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文档简介

基于PLC十字路口交通信号灯的设计摘要为设计一个不同于我们大街上常见交通信号灯的交通信号控制系统。通过对当前我国道路交通状况的调查以及分析后,提出了一套基于单片机技术的智能交通信号控制器设计方案,并详细介绍了该系统中各功能模块的实现过程。本专题综合了有关的调研与资料,期望能对路上车流流量进行有效控制,将交通压力降到最低我们知道,微处理器是可编程序控制器(PLC)的基础,主要将计算机技术与自动控制,通讯等技术结合,由此而开发出了新型工业型控制设备。据统计,在工业型自动化设备当中,应用最广泛的就是可编程序控制器。它是以计算机为核心的智能控制系统。多数专家认为,可编程序控制器将会是工业控制最重要的基础设备之一和最主要的方法,工业生产的三大支柱即将为CAD/CAM,机器人和PLC所代替。由于PLC对于其使用环境适应性非常好,而PLC内定时器资源也很丰富,因此,其能够非常准确地控制现在市面上普遍采用的“渐进式”信号灯,特别对存在多处岔路口时,控制效果十分显着。由于这一原因,PLC广泛应用于交通信号控制系统。不但如此,由于PLC自身通讯联网,能在一条路上把信号灯形成局域网,以及统一管理与调度,使得车辆通过等待时间得以大大缩短,从而达到对交通信号进行科学化管理。关键词:交通信号;PLC;控制目录TOC\o"1-3"\h\u19332第1章前言 第1章前言现代通行离不开交通灯,其发展则有相当长的历史。它是以计算机为核心的智能控制系统。当前人类工业文明正在迅猛发展,各种交通工具层出不穷,汽车更几乎快要成了不可缺少的利器。随着经济的高速增长以及城市人口的增加,城市交通拥挤已经到了前所未有的地步。由于广泛采用了这些通行工具,致使旅行越来越便利,但与此同时,人们正面临着严重的困扰,是交通压力逐步变大,几乎每个交叉口交通控制信号系统都开始无法满足要求。于是,交通灯的发明就成了解决这个问题的最有效方法之一。全世界第一盏交通灯位于伦敦街口,以煤气为能源,只有红,绿色,由英国工程师纳伊纳伊特安装。这种交通灯在最初的时候并没有什么特殊之处,只是为了防止行人和车辆因为闯红灯而受到伤害而已。尽管还能达到交通信号控制功能,但不久之后,在爆炸事故发生之后,这类交通灯就这样退出历史舞台。直到二十世纪八十年代初,才重新研发出一种新型的交通灯——电子红绿灯。此后40多年后,交通灯再一次进入我们的视线,第一个以电力为动力的交通信号灯,是美国人克利夫兰斯发明的,并在各大城市普遍安装,以电力为动力的交通灯和现代交通控制信号系统雏形初现。不过当时的交通灯还是采用传统的机械结构进行控制的。之后因引入交通信号自动化控制,交通灯发展上升到一个新水平。在上个世纪八十年代初,世界各国都已经意识到了交通信号灯对于交通安全所起的作用,并制定了一些相关的法规和标准,以保障交通安全。如果是左转或右转,则要等待其他车道的车辆到达后再进行转道。绿灯时行驶,绿灯所处车道上的汽车可选择直行或左转弯,右转弯。黄灯的时候停,黄灯所在的车道上没有车辆行驶。黄灯亮了,适当等一会儿,黄灯所处车道上的汽车需减速行驶,必要时,必须选择终止,但另一方面,如果汽车已很靠近停车线,因而不能安全停车,车辆可直达交叉路口。这就使得传统的红绿灯变成了一个临时限速器,而不是真正的信号灯。由于采用了新型交通灯,交通规则清晰,城市交通压力大大提升,人们出行开始便捷起来。

