交通信号灯控制系统的设计

交通信号灯控制系统的设计摘要近现代以来，交通灯在我们的日常出行中扮演着重要的角色。城市道路的发展程度，是城市经济发展的重要标志。在交通不便利的地方，就会限制了人们的生活质量，在一个交通发达的地方，居民的快乐程度就会更高。但是，近几年来，交通事故频发，造成了许多惨案，因此，要想降低交通事故的发生，就必须合理使用红绿灯。本文首先阐述了十字路口交通灯系统的来源与发展，以及它在国内外发展的现状，介绍了十字路口交通灯系统的基本原理以及工作流程，对系统的工作流程进行了分析。然后介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，并且对系统的硬件部分进行设计和软件部分进行梯形图编程和组态界面设计。通过一次路口交通灯变化周期过程为例，把交通灯变化过程分为几个步骤，然后分别对几个步骤进行编程。具体说明了可编程序控制器在十字路口交通灯系统中的作用，其中程序设计实现了十字路口交通灯系统的工作的绝大部分过程。然后对所设计的十字路口交通灯系统进行仿真验证，仿真结果表明本次设计的系统满足控制要求，达到预设效果。同时利用S7-200系列PLC控制的十字路口交通灯系统提高了稳定性和性价比，保证了十字路口交通灯系统能够长期稳定运行，同时上位机通过组态王软件实现了对系统进行操作和监控。关键词：梯形图程序；组态王；交通灯运行规则；STEP7

目录TOC\o"1-3"\h\u24971引言 IV引言在今天，在每个路口设置了交通信号灯，是最普遍、最有效的交通方式。但是这种技术在很久以前就存在了，在经过一系列的发展后，逐渐演变成今天常见的样式。在美国这个交通信号灯是用红色、绿色和黄色的环形照明装置构成，它被安置在纽约市第五大道的一栋高楼上。“停止”是红色，而绿色是“通行”。随着我国经济的飞速发展，城市人口越来越多，居民出行次数和机动车拥有量不断增加，城市道路拥挤、车流量不均衡等问题日趋严重。在交通拥堵、交通秩序混乱、出行时间过长的情况下，人们往往会为交通拥堵、交通秩序混乱、出行时间过长而感到烦恼。如何使交通安全、便捷、高效、畅通、绿色、环保，是当前我国交通发展面临的重要课题。通过设计和制作交叉路口的交通信号灯控制系统，进一步加强和深化了对所学习的基本理论、基本技能和专业知识的理解和理解。同时，通过对PLC的全面培训，可以实现PLC的设计与实现，以及对其工作原理和设计思想的全面了解。另外，在实践中，通过对红绿灯的各个环节的制作，磨练了自己努力学习、认真负责、独立思考、团结合作的工作态度，为以后的工作生活提供了坚实的基础和稳定的保障。第1章绪论1.1项目研究背景及意义红绿灯是一种交通信号，它起到了很大的作用，它直接影响到道路和行人的安全，但是为了让驾驶员和行人更好的理解它的用途，它的功能和意义就被详细的说明了。在十字路口，红色，黄色，绿色，三色交通信号灯悬挂在四面八方，这就是沉默的“交通警察”。交通灯是一种国际通行的交通标志。红色表示停车，绿色表示通过。十字路口，四面八方的车辆都聚集在这里，有的要笔直，有的要转弯，要按照交通信号灯的指示。红灯时，禁止直行或左转，并准许车辆向右转弯；红灯亮，允许交通工具直行或掉头；黄色信号灯，停在十字路口或行人通道内，并继续通过；当红灯亮起时，提醒交通工具小心。道路的发展程度，是衡量一个国家城市化和经济发展水平的重要指标。而在交通便利的同时，也限制了人们的生活质量，在一个交通发达的地方，居民的快乐程度就会更高。但是，近几年来，交通事故频发，造成了许多惨案，因此，要想降低交通事故的发生，就必须合理使用红绿灯。交通信号的合理分配，使其存在的意义更为突出。在学校、商场、车站等人流密集的地方，要设置更多的红绿灯，让同学们可以放心的回家，购物也可以放心，乘客也可以放心的回家。而在人流不多、车辆不多的路段，可以适当的设置红绿灯，节省交通资源。随着电子、自动控制、计算机技术的飞速发展，计算机控制系统在工业生产中的应用越来越广泛。PLC是电子控制技术与计算机科学技术的结合。PLC是一种以单片机为核心的新型工业自动控制设备，它具有逻辑、定时、计数、模拟信号处理和PID操作等多种功能。