【基于PLC的交通十字路口红绿灯控制系统设计与实现8100字（论文）】

基于PLC的交通十字路口红绿灯控制系统设计与实现目录内容摘要目录TOC\o"1-3"\h\u32395一、引言 18063二、智能交通红绿灯控制系统原理 223018（一）红绿灯工作流程图 24614（二）红绿灯工作模式 213832（三）系统设计要求 376011.手动控制 34152.自动控制 48393.特殊车辆检测 4152074.流量监测 4193115.夜间检测 425359三、硬件组成部分和设计思路 412852（一）可编程序控制器 431532（二）LED交通灯介绍及特点 621442（三）数码管介绍及特点 727508（四）传感器介绍及特点 719502四、软件系统设计 819968（一）I/O端口的分配 919002（二）梯形图程序部分的介绍 10182821.手动往复模式 10218762.自动控制模式 11186823.特殊车辆控制模式 12189844.车流量检测 13218405.夜间模式检测 1425076（三）检测与调试 15253741.硬件调试 1556442.软件调试 155873五、结论 15交通十字路口红绿灯控制系统内容摘要：随着时间推移，我们来到了21世纪，科技的发展和社会的进步预示着我们现在的生活中必定充满着智能和自动，智能化和自动化在当今社会发挥着无法替代的作用。就连最简单的交通红绿灯也要通过计算机进行智能自动控制。本次智能交通系统设计是采用PLC对十字路口红绿灯进行控制，它的控制方法是采用欧姆龙CP1-E系列PLC对东西南北四个方向的红绿灯，按照程序设定的秒数循环点亮。多个计数器和定时器使得四个方向的红黄绿灯可以自动切换，同时包括了流量监测，黑天模式和白天模式的判定。大大提高交通运行效率，减少交通堵塞的情况。关键字：PLC；LED交通红绿灯；数码管；自动控制一、引言现在社会已经远不像以前那样车辆和行人稀少，现代交通已经十分拥挤。那么面对发达的交通系统，我们就需要红绿灯来控制交通。十字路口红绿灯控制系统是通过红绿灯的自动循环点亮，使得人和车辆安全通行，大大提高交通运输效率。但是道路交通系统是一个很随机的复杂系统。交通路口车辆众多，南来北往，行人熙熙攘攘，有机动车道，自行车道，人行横道等多条道路交错复杂。如果指挥不适当，极容易发生交通事故，将会给个人、家庭甚至国家造成不可估量的损失。如果交通拥堵，特殊车辆不能及时到达，将极大的威胁到他人的生命财产安全。所以有一套健全的交通指挥系统是十分重要的，那么依靠什么来完成井然有序的控制呢?依靠的是交通红绿灯自动循环指挥。首先，这样节省了大量大警力财力，为国家和社会节省了大笔开支。其次，不需要考虑天气外部环境的影响，无论风吹雨打，酷热严寒等多么恶劣的环境，交通红绿灯都可以一直工作。提供24小时服务，避免人力疲劳工作，频繁换岗等麻烦。并且可见度很高，在沙尘天气，大雾天，雨天雪天都清晰可见，极大的减少了交通事故发生的频率。最重要的是可利用太阳能供电，减少能源的损耗，因为“绿色”是当今世界的主流，这也呼应了国家的节能减排政策，有利于环境的保护[1]。PLC是根据继电器逻辑控制系统发展的。60年代的时候初次使用PLC，直至现在PLC迅猛发展，特别是在数据处理、程序控制等方面，PLC都具有很高的地位，经过多年发展可编程序控制器（PLC）已经成为工业自动化控制极佳的工具，被世人广泛利用。那么交通控制系统是怎么实现红灯、绿灯、黄灯三种颜色红绿灯按照固定的秒数有条不紊工作的呢?其实交通红绿灯控制方法有很多种，可以利用电子线路来完成，也可以用单片机嵌入式系统编程来完成。相比于单片机，PLC控制交通灯的优点更多，那么本篇论文我们主要来介绍PLC是如何控制十字路口红绿灯的。二、智能交通红绿灯控制系统原理（一）红绿灯工作流程图红绿灯工作时先检测当时是夜间还是白天，在夜间模式时减速慢行灯亮，白天模式时东西向绿灯先点亮，一段时间后黄灯闪烁，再允许东西向左转。之后南北向绿灯点亮，一段时间后黄灯闪烁，再允许南北向左转。