第2章总体方案的设计2.1PLC的基本结构总之计算机控制系统与PLC很类似,所以PLC还有带存储器,电源、输入输出接口、中央处理器等等,具体情形见图2-1:图2-1PLC的基本结构2.2PLC各部分作用(1)中央处理单元在实际工作当中,如果要想让计算机能够正常地运转起来的话,那么就需要用到中央处理单元,因为它是计算机系统当中最为重要的部件之一。微处理器按系统中程序交给他的工作方式工作。在使用过程中,微处理器会将处理后得到的结果传送至相关的存储器之中。对于它,控制并保存用户数据接收并转发过程;将所收到的资料存入储存器;以及根据存储的结果控制执行相关操作等等。针对电源及PLC内部可能发生的电路故障;PLC开展工作时,用户命令由储存器呼叫,后加以解译,后转发并统计;借助计算得出,将与输出映像寄存器有关的信息更新。通过这样的方式能够有效地提高系统的稳定性,降低了运行时产生的误差,使得整个控制系统可以正常运转。此后在借助于输出部分来执行打印表和通讯连接的动作。(2)I/O单元I/O单元为PLC提供输入输出设备。输入口可以输入场景中的全部输入信号,并转换为中央处理器可接收的信号,最后送CPU操作;反之,输出单元则是把CPU的输出信号变换为控制器可以接收到的信号,接着又用于驱动多种设备。(3)存储器针对系统的程序存储器,它所能起到的价值所在,就是把厂家所编制的系统程序保存起来,并固定于存储器中,不允许被改动。所以,如果系统程序出现了问题,则需要及时对它进行处理,以确保整个系统运行稳定、安全,避免影响到生产效率。系统程序等价于完整操作系统,他和PLC性能息息相关。(4)编程器编程器的功能就是给用户一个功能平台,实现程序的编辑与调试,监视,这是可编程序控制器中最重要的装置之一。(5)电源单元电源单元的惟一功能是为PLC供电,是可编程序控制器继续运行的唯一保证。2.3总体方案设计以PLC为核心的自适应交通灯智能控制系统包括车流量检测系统,PLC等、控制中控台的三个主要部分构成,它的控制结构图见2-1。图2-1基于PLC的自适应交通灯控制系统结构图车流量检测系统负责对每个交叉口在单位时间内(60s)经过该交叉口的汽车进行检测,以及发送检测结果至PLC中;所述PLC基于车流量检测系统所记录的信息进行检测,根据预设的控制规律,对对应交通信号灯进行控制;同时接收来自于控制中心发出的指令,以实现自动控制功能。中控台主要用于控制系统运行模式,例如自动运行模式、人为干预的运行模式等等。本研究设计了基于单片机和无线传输技术的智能交通信号控制器。自动运行模式,如东西向或南北向车流量均小于15辆/min,然后系统按照定时切换的方式进行控制操作,双向绿灯都是40s、黄灯是3s,红灯43s开关操作;如果某个方向每分钟车流量在15以上,30以下,那么应该把绿灯调到50s,黄灯调到3s,另一向绿灯30s,黄灯3s;当反向车流较多,正向流量较多时,可将反向绿灯区改为单向白炽灯带,以增加交通通行能力。若某一向若某一向每分钟车大于30,那么这个方向绿灯调到70s、黄灯调到3s;当两相向车流流量相差不大,但方向相反时即反向设置。当两个方向的车流量都处于相同范围时,车流量大历来控制优先,如果两个方向的车流量都处于相同的范围内,并且相等,则,东西控制优先。

