智能PLC十字交通灯的设计毕业设计论文

1、毕 业 设 计 （论文） 智能 plc 十字交通灯的设计 摘摘 要要 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

2、以及移动电子监控设 备，对各个十字路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。 【关键词关键词】：十字路口；交通灯；智能化；plc 控制。 目录目录 摘要摘要.1 第一章第一章 概述概述.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 第二章第二章 设计方案分析与确定设计方案分析与确定.6

3、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 第三章第三章 交通灯硬件设计交通灯硬件设计.10 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.12 3.4 扩展模块选择.14 3.5 硬件连接图.16 3.6 监控系统.17 第四章第四章 交通灯软件设计交通灯软件设计.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 结论结论.30 致谢致谢.31 参考文献参考文献.32 附录附录.33 第一章第一章 概述概述 1.1 课题设计背景课题设计背景 交通十字路口车辆穿梭

4、，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，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

5、，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

6、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

7、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。 第第 2 章章 设计方案分析与确定设计方案分析与确定 2.1 单片机控制单片机控制 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。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

8、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

9、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

10、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，性能价格比高 在实时检测和

11、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

12、供用户选用。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

13、少量硬件，接线可减少 互继电器控制系统的 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

14、时间要少得 多。 plc 的用户程序可以在实验室模拟调试，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

15、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

16、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。 第第 3 章章 交通灯硬件设计交通灯硬件设计 3.1 硬件系统框图硬件系统框图 制系统结构图如图 3-1 所示

17、图 3-1 交通灯控制系统框图 3.2 交通灯控制过程交通灯控制过程 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

18、 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

19、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

20、。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sb1 2停止按钮sb2 3急车强通按钮 1sb3 4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hl2 2南北左转黄hl11 3南北左转红hl13 4东西左转绿hl16 5东西左转黄hl19 6东西左转红hl6 7南北直行绿hl9 8南北直行黄hl14 9南北直行红hl3 10东西直行绿hl18 11东西直行黄hl22 12东西直行红hl7 13南北右行绿hl10 14南北右行黄hl21 15南北右行红hl4 16东西右行绿hl8 17东西右行黄hl1

21、5 18东西右行红hl17 19南北人行绿hl12 20南北人行红hl5 21东西人行绿hl1 22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 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 cpu22

22、4 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、扩展模块的数量的比较，以及设计的要求等多方面的考虑，选 择 c

23、pu226 作为主机是最合理的。 3.4 扩展模块选择扩展模块选择 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 em2

24、22 的连接图 3、i/o 分配如表 3-3、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。 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 hl2 q0.1 序号输入信号名称按扭电气符号 1启动按钮sb1i0.0 2停止按钮sb2i0.1 3急车强通按钮 1sb3i1.0 4急车强通按钮 2sb4i1.1 2南北左转黄 hl11 q1.2 3南北左转红 hl13 q1.4 4东西左转绿 hl16 q1.7 5东西左转黄 hl19 q2.2 6东西左转红 hl6 q0.5 7南北直行绿 hl9 q1.0

25、8南北直行黄 hl14 q1.5 9南北直行红 hl3 q0.2 10东西直行绿 hl18 q2.1 11东西直行黄 hl22 q2.5 12东西直行红 hl7 q0.6 13南北右行绿 hl10 q1.1 14南北右行黄 hl21 q2.4 15南北右行红 hl4 q0.3 16东西右行绿 hl8 q0.7 17东西右行黄 hl15 q1.6 18东西右行红 hl17 q2.0 19南北人行绿 hl12 q1.3 20南北人行红 hl5 q0.4 21东西人行绿 hl1 q0.0 22东西人行红 hl20 q2.3 3-4 输出点分配 3.5plc 交通灯的硬件连接图交通灯的硬件连接图 如图

26、 3-4 所示，主机和扩展模块的输入/输出都分别接在一起。 1m0.10.20.30.40.50.60.71.01.11.21.31.42m1.51.61.72.02.12.22.32.42.52.62.7m l+ cpu226 1l0.10.20.30.42l1.01.21.31.41.51.61.7n l1 ac1.13l0.50.60.7 0.0 0.0 ac em222 1l0.10.20.30.0 0.42l0.50.60.7m l+ 2 sb1 sb2 sb3 sb4 hl1 hl2 hl3 hl4 hl5 hl6 hl7 hl8 hl9 hl10 hl11 hl12 hl13 h

27、l14 hl15 hl16 hl17 hl18 hl19 hl20 hl21 hl22 dc24v 图 3-6 硬件电路图 3.5 监控系统监控系统 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 见证和查询。 第第 4 章章 交通灯软件设计交通灯软件设计 4.1 系统控制过程系统控制过程 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、

28、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 流程及时序图流程及时序图 （1）控制流程图 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

29、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

30、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 南北人行道绿灯亮 27 秒 南北左转红 30 秒 东西右

31、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

32、复位 东西左转红置位 东西人行绿、南北右行绿、东西直行绿闪 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

33、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： 结论结论 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