1.2目前交通灯的发展现状中国第一个道路交通信号灯是1928年在上海英租界出现的。从最初的手工牵引带到1950年代的电力控制，再到现在的电脑控制，再到现代的电子计时监测，交通信号灯不断更新、发展、完善。然而，在社会发展的同时，传统交通信号灯的缺点也越来越多，其中最突出的问题就是设计太僵硬，无法达到最大的通行效率，以及交通信号灯之间的转换很有规律。在西方发达国家，交通管制已基本实现了从传统的交通控制到ITS的过渡，而国内的智能交通系统才刚刚起步。由于传统的交通管制系统通常都是按时间来进行交通流量的控制，因此很难根据交通流量的变化规律来选择最优的方向，从而导致了交通资源的浪费和堵塞。而智能交通控制系统可以有效地改善效率，而无需对硬件进行重大的改变。智能交通系统主要由以下子系统构成：(1)交通情报服务的智能化。它是一个面向所有人的、有很多智能化的、具有一定操作性的服务体系。(2)一种汽车控制的智能系统。GPS等交通设备，可以更好的利用现代的智能技术对车辆进行实时的监测和管理，同时也可以实时的提供实时的路况信息。(3)SMS。包含了私家车，公交车的运营和监控，并且能够及时的对交通事故进行预测和处理。(4)一种智能化的计费方式。在特定的道路上，对过往车辆进行自动计费，提高了工作效率，节省了人工费用。(5)紧急情况的智能化管理。在遇到突发事件时，可以第一时间向有关部门报告，并采取相应的预防措施。(6)一种商业车辆的智能化操作系统。对各类交通工具，如货车等进行监测和管理，可有效防止超载。可以预见，智能交通系统会在我国快速发展起来，这期间会经过一段未知的时间，但最终一定会在我国的每个街道上实现，从而方便我们的生活，减少交通事故发生的概率，使我人民的幸福感上升。第2章总体设计方案及论证2.1项目研究内容交通灯的控制要求：PLC上电，系统处于初始状态。按下启动按钮，东西方向绿灯亮25秒后闪烁5秒熄灭(闪烁周期为1秒)，黄灯亮5秒熄灭，红灯亮30秒，依次循环。南北方向红灯亮35秒，接着绿灯亮20秒后闪烁5秒后熄灭 (闪烁周期为1秒)，黄灯亮5秒后，依次循环。按下停止按钮，系统停止。实现过程：任务准备一一分析控制要求，任务方案一一选择控制方案，任务过程设计程序，任务完善调试和完善程序分析控制要求：PLC的IO点分配一一PLC的接线图一一控制要求分析一一时序图分析选择控制方案：不分方向统一计时一一分方向分开计时设计程序：系统启停控制程序一一统一计时设置程序一一东西方向绿红黄灯输出程序一一南北方向绿红黄灯输出程序调试和完善程序：程序调试仿真调试监控视频程序完善：观察交通灯调试过程，是否有需要完善的地方？思考是否有其他编程方案？该设计以PLC为核心，实现了对交通信号灯的模拟、时间倒计时改写和控制。整个系统分为两个主要部分：硬件和软件。本系统的硬件设计包括计算机和西门子的可编程控制器等，为整个控制系统提供了强有力的硬件支持。在该系统的软件设计中，利用STEP7-Micro程序编制、调试、运行以及在线实时监测程序的运行，并利用组态软件组态王仿真系统进行调试，达到了预定的运行效果。PLC采用S7-200PLC，利用PC/PPI程序电缆将数据传送到计算机。通过计算机配置操作界面，可以对现场设备的工作状态进行实时监测，并能对现场设备的控制参数进行设定和修改。2.2程序设计的常用方法经验设计法：即在典型的控制电路程序的基础上，根据被控对象的控制选择合适的梯形图模块进行编写，这需要编程者十分熟悉各种梯形图模块的作用。这种方法没有规律，编写十分自由，但也需要编程者熟悉一些典型的控制电路，如实现启动保持停止功能的启保停电路等。图解法包括梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法、步进顺控法、SFC法。表2.1图解法PLC编程方法。PLC行，反映输入和输出之间的关系。逻辑流程图是用一个逻辑流程图来用逻辑方框先绘制一张控制系统的时序图(也就是在一定的时间内完成哪一种控制)，然后在此基础上绘制相应的控制PLC。，很多PLC制造商都在其PLC中加来编写相应的控制程序。设计与维修。本程序运用梯形图法编译而成，该程序可大致分为四部分，启动程序，东西绿红黄灯输出程序，南北绿红黄灯输出程序，返回程序。