第3章系统硬件设计3.1系统主电路设计所述定时系统包括定时器,时间状态显示器及其它部件包括其中,定时器是用两片CD4029组成的二位十进制可预制减法计数器来实现,时间状态通过2片74LS47,2个LED数码管显示减法计数器的页码。由于本电路采用了两级结构,即加法计数器与减法计数器均为两位八路单向三态门来完成计时功能,因此在实际应用中可以同时使用两个或多个器件完成计时功能。预设在减法计数器上的时间常数,一般由两片八路双向三态门74LS245来完成。按照设计要求,交通灯控制系统应有定时器,可以自动加载各种定时时间,以便在30s内执行定时任务。3.2地感线圈的工作原理该系统由东南,西北四个方向地感线圈探测车流量的多少,判断各交叉口的繁忙程度。由于本电路采用了两级结构,即加法计数器与减法计数器均为两位八路单向三态门来完成计时功能,因此在实际应用中可以同时使用两个或多个器件完成计时功能。在本设计中,交通路口的处理方式得到简化,仅考虑每个方向仅有一个直行道,再在离路口30米处铺一层地感线圈,并以此对车流量这一复杂状况进行了统计。同时也对各交叉口的信号灯和交通灯的状态以及车辆行驶速度等信息进行采集。具体情形见图3-1,图3-1十字路口地感线圈布置图本设计中,每次有车经过十字路口,肯定要经过地感线圈N和S,接着地感线圈产生脉冲信号,并传输到PLC内部,然后做加1运算,PLC对脉冲信号进行统计,也就是各路口车流量,分别对南北向及东西向车流量X,Y进行了统计,最后,将俩数值X,Y进行对比,可以判断南,北,东,西段车流量是否错综复杂,若车辆流量大,那么,在这个方向上绿灯时间就会适当加长,这样循环往复地对比,但是不应大于一最大值。3.3地感线圈的选择本设计以地感线圈检测车流量为中心,所以对于地感线圈来说,其选型显得尤为重要。由于地感线圈是一种无源器件,所以它的电流与电压都受到一定程度上的限制,而且其输出的电流和电压也不是固定不变的,而是会随着外界环境以及自身参数等因素而变化的。若要让地感线圈合理运行,则应使电感线圈电感量维持在100uH~300uH之间,那么,在线圈电感没有变化的条件下,线圈匝数与周长密切相关,若周长越小,伴随着线圈匝数越大,具体情况可参考表3-1。表3-1线圈匝数的参考表在实践中,在敷设线圈时,有可能出现种种问题,但是本设计只注重仿真,因此,没有进行过多的思考。由于地感线圈是一种无源器件,所以它的电流与电压都受到一定程度上的限制,而且其输出的电流和电压也不是固定不变的,而是会随着外界环境以及自身参数等因素而变化的。根据本设计确定内径尺寸选用1.8×2.3CM、外径大小为2.0×2.5CM、匝数180匝。3.4信号转换装置本文主要研究了电磁感应加热设备中线圈的参数对温度分布和温升速率的影响情况。原理图见3-2。图3-2信号转换装置电路原理图共射极振荡器包括U1,U2两部分,并将两三极管公共射极电阻换成R3,整个系统形成了正反馈系统。在此过程中,通过检测电容和电阻之间的电压差就可以实现对输入电源频率的控制,从而达到调节输出电流大小的目的。地感线圈T和振荡回路组成LC谐振电路,T为信号元件,用作电感元件的检测电路。当车辆行驶于公路上时,由于地面上存在着各种金属物体,这些金属物质都将对线路产生感应磁场。当金属物环绕,它将引起介质的改变,导致一系列物理量发生变化,如果震荡频率将上升,进而影响单位磁通量上升,最后线圈的电感值改变,这时LC谐振频率变化。为了达到上述目的,本文设计了一种新型共反射极型电流源——共射-反射极电流源。3.5交通灯选型该振荡电路具有较好的稳定性及良好的线性度。在具有多个中色彩的信号灯集合中,每种色彩又被独立地控制。为了能够对交通信号灯进行统一管理和协调,就需要使用一个具有一定功能的系统来完成。这样就可以把每个信号灯分成几个子灯组,每个子灯组对应一个开关管或者一个干簧管。交通灯各中色仅向PLC返回1对干触点信号,再经线路保险后传输到PLC输入接口模块。控制算法之上更有多重闭环控制,其响应时间应小于0.5秒。图3-3交通灯内部线路图该系列产品完全满足了我国公安部对交通安全产品三五一级W型规定的最高标准。3.6PLC的I/O地址分配具体的输入/输出地址分配参考下表3-2,本PLC接线输入采用交流220V,输出采用直流12V。表3-2输入/输出地址分配表3.7PLC的外部接线及原理因为这种装置的稳定性能够得到有效保障,而且其操作简单方便,因此本文就对基于单片机技术的智能交通灯进行了研究分析,以供参考交流。系统原理图如图3-4。图3-4系统原理图