开始时先监测是否有特殊车辆经过，若有，直接将该向车道红绿灯变为绿色，之后还需要检测道路拥堵情况来决定是否延时[2]。如图2.1所示。图2.1红绿灯工作流程图（二）红绿灯工作模式本系统共有16个红绿灯构成，东西南北四个方向各有红黄绿三色红绿灯和左转红绿灯，红绿灯的亮灯方式如图2.2所示。图2.2红绿灯工作示意图红绿灯有两个控制模式：当红绿灯处于手动往复模式。手动开关SA1接到上触点时，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮。SA1指向下触点时，东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮。当红绿灯处于自动控制模式时由一个开关控制，启动后，系统开始工作，南北向红灯先点亮，同时东西向绿灯点亮。南北向红灯点亮持续45秒，东西向绿灯点亮20秒熄灭，东西向黄灯闪烁5秒（周期为1秒）后熄灭，东西向左转箭头点亮20秒，20秒后东西向左转箭头熄灭。东西向红灯点亮持续45秒，南北向绿灯点亮20秒熄灭，南北向黄灯闪烁5秒（周期为1秒）后熄灭，南北向左转箭头点亮20秒，20秒后南北向左转箭头熄灭，往复循环。如图2.3所示。图2.3红绿灯亮灯脉冲图（三）系统设计要求按照系统设计要求，绘出流程图，交通灯点亮示意图，以及用PLC编程出手动和自动控制交通灯，二者可随意切换，不影响正常的交通通行。1.手动控制通过开关控制，使得交通灯可以关闭和开启，并且在人为的控制下管理其运行，在手动模式下可以直接对交通灯实行控制。当PLC内部或者连接出现问题时，能够及时停止交通灯指挥交通，防止因交通灯的错误指挥而导致交通事故的发生，而当发生交通事故时，可以人为控制交通灯，从而指挥交通，避免了交通堵塞，也给交警处理现场事故提供了空间，避免出现二次事故。当单向车道车流量极大时，可以人为控制该向车道绿灯点亮，使车辆通行更加顺畅，节约了时间成本。当机器出现故障时人为控制能够及时的修复交通灯故障，保障交通灯安全有效的工作[3]。2.自动控制当设备运行良好时，采取自动控制，交通灯按照设计好的程序，无限自动循环，能够实现无人化管理交通，将交通治理的井然有序。这也能降低人为指挥交通的错误率，而且不受天气时间影响，24小时指挥交通，确保交通网络充分利用。3.特殊车辆检测交通运输行业的发展，给120、119等救援车辆提供了便利，也实现了救援车辆和特殊车辆能够更快的到达现场实施救援，挽救他人生命财产安全，这都是建立在发达的交通网络的基础上。但是如果出现堵车的情况，那么救援效率也会大打折扣。这就要求我们的交通灯智能化指挥，当十字路口摄像头拍摄到外形为120、119车辆时，立刻与我们数据库中存储的车辆类型相比较，如果相似，则确定该车辆为特殊车辆，该摄像头所在车道交通灯变为绿灯，当摄像头拍摄到它通过后，变为自动控制模式从而让特殊车辆畅通无阻，既保证了救援行动的进行，又避免了特殊车辆闯红灯时交通事故的发生[4]。4.流量监测我们利用红外线流量传感器来判断车流量，传感器可以计算出每向车道距离十字路口100米的范围内车辆的个数，当该段路程车辆数大于100时，那么需要该系统自动延长绿灯时间，当该段路程车辆数小于100时，即为小车流量模式，那么采用正常控制模式即可。这种智能控制系统加快了车辆通过的效率，避免交通堵塞[5]。5.夜间检测白天的时候车辆多，交通繁忙，我们需要智能交通控制系统来指挥交通，当凌晨12点到早上六点的时候，此时司机大多疲劳驾驶，夜间视线不好，而且路上车辆少，有的司机超速驾驶，此时系统根据程序设定好的时间，自动亮起夜间慢行灯，来提醒司机减速慢行注意安全[6]。三、硬件组成部分和设计思路本章主要讲述了智能交通系统的硬件组成，介绍了我们所用的PLC、LED交通灯、数码管、流量监测器等所需的硬件设备的发展以及优点，同时还配备了各个硬件的原理图，详细的介绍了其工作方式。（一）可编程序控制器我们这一次设计选择的PLC品牌是欧姆龙。