基于PLC的十字路口交通灯设计

基于PLC的十字路口交通灯设计摘要：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。关键词：控制系统；梯形图；交通灯TheIntersectionTrafficLightsBasedOnPLCGraduationDesignAtpresent,trafficpressureinmanylargeandmedium-sizedcitiesinChinaisverygreat.Sometrafficlights’sworkinghoursisunreasonable,violationandrecordsoftheincidentisinaccuratetoo.Therefore,toimproveandenhancetheexistingtransportsystem'sefficiencyandstrengthenthecontroloftrafficlightsandmonitoringthesecuritysituationisveryimportant.ThemainideaofdesignistoachievethecontroloftrafficlightsatcrossroadsandmonitoringbyPLC.ThroughthehostatcontrolcentretocontrolthevariouscrossroadsPLCaccordingtothespecificneedsofthejunctionofthecity,tocontrolthechangeoftrafficlightsatthecrossroads,andtomonitorthesecuritysituationatcrossroads,whetherthevehicleviolateregulations,whethercauseincident,andtorecordTheresults.then,storage,uploadandprocessing.KeyWords:ControllingSystem；TrapezoidalDiagram；TrafficLight目录TOC\o"1-3"\h\u134371绪论 绪论1.1交通灯发展现状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。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。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交通灯监控系统的设计意义目前，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。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。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，机动车是否违章、肇事记录的上传、存储和处理；实现显示、通信等功能。从而保证了车辆在城市道路各路口顺畅通行以及安全。2PLC的应用目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

2.1开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2.2模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC制造厂商都有配套的A/D和D/A转换模块，使PLC可以很方便地用于模拟量控制。

2.3

过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、精细化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

2.4数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、化工、食品工业中的一些大型控制系统。2.5通信和联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3PLC的工作原理PLC是采用循环扫描的工作方式，即顺序地逐条地扫描用户程序的操作，根据程序运行的结果，一个输出的逻辑线圈应接通或断开，但该线圈的触点并立即动作，而必须等用户程序全部扫描结束后，才同时将输出动作信息全部送出执行。也就是说，PLC系统工作任务管理应用程序执行都是扫描方式完成的。3.1循环扫描技术PLC投入运行后，都是以重复的方式执行的，执行用户程序不是只执行一遍，而是一遍一遍不停地循环执行，这里每执行一遍我们称为扫描一次。扫描一遍用户程序的时间叫扫描周期。扫描一次，PLC内部要进行一系列操作，可分为五大类：以故障诊断、通讯处理为主的公共操作、联系工业现场的输入采样操作、执行用户程序的操作、输出刷新操作以及服务外围设备的操作。下面重点把输入采样、程序执行和输出刷新三步操作加以说明。3.2输入采样阶段

在PLC投入运行时，PLC以扫描方式依次读入所有端子口的状态和数据，并把这些数据存入映像区的相应单元内，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证该输入信号不被丢失。

3.3程序执行阶段

PLC在用户程序执行阶段，CPU总是按由上而下的顺序依次扫描用户的梯形图程序。扫描每一条梯形图支路时，又是由左到右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，并根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态，或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。3.4输出刷新阶段