2.3控制方案展示表2.2控制要求东西方向南北方向启动按钮系统启动东西绿灯东西黄灯东西红灯南北绿灯南北黄灯南北红灯图2.1时序图分析启动按钮系统启动东西绿灯东西黄灯东西红灯南北绿灯南北黄灯南北红灯图2.2不分方向统一计时不分方向统一计时：T0计时到25秒，T1计时到30秒，T2计时到35秒，T3计时到55秒，T4计时到60秒，T5计时到65秒.启动按钮系统启动东西绿灯东西黄灯东西红灯南北绿灯南北黄灯南北红灯TO：25秒Tl:5秒T2:5秒T3：30秒东西方向计时:南北方向计时:T10:35秒Tll:20秒T12:5秒T13:5秒图2.3分方向统一计时东西方向计时：T0计时到25秒，T1计时到5秒，T2计时到5秒，T3计时到30秒。南北方向计时：T10计时到35秒，T11计时到20秒，T12计时到5秒，T13计时到5秒。第3章系统硬件设计3.1PLC概述为了实现高效、灵活的自动控制，必须对其进行优化设计。在此基础上，从硬件、软件两个方面进行优化，并结合系统的先进性、成本和安装条件，选用适当的硬件设备，并通过序列控制的方式来实现软件的设计。随着计算机和数字通讯技术在全世界快速流行起来，我国对各种规格、品种、低成本、高质量、高可靠性的系统控制产品的需求日益增加。3.1.1PLC的特点可编程控制器的主要特征如下：(1)配套硬件齐全，应用场所广泛(2)编程简单，使用方便(3)控制程序可修改，具有较高的直观性(4)可靠性高，抗干扰能力强(5)丰富的输入/输出接口模块3.1.2PLC的选型S7-200系列PLC具有结构紧凑扩展性好指令功能功能强、价格低廉等优点，是所有现代控制工程中的非常理想控制器，我们在以后的学习和生活中应优先选用。图3.1S7-200CPU226PLC3.2I/O地分配表通过对控制要求的输入和输出进行分析后，根据分析的结果来分配PLC对应的I/O地址，然后再编写PLC程序，I/O地址分配表如表3.2。表3.2I/O地址分配表Q0.0I0.1Q0.1Q0.2 3南北方向绿灯Q0.53.3系统接线设计在确定了硬件的选型和I/O分配之后，硬件连接可按照系统接线设计进行接线。3.3.1PLC外部接线十字路口交通灯控制系统的PLC外部接线如下图3.1所示。南北方向黄灯南北方向红灯南北方向绿灯东西方向黄灯东西方向红灯东西方向绿灯0,图3.4控制电路接线经过以上硬件设计，我们可以方便的实现十字路口交通灯系统的控制，通过往PLC上输入命令程序，PLC控制相应的器件进行动作，最终完成整个实验。本系统的硬件功能也十分强大，能满足我们对十字路口交通灯系统的控制，我们再进行其他系统设计时也可以采用这套硬件设备。如：设计控制立体停车库系统和控制水位都是十分方便的。另外，我们使用的硬件设备，价格适中，操作方便，使用寿命长，易于拆卸和组装，我们同学在今后的学习和生活中可以使用这套硬件设备。第4章软件设计4.1编程软件SETP7-Micro/WINV4.0SP9是西门子公司专门针对S7-200系列PLC开发的一款基于Windows操作系统的SETP7-Micro/WINV4.0SP9，它不仅具有中文界面，而且操作简单，功能也非常强大。4.1.1SETP7软件简介STEP7软件可以方便的绘制梯形图，而且方便保存，易于修改，可以对大中小型系统实现方便的编程和设置与PLC的通信，能够实现在线编程控制或下载到PLC上进行控制。4.1.2SETP7软件基本操作步骤图4.1SETP7软件基本操作步骤4.2系统程序流程图4.2系统流程图4.3程序设计PLC的程序设计方法：梯形图的经验设计法、继电器电路图转梯形图设计法、顺序控制设计法等。本文中的十字路口交通灯控制系统的程序设计便采用的是梯形图的经验设计法。具体程序和设计思路以及程序完成的功能如下文所示。4.3.1系统启停控制程序程序注释1网络注暮1M0.01/M0.0T1图4.3系统启停控制程序I0.0表示启动按钮，I0.1表示停止按钮，M0.0为中间继电器，S代表置位，R代表复位。系统启停控制程序一一统一计时设置程序一一东西方向绿红黄灯输出程序一—南北方向绿红黄灯输出程序。