欧姆龙PLC是一款性能优异，覆盖面广，功能齐全，价格便宜的PLC。其内部结构十分灵活多变，适用于众多工业部门，同时还可以对内部电路板进行升级，从而获得更高的性能，其接线也十分简单，0.00作为输入端口，100.00作为输出端口，同时采用220V电源供电[7]。如图3.1所示。图3.1PLC接线图我们这次使用的是整体式PLC，整体式PLC将微处理器（CPU），输入输出单元，存储器，电源设备都安放到主机中。并且，PLC使用独立的I/O扩展单元。PLC的核心元器件就是CPU，其控制着PLC输入输出元件，控制整个PLC运行。I/O扩展元件主要是CPU和外设之间的接口电路。接口用于PLC主机与工业设备连接。如图3.2所示：图3.2整体式PLCPLC的特点有：（1）抗干扰能力强，可靠性高PLC用软件代替实体电器元件无需太多电器元件和导线，出现故障的可能性小、维修起来也简单方便。（2）机械结构齐全，功能强大，适用性广泛，编程方式多现在的PLC经过发展已经可以进行独立的数据运算，控制机器进行工业化生产。（3）编程简单，操作方便，操作的错误率低，被工人广泛接受PLC作为微处理器广泛用于工业制造生产，易于学习，为不擅长电子、不懂微机原理和汇编语言的人从事工业控制提供了方便。（4）体积小，重量轻，耗能低PLC经过多年发展，体积越来越小，机器和微处理器在同一体积内，有利于实现机电一体化。（二）LED交通灯介绍及特点LED交通灯其实就是我们日常生活中十字路口所用的红绿灯，由多个发光二极管组成，当发光二极管正向工作时，电流从阳极流向阴极，半导体就会发出不同颜色的光。LED交通灯由红灯、黄灯、绿灯、左转箭头、倒计时显示等器件组成，众多的优点使它逐渐被世界各地的十字路口所应用。我们用D1-D12来代替各个路口的红灯黄灯绿灯，LED交通灯中发光二极管连接原理图如图3.3所示。图3.3LED交通灯原理图它主要特点有：（1）可见度高：在面对大雾天气，扬尘天气，暴雨天气，暴雪天气，持续光照等恶劣天气下，LED交通灯依然能够准确指示，并且穿透能力强，亮度大。（2）节省能源：LED交通灯不同于传统的钨丝灯，LED光源将所有的电能都转化为光能，而普通的光源只有很少一部分电能转化为光能，大部分都转化为热能，所以，使用相同时间的红绿灯，LED光源更省电。（3）产热低：LED光源将绝大部分电能都转化为光能，而普通的光源大部分都转化为热能，所以LED红绿灯相比与普通红绿灯产热更低。（4）使用时间长：LED红绿灯产热低，消耗少，同时无灯丝震荡，所以使用时间更长[8]。（三）数码管介绍及特点数码管又叫做LED数码管，它主要分为七段式数码管和八段式数码管，由于交通灯时间不需要显示小数点，所以从节省资金的角度来看，我们选择七段式数码管更划算。数码管的点亮和熄灭由高低电平控制，这就需要看数码管的连接方式。其两种连接方式分别是共阴极和共阳极连接法。共阳极是将数码管阳极接到一起然后接到+5V，当阴极为低电平时点亮，高电平时不点亮；共阴极是将数码管阴极接到一起然后接到GND上，当阳极为高电平时点亮，低电平时不点亮，本次设计我们使用的是共阳极的连接法。其优点是消耗电流小，电路简单，亮度大，显示清晰。图3.4数码管原理图（四）传感器介绍及特点我们所用的传感器是用来检测车流量的大小，通过红外线传感器向地面发射红外线，遇到汽车阻挡时迅速传回即记为一辆车，通过传来的数据分析，可以计算出每分钟的车流量大小，从而使系统自动控制交通灯的指示时间达到尽快梳理交通的目的。这种传感器灵敏度高，受天气影响小，且不易损坏，被广泛用到交通、军事等行业[9]。我们所使用的传感器类型如图3.5所示。图3.5红外线传感器四、软件系统设计本章我们主要介绍的是控制系统的软件设计部分，简述了我们编程所用的软件CX-programmer，以及对应的梯形图功能介绍，详细的描述了系统工作的流程，同时对已经完成的程序进行检测，达到最佳的使用效果。