第4章系统软件设计4.1编程软件的选取目前,市面上已有很多种类用于PLC编程和监控的软件,本设计确定使用GXWORKS2这套软件,这是三菱电机发布的三菱综合PLC编程软件。并广泛应用于各类三菱PLC系统,与本设计使用三菱FX2N―64MT―001型号PLC吻合度较好。4.2编程软件的使用方法就像学过编程软件,在为程序的监视做准备之前,均需新建项目,并将本设计交通信号灯梯形图录入工作区,然后就可以监控程序执行情况了,校验设计是否可行。梯形图建立接口如图4-1中:图4-1编程软件的设计界面该接口采用梯形图工具栏功能指令、触头,线圈和画线这样的工具就可以在程序编译区编译程序了。通过本文介绍的方法可以很容易地实现这些功能,并为以后开发其他类似的系统提供了方便和参考。经过对节目的编辑,进行变换操作。通过对输入数据或输出图形的改变来达到修改程序的目的。转换的这个过程是为了检验编译后的程序能否达到要求与标准。经过程序检查,没有错误,就可以启动监控运行设计梯形图。这种方法称为“模拟法”。具体方法是在调试菜单中直接调用“仿真启动/终止”指令,仿真运行启动后,当前值改变对话框可被调用。通过这种方式来调整程序执行过程中各阶段参数。并可投入待更改软元件,改变软元件存储值,对程序运行效果进行观察。当监控完成时,就会显示出相应的代码和数据了。监测完成后,编译状态需由读取模式转换为写入模式,才能重新修改程序。如果不经过再次重新编译,则只能执行原程序代码中的部分功能或不能正常工作。监控调试的启动接口如图4-2。图4-2编程软件监视设置界面4.3交通灯的时序分析通过设计交通信号控制系统过程,可概括为只要信号灯持续30秒钟以后,系统均对每次车流的流量数进行对比,由此得到的两个判断结果是共通的,再过30秒钟,就可以得到两个判断结果了。在编译时,首先要将这些功能指令转换成相应的符号并存入到对应的存储区中。再据统计,便可对各种可能的情况进行分析:(1)起初,南方和北方一片绿灯,而且东方和西方都亮起了红灯,经过30秒钟的维持,南方和北方绿灯初现,又变换成黄灯,终于跳到红灯了,同时,东方和西方交通信号灯也要改为绿灯。(2)起初,南来北往都绿了灯,而东、西两个方向都亮着红灯,经过30秒钟的维持,南北绿灯持续平光,东、西两个方向持续亮红灯;再经过30秒钟,南方和北方绿灯闪烁三秒钟后变换为黄灯,终于跳到红灯了,反之,东、西向转为绿灯。(3)第三种情况,南方和北方绿灯时间再保持30秒钟,但是在此背景下,不论对比结果如何,南北向绿灯必须闪烁三秒钟后才能发出,转换为保持两秒钟黄灯,终于跳到红灯了,这时,东方和西方都是绿灯亮。分析后发现以上3种情况很熟悉,且各条件间联系度较高,全系统程序循环执行,根据每次比对结果,可对交通信号灯时间长短进行智能控制,尽可能解决交通压力问题。这种方法称为“模拟法”。这里简要分析了第二种情形的时序,如图4-3:图4-3交通灯的时序分析图4.4系统的控制要求系统启动后,南北绿灯先,与此同时,东方与西方都亮起了红灯,在这一过程中,东南西北四个方向的地感线圈脉冲信号不停地计数。这是因为在每一个红绿灯周期内,每个车道上车辆数目是不同的。