4.3.2东西绿灯和南北红灯输出程序图4.4东西绿灯和南北红灯输出程序Q0.0为东西方向绿灯输出，当其对应的定时器T37计时到25秒时，M0.1得电置位，随后东西方向绿灯熄灭。Q0.4为南北方向红灯输出，当其对应的定时器T38计时到35秒时，M0.2得电置位，随后南北方向红灯熄灭。当T37计时到30秒后，T39得电且每计时到1秒后，T39对应的常闭置位，随后T39失电，T39对应的常闭又复位，T39因此又得电，重复上一个过程，得到了一个闪烁间隔为1秒的绿灯输出。4.3.3启动定时器输出程序图4.5启动定时器输出程序T37和T38都得电置位。4.3.4东西方向黄灯输出程序图4.6东西方向黄灯输出程序Q0.2为东西方向黄灯对应的输出，T40计时到5秒后，M0.3断开，黄灯熄灭。4.3.5东西方向红灯和南北方向绿灯输出程序图4.7东西方向红灯和南北方向绿灯输出程序Q0.1为东西方向红灯输出，当其对应的定时器T41计时到30秒时，M0.4得电常闭变常开，随后东西方向红灯熄灭。Q0.3为南北方向绿灯输出，当其对应的定时器T42计时到20秒时，T42大于20秒后常开变常闭，T43得电且每计时到1秒后，T43对应的常闭置位，随后T43失电，T43对应的常闭又复位，T43因此又得电，重复上一个过程，得到了一个闪烁间隔为1秒的绿灯输出。4.3.6启动定时器输出程序图4.8启动定时器输出程序T41，T42得电后置位，Q0.5对应的输出为南北黄灯，当T44计时到5秒后，T44对应的常开变常闭，南北黄灯熄灭。4.3.7返回循环程序图4.9返回循环程序5秒后，T44常开变常闭，M0.1，M0.2,M0.3，M0.4，M0.5复位，进入下一个循环。至此，程序编辑完成。每段程序都有相应的注释，我们可以方便的查看每段程序的功能，在编辑类似程序时，可以按照上文的编辑思路进行设计。每段程序的结构都相对独立，方便以后的修改和改进。4.4组态软件本论文所设计的上位机实质是通过组态王软件与下位机PLC通信，实现数据和信息的连接、监控和控制，并通过数据库和可视化的人机接口，使数据的管理与控制更加方便、快捷、科学和有效。4.4.1组态王简介组态王是一款通用的工业监测软件，适合于从单个设备的生产、运行和故障诊断到大规模的网络化、分布式、集中监测管理等。组态王软件采用通讯技术，从现场输入输出装置获取实时数据，经处理后，将所设计的系统以图形形式直观地呈现在电脑屏幕上；另一方面，根据配置需求及操作者的要求，向I/O装置发送控制信息，实现对其进行控制或调节。4.4.2组态王基本操作步骤组态王具有丰富的功能控制和功能，在开发过程中，可以将功能菜单中选择的功能块放在前端面板，然后通过电线将各功能模块的接口连接到一起，从而完成数据的传递。组态王可以通过简单的操作来完成数据的采集、分析和处理，并具有存储、查询、检索的能力。使用配置王来完成高级的功能，主要有四个步骤：(1)新建一个工程项目。(2)添加各种设置，如设置地址，设置内存词典，设置通信串口，添加内存变量。(3)绘制需要展示的画面，增加各种连接关系，如动态点，交互控制点，实时曲线等。(4)在运行系统中配置豪启动画面，全部保存，切换到VIEW。4.5组态界面设计本系统设计左上角有启动，停止两个按钮。主体部分运用矩形和圆行画出了十字路口的模拟道路，道路上为开向各个方向的汽车，并画有人行道和禁止通过的区域。路口拐角处为交通灯并有计时功能，图上标注了东西南北四个方向，简洁清晰，方便观看。组态王应用软件是一款非常方便的组态软件。在使用的过程中首先需要建立若干个画面例如主画面、监控画面、报警画面。每个画面都可以通过内部程序连接起来，通过单击或者按住某一个按钮进入其他页面。在画面里面可以通过矩形和圆形、线条来绘制自己所需要的图形，或者在图库里面挑选所需要的阀门或者电机。总之，组态王的画面组态是非常自由的。我们在绘制完成我们所需要的控制系统后，就要在数据词典里面对其用到的按钮、灯泡、阀门等变量进行变量类型的定义，变量类型也有许多种，例如内存整型和内存离散。设置好对应的变量类型定义后，我们可以将其与STEP7中的梯形图连接起来，通过梯形图程序来控制变量的行动，也可以在组态王内部进行画面属性的命令语言编程。当控制系统比较小时利用后者是比较方便清晰明了的，但当需要制作的控制系统工程量很大时，就要运用前者的方法了。