CX-Programmer是对欧姆龙PLC编程和设备维护的软件，可以实现梯形图、语句表在线编译运行，可以根据自己的需要选择CP1-L、CP1-E、CP1-H等不同的设备类型，它包括了菜单条、工具条、工程窗口、图表工作窗口、输出窗口等多个窗口，用途广泛。软件中各种开关、触点、继电器、线圈等元件十分丰富且操作简单[10]。图4.1程序运行流程图我们用CX-Programmer制作程序时，要先画出程序运行流程图，如图4.1所示。首先根据我们的需要选择手动模式或者自动模式。选择自动模式后，需要编写程序，根据系统时间判断出当时处于黑夜还是白天，若为黑夜则选择夜间模式，减速慢行灯亮起，若为白天则需要检测是否有特殊车辆通过，如果没有，判定是否堵车，是否需要延时，如果不堵车，则启动自动控制程序，南北向红灯先点亮，同时东西向绿灯点亮。南北向红灯点亮持续45秒并显示在数码管上，东西向绿灯点亮20秒熄灭，东西向黄灯闪烁5秒（周期为1秒）后熄灭，东西向左转箭头点亮20秒，20秒后东西向左转箭头熄灭。然后东西向红灯点亮持续45秒并显示在数码管上，南北向绿灯点亮20秒熄灭，南北向黄灯闪烁5秒（周期为1秒）后熄灭，南北向左转箭头点亮20秒，20秒后南北向左转箭头熄灭，往复循环。如果堵车则需要延时20秒后，再启用自动控制。如果有特殊车辆通过，需要将该向车道交通灯变为绿灯，车辆通过后再启用正常控制模式。（一）I/O端口的分配我们将I/O端口根据自己的需要合理分配0.00-0.04作为输入端，分别连接各种调节模式开关和特殊车辆检测开关，0.10,0.11分别连接着流量检测开关。在输出端100.00-100.08分别连接着不同的灯，101和102连接着传感器和检测器件，具体分配方式如表4.1所示。表4.1I/O端口分配输入输出0.00模式调节100.00手动模式0.01手动开关SA1100.01自动模式0.02开关SB1100.02南北绿灯0.03东西检测开关100.03东西红灯0.04南北检测开关100.04南北红灯100.05东西绿灯100.06东西黄灯100.07东西左转灯100.08南北黄灯101.00南北左转灯（二）梯形图程序部分的介绍1.手动往复模式首先将智能交通灯系统开关打到手动往复模式，单刀双置开关SA1接到上触点时，闭合常开触点0.01，南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，同时0.01常闭触点断开，南北向红灯熄灭，东西向绿灯熄灭。SA1接到下触点时，常闭触点0.01闭合，常开触点0.01断开，东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，南北向绿灯熄灭，东西向红灯熄灭。程序如图4.2所示。图4.2手动往复模式2.自动控制模式由一个开关控制，当SB1启动后，闭合常开触点0.02，系统开始工作。当SB1断开时，所有灯熄灭。系统工作时，南北向红灯先点亮，同时东西向绿灯点亮。南北向红灯点亮持续45秒，东西向绿灯点亮20秒后熄灭，东西向黄灯闪烁5秒（周期为1秒）后熄灭，东西向左转箭头点亮20秒，20秒后东西左转箭头熄灭。东西向红灯点亮持续45秒，南北向绿灯点亮20秒后熄灭，南北向黄灯闪烁5秒（周期为1秒）后熄灭，南北向左转箭头点亮20秒，20秒后南北向左转箭头熄灭，往复循环。图4.3自动模式分析梯形图即为：闭合常开触点0.02，南北向红灯点亮，东西向绿灯点亮，常开触点100.04闭合，同时计时器T0，T1，T2开始工作，20S后计时器T1到达指定时间，常闭触点T1断开，东西向绿灯熄灭，常开触点T1闭合，东西向黄灯由1S时间脉冲控制，闪烁间隔为一秒，5秒种后，计时器T2到达指定时间，T2常闭触点断开，东西向黄灯熄灭，T2常开触点闭合东西向左转箭头点亮，20S后计时器T0到达指定时间，常闭触点T0断开，南北向红灯熄灭，东西向左转箭头熄灭；南北向红灯熄灭后，常闭触点100.04闭合，南北向绿灯点亮，东西向红灯点亮，同时计时器T1，T2，T3工作，20S后，计时器T1到达指定时间，T1常闭触点断开，南北向绿灯熄灭，T1常开触点闭合，南北向黄灯点亮并且由1S时间脉冲控制，闪烁间隔为一秒，5秒种后计时器T2到达指定时间，T2常闭触点断开南北向黄灯熄灭，T2常开触点闭合，南北向左转箭头点亮，20S后计时器T3到达指定时间，T3常闭触点断开，南北向左转箭头熄灭，同时计时器T1，T2复位。