在30秒钟之后,定义南北方向上统计车流流量数X1,并将东,西两个方向上统计出的车流流量数界定在Y1上,然后把南北方向与东西方向所统计的资料X1跟比Y1。如果比较结果是X1大于或等于Y1,那么,该系统将在30秒钟内让南北向绿灯持续点亮,同理,东西向红灯应持续30秒钟,在这一进程期间,脉冲信号计数将以30秒钟为单位不断提高。过了30秒钟,南方和北方所统计的车流流量数,定义X2,东方和西方所统计的车流流量数都被界定在Y2上,再把南北方向和东西方向所统计的资料X2于Y2进行对比分析,如果比较结果是X2大于或等于Y2,那么南方和北方绿灯仍将持续30秒钟,同是东方和西方,红灯持续30秒钟。当这两个数值超过了一定范围时,就会出现红车与黑车之间的竞争现象。接着,南北向绿灯亮起三秒钟,又变换成黄灯,当然,过程中,东方和西方应同时维持红灯时间5秒钟。五秒钟过去后,南北向交通信号灯就开始变红灯了,与此同时,东西向交通信号灯变换为绿灯,所有各向脉冲信号计数应重新启动。东、西、南、北各方向信号灯连续工作30秒钟,按以上步骤进行,将东方与西方的车流流量数和南方与北方的车流流量数进行比较,以此循环。若是上文首次对比,X1低于Y1时就会发生,此时,南方和北方绿灯闪烁三秒钟后,变换为黄灯,维持两秒钟,同时,东方和西方红灯都亮起了五秒钟。五秒钟后切换到南北方向就是红灯,东、西都是绿灯,而且各向地感线圈都得重新启动车流量统计。当所有车辆都进入倒计时后,再通过这个时间来判断出是否有行人或其他物体经过路口或者过街。如此不断的对比。当对比东,西,南,北车流量时,总的概念是把车流流量较大的一个方向车辆行驶时间加长一些,车流流量较小方向又进行了适当观望。通过以上的分析我们可以看出,本设计中采用了基于模糊逻辑的控制策略来实现交通灯控制器,这样不仅能够降低能耗,同时还能保证较好的稳定性和实时性。但呢,无论如何,绿灯总时间不应超过90秒钟,当然,绿灯最短时间不应小于35秒钟。所以在这个时间段内,我们可以通过地感应线圈来判断出哪个路口的车流量较大。并且在数据比较以后,如绿灯持续,地感线圈统计的车流量数应该是在上一个30秒后继续统计的。也就是说当绿灯变成红灯时,就必须让所有行人都能通过,这样可以有效地防止交通堵塞现象的发生。也是绿灯转红灯时,地感线圈需要对车流量进行再次统计。4.5主程序的设计本程序设计过程中,以便能使程序更完善,以下几个问题值得深思。第一,对不同类型信号灯的设置方法要有所了解。一、关于各信号灯间联锁关系的考虑,这里所讲的联锁关系,代表了灯在不同方向间转换的联锁关系;同时也要对整个系统进行整体分析,以达到优化的效果。二是如何对子程序能用,处在这一点上考虑的根源就在这个设计上,有许多部分在功能上完全一样。因此,如果要对其进行修改的话,就必须按照一定的顺序来进行改变,这样才能达到预期效果。因此,当程序编制完成后,对该程序模块化处理,因而使需要产生时,能直接使用;并且在具体实现时也会对其做出一定程度上的改动。第三涉及脉冲信号计数清零,每当一侧灯光从绿灯到黄灯,又到红灯时,脉冲信号的计数均应清零。当脉冲数达到一定数值时,就可以通过计数器对其进行计数了。而在这之前,脉冲信号均要累计计数。表4-1元件符号及意义表4-2元件符号及意义图4-4流程图的设计图4-5程序监控界面