在制作十字路口交通灯控制程序时，我首先建立了一个主画面，在里面绘制了十字路口的组态图形，为了尽量看起来像实际的路口，我在里面绘制了斑马线、减速带、红绿灯、计时器等图形，而且画出来的图形整洁美观，一目了然。然后在数据词典里面对其用到的按钮、灯泡、等变量进行变量类型的定义，变量类型大部分都是内存整型和内存离散，像按钮等开关量就是离散型变量，像小车的移动距离就要用到整数型变量。因为十字路口交通灯控制系统是一个一般工作量的工程，所以设置好对应的变量类型定义后，我将其与STEP7中的梯形图程序连接起来，通过梯形图程序来控制变量的行动，进而完成了十字路口交通灯控制系统的组态模拟。在运用组态王完成十字路口交通灯控制系统的组态模拟时，我也遇到了一些困难。例如，当打开view界面时，画面都呈现的是空白页，需要再重新打开画面才能看到自己想看的画面，这时我们需要在设置运行系统中把主画面配置设置到自己想看到的画面。而且有时小车移动的过快或过慢，和计时功能数字跳转的过快或过慢，我们可以通过设置命令语言的扫描次数来调节。而且时间设置的也常常出现错误，这时由于组态王扫秒时间(55ms扫描一次)不精确，导致5s=5000ms,进而导致时间出现错误。又如，当你想绘制出的两个图像进行相同的动作时，可以把他们组合图素起来，再输入命令程序，就可以实现相同的动作了。尽管在运用组态王完成十字路口交通灯控制系统的组态模拟时我遇到了一些困难，但通过上网查资料和向老师同学求助，我最终还是一点一点的解决了我所遇到的困难。成功完成了十字路口交通灯控制系统的组态模拟。第5章控制系统仿真5.1系统仿真步骤由于实验条件有限，因此采用仿真的形式对系统进行检验，通过编程电缆将PLC和计算机连接来对系统进行仿真，具体步骤如下：(1)用编程电缆连接PLC与计算机，下载编辑好的程序后关闭STEP7-Micro/WINo(2)在组态王的开发系统中将设置好修改的“文件”为“全部保存”(3)执行命令“文件”为“切换到View”。(4)执行命令“画面”为“打开”。(5)进行各种按钮的调适，来确定是否连接无误和程序是否需要改进。5.2系统仿真结果图5.1仿真结果界面按下启动按钮，系统开始运行；按下停止按钮，小车回到原位置，所有灯全部熄灭。图5.1中的N、S、W、E分别代表北、南、东、西四个方向。改图模拟了实际路口的交通情况。图5.2东西绿灯亮按下启动按钮后，东西绿灯亮25秒，南北红灯亮35秒。此时东西方向车辆可通行，南北方向车辆禁止通行。东西方向显示计数到25,南北方向显示计数到35。图5.3东西绿灯闪东西绿灯亮25秒后，闪烁5秒，闪烁周期为1秒。南北红灯依旧亮。此时东西方向车辆可通行，南北方向车辆禁止通行。东西方向显示计数到5，南北方向显示计数到35。图5.4东西黄灯亮东西绿灯闪烁5秒后，黄灯亮5秒。南北红灯依旧亮。此时东西方向车辆不可通行，南北方向车辆禁止通行。东西方向显示计数到5,南北方向显示计数到35。图5.5南北绿灯亮东西红亮30秒，南北绿灯亮20秒。此时东西方向车辆禁止通行，南北方向车辆可通行。东西方向显示计数到30,南北方向显示计数到20。图5.6南北绿灯闪东西红灯亮30秒，南北绿灯亮20秒后闪烁5秒，闪烁周期为1秒。此时东西方向车辆禁止通行，南北方向车辆可通行。东西方向显示计数到30，南北方向显示计数到5。图5.7南北黄灯亮东西红灯亮30秒，南北黄灯亮5秒。此时东西方向车辆禁止通行，南北方向车辆不可通行。东西方向显示计数到30，南北方向显示计数到5。此时系统已循环一遍，计数到之后返回到图5.1状态。通过系统仿真可以检验系统的运行效果，同时可以模拟整个十字路口交通灯运行过程。在组态运行监控界面，当系统启动后，东西小车开始通行，四个方向灯开始依次点亮，并循环进行；当系统停止后，所有车辆，灯进入初始状态。

结论本次课题研究了基于PLC的十字路口交通灯系统设计。IO分配好输入量和输出量，将这些数据传入可编程控制器中，通过已经编写好的程序指令，向设备发出控制指令。同时组态操作界面能够实时反映出交通灯的点亮情况，并能够对控制过程中需要的参数进行设置与修改，并且能实现对系统的控制。本设计