右行红HL4Q0.316东西右行绿HL8Q0.717东西右行黄HL15Q1.618东西右行红HL17Q2.019南北人行绿HL12Q1.320南北人行红HL5Q0.421东西人行绿HL1Q0.022东西人行红HL20Q2.33-4 输出点分配3.5PLC交通灯的硬件连接图如图3-4所示，主机和扩展模块的输入/输出都分别接在一起。 图3-6 硬件电路图3.5监控系统本节简单介绍了对道路十字路口的监控，主要采用直接的摄像与录象方式进行监控，之后将数据通过光缆传回监控中心进行人工截取保存，以便对违章肇事事件进行见证
24、和查询。第四章 交通灯软件设计4.1系统控制过程系统由传感器、输入接口电路、PLC、信号灯、电源等组成。以下面一个十字路口为例 (传感器及红绿灯控制端口设置见表一) , 该路口控制为普通采用的方式，依次放行顺序南、东、西、北。按绿灯指示方向行驶(向左、直行和向右) , 人行道在南面车辆放行时，东面人行道放行，依此类推,顺序为东、北、南、西,绿灯的放行时间初始设定值为 30秒，时间结束后绿灯闪三次（1秒一次），黄灯亮2秒，黄灯灭，红灯亮,三秒后黄灯灭,红灯亮。每个方向循环一次90秒 。人行道只有绿灯和红灯，由放行车道的绿、红灯并联控制,绿灯结束后，绿灯闪烁三秒后常亮。4.2流程及时序图（1） 控
25、制流程图1、交通灯正常循环运行逻辑流程图如图4-1所示。图4-1 交通灯正常循环运行流程图续图4-1（1） 交通灯正常循环运行流程图续图4-1（2） 交通灯正常循环运行流程图2、急车强通控制的逻辑流程图如图4-2所示。图4-2 急车强通控制流程图续图4-2（1） 急车强通控制流程图（2）控制时序图交通灯工作时序图如图4-3所示。图4-3 交通灯南北工作时序图图4-3 交通灯东西工作时序图4.3控制梯形图本设计采用S7-200系列专用编程软件STEP-Mirco/WIN32编程软件进行编程。STEP-Mirco/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专门为S7-200系列
26、可编程控制器设计开发。它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可实时监控用户程序执行状态。它是西门子S7-200用户不可缺少的开发工具。现在加上汉化程序后，可在全汉化的界面下进行操作，使中国的用户使用起来更加方便与实用。本设计采用顺序控制指令进行编程，具体程序如下：网络1：置位初始状态。网络2：状态S0.0开始。网络3：在状态S0.0中，实现东西、南北方向交通灯以及人行道交通灯的复位和置位。网络4：若启动按钮有效，分支开始，顺序状态转移到状态S0.1。网络5：复位状态S0.0。网络6：状态S0.1开始。网络7：状态执行，南北同时左转绿、直行红、右转红10S南北左转绿灯闪3秒南北黄灯亮2秒
27、南北人行道绿灯亮27秒南北左转红30秒东西右转、南北直行、南北人行同时绿灯闪3秒程序执行43秒时对南北直行绿、南北人行绿、东西右行绿进行复位南北直行黄、东西右行黄2秒程序执行45秒时对南北直行黄、东西右行黄、东西左转红进行复位东西左转绿、东西右行红10秒程序执行45秒时对南北直行红进行置位东西左转绿灯闪3秒程序执行55秒时对东西直行绿、东西右行绿进行置位，对东西直行红进行复位定时器T37设定植58秒网络8：T37有效，顺序状态转移S0.2。网络9：顺序状态转移结束。网络10：状态S0.2。网络11：东西左转黄灯亮2秒东西人行道绿灯复位东西人行红道红灯复位东西左转红置位东西人行绿、南北右行绿、东
28、西直行绿闪2秒计时器T38设定值30秒网络12：T38有效，顺序状态转移S0.3。网络13：顺序状态转移结束。网络14：状态S0.3。网络15：南北直行黄置位东西人行红、南北右行黄置位东西人行绿复位南北直行绿、南北右行绿复位定时器T39设定值2秒网络16：T39有效，顺序状态转移S0.0。如果有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止，将急车强通开关断开，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3次。随后按正常时序控制。急车强通控制梯形图17，梯形图18。网络17：东西方向急车强通控制梯形图：网络18：南北方向急车强通控制梯形图：结论
29、实现交通灯的控制方法很多，传统的方法实现都存在一个共同的问题，就是工作的可靠性、稳定性和抗干扰能力有限，而交通灯又安装在嘈杂的交通路口，外界因素的干扰可想而知，这为PLC在工业控制中的使用提供了广阔的空间。PLC是专为在工业环境下应用而设计的，其工作的可靠性非常高，具有很强的抗干扰能力，能在很恶劣的环境下长期连续可靠地工作，平均无故障时间长，故障修复时间短。因为它在设计和制造过程中采用了精选元器件及多层次抗干扰等措施，使可编程控制器的平均无故障时间MTBF通常在50 000h以上，有些可编程控制器的平均无故障时间可以达到几十万小时以上。可以说，至今没有任何一种工业控制设备能够达到PLC的可靠性
30、。PLC控制系统结构简单，通用性强。PLC外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。PLC编程方便，体积小，易于使用和方便操作，并且功能完善。所以这次设计会采用PLC进行控制。具有很强的优越性。通过这次毕业设计使我以前的那种被动学习的状态变成主动学习，将书本上的理论知识应用到变化的生产和实践中，使我对学习再次产生了很大的兴趣，同时培养了我自己的独立思维能力和实践能力。通过毕业设计，使自己对PLC以及交通灯的控制有了进一步的了解。将所学到的有关PLC系统硬件结构、控制算法以及软件设计应用到设计系统控制中，尤其是通过自学的通信部分，更是提高了我的能力，提高了我增加综合设计
31、的能力，这对我以后走向工作岗位必定是一种不可缺少的、非常宝贵的财富。这次的设计让我们增长了实践技能，还增加了有关交通知识，这些对于我们真是受益匪浅。最后，我觉得，不见风雨，怎么能见彩虹？我把体会用十个字概括：天下无难事，只怕有心人。当前的社会，科技迅速发展，知识更新速度大大加快，只有我们共同去探索，用自己的双手去征服每一片天空，用我们新的力量去打造一片创新的领域。致谢感谢学校领导对我们的精心培养，给我们一个良好的学习环境，感谢指导老师的悉心关注和耐心指导。通过这次毕业设计，我学到了很多东西，受益匪浅。本次课程设计主要涉及PLC可编程控制及电路等专业课程，在此期间不仅巩固了我的专业课知识，拓宽了
32、我的知识面，使我初步掌握了可编程控制技的基础设计，了解了可编程控制的核心内容，更让我有机会理论结合实际得以学以致用。这次设计我感触很多，更加体会到老师这个职业的不平凡，是他们在这平凡的岗位上奉献着自己的青春，奉献着自己辛勤劳动与心血。大学生活即将结束，似水流年的日子里我开始期待明天，我要以一颗感恩和奉献的心走上新的工作岗位，努力学习回报他们、回报社会，实现人生的社会价值。参看文献廖常初：可编程序控制器的编程方法与工程应用M.重庆大学出版社钟肇新，彭侃：可编程序控制器原理及应用M.华南理工大学出版社戴仙金：西门子S7-200系列PLC应用与开发M.中国水利水电出版社罗宇航：流行PLC实用程序及设计M.西安电子科技大学出版社张立科：PLC应用开发技术与工程实践M.人民邮电出版社附录交通灯PLC控制程序：