第5章调试与仿真5.1MCGS的基本介绍对MCGS来说,是可以高速构造和执行计算机监控系统构成的配置软件。仅借助Windows系统即可开展工作,借助野外收集的资料,给用户显示动画,发出警报、曲线和其他方法进行方案展示。通过对这种形式所显示出来的信息和结果,可以为工作人员提供参考依据。微软公司视窗系统可以充分发挥它的性能,Windows系统拥有超强的图形功能和和方便的操作流程,对MCGS而言,此时是最恰当不过了,也正由于搭载了Windows系统,使其与以往用专用机研制相比,具有通用性能,有了更出色的成绩,并且也能够完全的实现自动化。对MCGS来说,它本身所具有的独到之处就是可以直观地展示信息,并且画面较为简单;在显示过程中采用了并行方式来对数据进行传输和存储。并行处理也更强悍了;可以实现多种媒体形式的结合,使得整体应用效果较好。多媒体动画内容也比较丰富,能较好地显示资料;此外,还具有良好的人机交互性以及开放性。结构为开放式,在数据获取中的角色是极为宽泛的,并且在对数据进行处理的时候也较为便捷;同时网络传输能力较强。安全机制的标准更高了,能满足信息保密需要;同时还能实现与其他设备之间的通信。连接互联网的作用;便于用户之间以及与外界进行通信等特点。对数据保存采用了数据库,该体系更可靠,更完善;能使控制系统达到分布式管理目标。MCGS系统环境组成是组态环境和运行环境。在这个基础之上,我们可以将其作为一种全新的计算机监控方式,来对整个系统加以管理。利用MCGS开发组成的用户应用系统,能设定为5个部件,由此形成结构,分别设有主控,装置、用户3个窗口和实时数据库及运行机制。在实际的设计过程中,通过对这四个模块的合理组合,使得系统具有良好的可扩充性以及稳定性。在组态工作中,用户仅有一个由系统给出的空框架,但该框架可以独立完成,并且还有着极为强大的动画和功能部件存在其中。在设计过程中,需要对这两个部分都要予以重视。假设要构建应用系统的第一步,进入配置的环境,利用系统所持之功能或组件来建构系统,配置全部参数,这样,它就成为一项功能强大,实用性强的项目;同时还可以通过这个界面来观察整个系统是否正常运转。步骤2,运行环境在组态环境下接收结果。第三步,根据这些结果来完成对该应用系统的设计与开发,最终在运行过程当中得到验证。二者相结合,组成应用系统。5.2MCGS组态环境的创建为了用MCGS来模拟交通信号控制系统,必须定义各种变量,一,新建项目,打造全新工作窗口,仅在此工作窗口内,才可设计出所需仿真图。在这个基础之上,我们可以将其作为一种全新的计算机监控方式,来对整个系统加以管理。接着是实时数据库中各类变量的定义,在MCGS软件中设置最为基础。接着是根据系统模型的结构以及运行时参数变化而产生的相应数据。最后,定义了各类变量后,才能设计出相应脚本程序,对该系统进行了仿真和初步设计。本文介绍了如何通过编程实现这些功能,并且给出了一些流程图,以及相应的源代码。具体过程见图5-1、5-2。图5-1用户窗口图图5-2变量定义图5.3MCGS组态软件模拟运行当各项参数均设定后,即可仿真所设计控制系统图,单击输入操作选项系统启动模拟操作,运行画面如图5-3:图5-3控制系统仿真图结论对这个设计我的初衷就是要设计一个与我们大街小巷中常见交通信号灯不同的交通信号控制系统。因为这种系统能够根据不同路段车流量的大小来自动调节交通流量,从而避免了因路口拥堵造成的交通事故,也减少了由于交通堵塞导致的资源浪费。我们大街上经常看到的交通灯,每一个信号灯时间是固定的,不因车流量不同,交通信号灯时间长短也不同,所以经常发生堵车。本次设计可对路面车流流量进行有效控制,将交通压力降到最低,受个人所学的限制,设计上也有缺陷。本文主要介绍了基于单片机的智能交通指挥系统

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