由跳转符号跳转往复循环，如图4.3所示。3.特殊车辆控制模式当南北方向检测到特殊车辆时，不经过正常控制模式，南北方向立即变为绿灯，东西方向立即变为红灯，车辆通过后，变为正常控制模式；东西方向检测到特殊车辆时，不经过正常控制模式，东西方向立即变为绿灯，南北方向立即变为红灯，车辆通过后变为正常模式。图4.4特殊车辆通过模式分析梯形图即为：当东西向检测开关监测到特殊车辆时，立即闭合常开触点0.03，同时0.03常闭触点断开，常开触点101.01闭合，跳转指令直接跳转至特殊车辆经过时的控制程序，同时100.05点亮，东西方向绿灯点亮,100.04点亮，南北红灯点亮。当南北向检测开关监测到特殊车辆时，立即闭合常开触点0.04，同时0.04常闭触点断开，常开触点101.02闭合，跳转指令直接跳转至特殊车辆经过时的控制程序，同时100.02点亮，南北方向绿灯点亮，100.03点亮，东西方向红灯点亮，如图4.4所示。4.车流量检测图4.5车流量检测当红外线流量检测器检测到东西向车道的车流量过大时，则检测开关0.10闭合，102.00接通，常开触点闭合，定时器T05接通，20S后，T05到达指定时间，T05常开触点闭合，启用正常控制模式。当红外线流量监测器监测到南北向车道的车流量过大时，检测开关0.11闭合，102.01接通，常开触点闭合，定时器T06接通，20S后，T06到达指定时间，T06常开触点闭合，启用正常控制模式。通过延时定时器，达到绿灯延时的目的，如图4.5所示。5.夜间模式检测图4.6夜间模式检测在PLC系统中，A353，A352，A351分别代表着系统时间中的年月日时分秒，在我们本次试验中只需要小时，所以我们用A352通道，将0点和6点放入通道D0，D1中，我们用系统时间除以100得到的小数就是小时，并将其存放在D8001中，将D0，D1中的数值与D8001中的数值比较。若D8001中数值大于0小于6时，103.00闭合，夜间慢行灯点亮，大于6时，103.01断开，夜间慢行灯熄灭。程序如图4.6所示（三）检测与调试1.硬件调试检查PLC各个硬件连接有无断点或者接触不良；给硬件电路加电，用电压表测量各个端点的电压值是否正常。联机检查，因为只有用PLC开发系统才能完成对用户系统的调试。将硬件电路分块，把无关元件从该电路中除掉，就可以确定故障元件的范围。2.软件调试软件调试就是利用CX-programmer通过对编写好的梯形图程序的编译、连接、模拟来发现梯形图中存在的连接错误，电气符号使用错误和逻辑错误并且排除警告纠正错误的过程。如果有错误，应返回编程梯形图页面，认真检查梯形图纠正错误再进行调试，如此反复实验直到调试成功。基于我们本次试验，我们利用软件中的在线模拟功能，当开关按下选择手动模式时，上下触点不断转换，南北向和东西向绿灯能够交替点亮证明手动模式正确，当选择自动模式时，按下开关，定时器能够准确定时，并且在定时器达到相应时间时，能够连接和断开相应触点，且各个灯能够按照程序点亮熄灭证明自动模式正确。如果出现定时器不能够定时、触点不能准确的断开和连接、LED灯不能根据程序点亮，则证明程序出现错误，我们需要根据软件提示找到相应的错误并且改正，直至试验成功。五、结论经过这次毕业设计，加深了我对PLC知识点的印象，我深刻的认识到基础知识学习扎实的重要性，在完成毕业论文时，经常因为忘记知识点而去翻书，浪费了很多时间。刚开始对论文没有头绪，通过和小组的同学不断讨论，上网查阅资料，一遍一遍的重复修改程序，终于有所头绪，慢慢的整理出这一篇论文。这让我明白了能够独立思考独立完成任务是十分重要的。但是，有些事光靠自己也是不能完成的，需要和同学一同努力才能够实现目的，如果没有与同学的相互交流就很难写出一篇优秀的论文。刚开