PLC的CPU扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区的状态和数据刷新所有输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的被控负载，这才是PLC的真正输出。4交通灯控制系统设计的任务分析与编程方案4.1任务要求与分析4.1.1控制要求信号灯受按钮的控制，当按下按钮时，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环工作，当停止按按钮时，系统将停止在初始状态，所有信号灯都熄灭。4.1.2控制时序车行道：东西向绿灯亮30S，绿灯闪烁3次，每次1S，黄灯亮2S，红灯亮35S；南北红灯亮35S，绿灯亮30S，绿灯闪烁3次，每次1S，黄灯亮2S。人行道：东西绿灯亮30S，绿灯闪烁5次，每次1S，红灯亮35S，南北向红灯亮35S，绿灯亮30S，绿灯闪烁5次，每次1S。4.1.3车辆通过检测（1）感应线圈电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线(特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋)。当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成如图中虚线所形成的高频磁场。当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅(本论文所涉及的检测工作方式)和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。电感式传感器的高频电流频率为60kHz，尺寸为2×3m，电感约为100uH。这种传感器可检测的电感变化率在0.3％以上。电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑,它是理想的传感器。传感器最好选用防潮性能好的原材料。（2）电路检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器,并将之转化为标准脉冲电压输出。其具体电路图由三部分组成:信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。原理框图如图4-1所示。图4-1车辆存在与检测电路原理框图传感器的铺设图4-2传感器的铺设（4）车辆计数车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设采取在每个车行道上中的出口地(停车线处)以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器方案如图4-3(以典型的十字路口为例)，同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。图4-3车辆检测原理图及检测电路电压4.2用PLC实现智能交通灯控制4.2.1控制系统的组成车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器(PLC)来实现。当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。本例选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力;它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程;它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便。利用PLC，可使上述描叙的各传感器以及各道口的信号灯与之直接相连，非常方便可靠，如图4-4所示。各各信号灯输输入出端端口口各车辆探测器电源图4-4用PLC实现智能交通灯控制原理框图4.2.2车流量的计量车流量的计量有多种方式：每股行车道的车流量通过PLC分别统计。当车辆进入路口经过第一个传感器1时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量(动态值)，可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。先统计每股车道上车辆的滞留量，然后按大方向原则累加统计。如，将东西向的左行、直行、右行道上的车辆的滞留量相加，再与其它的3个方向的车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则(不影响行车安全的多道相向行驶)累加统计。如，东、西相向的2个左行、直行、右行道上的车辆的滞留量全部相加，再与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。以上计算判别全部由PLC完成。可以把以上不同计量判别方式编成不同的子程序，方便调用。4.2.3交通灯软件设计初始脉冲M8002对初始位置S0置1后，接通X20，则状态同时转移到S20和S30。S20置1，驱动车道东西绿灯，车道南北红灯，延时30S，状态转移到S21，S21和S22构成闪烁电路，绿灯闪烁3次，状态转移到S23，车道东西道黄灯亮2S。之后状态转移到S24，使车道南北红灯熄灭，车道南北道绿灯亮，车道东西道红灯亮，延时30S，状态转回到S21，车道南北绿灯闪烁3次，之后状态转移到S25，车道南北黄灯亮2S。同理，S30置1，驱动人行东西向亮绿灯，人行道南北向红灯，延时30S后，人行道东西绿灯闪烁5次，状态转移到S33，使人行南北向红灯熄灭，人行南北绿灯亮，人行东西红灯亮。延时30S后，转向回到S31，人行南北闪烁5次。之后，状态转移到S34，使人行南北向绿灯熄灭。两并行支路会合，返回状态S0。由于X20已闭合，又同时驱动S20、S30，所以令其置1，开始另一个循环。4.2.4硬件配置控制系统结构图图4-5交通灯控制系统4.2.5I/O分配表表4-1I/O分配表启动开关SB1X20南北主干道红灯Y5东西主干道红灯Y2南北主干道黄灯Y4东西主干道黄灯Y1南北主干道绿灯Y3东西主干道绿灯Y0南北人行道红灯Y10东西人行道红灯Y6南北人行道绿灯Y11东西人行道绿灯Y74.2.6十字路口交通灯的外部接线图图4-6十字路口交通灯的外部接线图4.3用PLC实现十字路口交通灯控制4.3.1十字路口交通灯PLC的状态转移图自动控制系统中的自动循环过程就是电气自动控制系统的状态自动、有序、逐步转移的过程。这种状态转移图完整的表现了控制系统的控制过程，各状态的功能，状态转移顺序和条件，它是PLC应用控制程序设计的极好工具。如下图4-7所示十字路口交通灯PLC的状态转移图。图4-7十字路口交通灯PLC的状态转移图4.3.2交通灯系统控制流程图交通灯系统控制车行道流程图如图4-8所示:图4-8车行道流程图交通灯控制系统人行道流程图如下图4-9所示。图4-9人行道流程图4.3.3程序设计分析仿真结果可以分为以下几个阶段阶段一：初始脉冲M8002对初始位置S0置1后，接通X20，则状态同时转移到S20和S30。S20置1，驱动车道东西绿灯，车道南北红灯，延时30S，状态转移到S21，S21和S22构成闪烁电路，绿灯闪烁3次，状态转移到S23，车道东西道黄灯亮2S。图4-10阶段一仿真图阶段二：状态转移到S24，使车道南北红灯熄灭，车道南北道绿灯亮，车道东西道红灯亮，延时30S，状态转回到S21，车道南北绿灯闪烁3次，之后状态转移到S25，车道南北黄灯亮2S。图4-11阶段二仿真图阶段三：S30置1，驱动人行东西向亮绿灯，人行道南北向红灯，延时30S后，人行道东西绿灯闪烁5次，状态转移到S33，使人行南北向红灯熄灭，人行南北绿灯亮，人行东西红灯亮。延时30S后，转向回到S31，人行南北闪烁5次。之后，状态转移到S34，使人行南北向绿灯熄灭。两并行支路会合，返回状态S0。由于X20已闭合，又同时驱动S20、S30，所以令其置1，开始另一个循环。图4-12阶段三仿真图阶段四：状态转移到S34，使人行南北向绿灯熄灭。两并行支路会合，返回状态S0。由于X20已闭合，又同时驱动S20，S30，所以令其置1，开始另一个循环。图4-13阶段四仿真图4.4系统调试及结果分析将程序中X20接通（即SB1拨到ON）时，整个程序就按照设定程序运行。设计的系统是通过软件进行的调试，根据控制系统的设计要求画出梯形图，将梯形图编译在仿真软件中，编译后检查语法错误，成功后进行仿真调试，将仿真成功的梯形图转换成指令表。

在设计的过程中解决了如何实现倒计时显示功能和分时段的运行方式。5结论经过这次设计我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。而且通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些