本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）基于PLC的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計二級學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動化完成日期2014年5月14日A基礎(chǔ)理論B應(yīng)用研究C調(diào)查報告D其他目錄1緒論111課題背景112主要研究內(nèi)容113系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計1131繼電器接觸控制2132單片機(jī)系統(tǒng)控制2133可編程序控制器控制2134控制方案的確定22系統(tǒng)硬件設(shè)計321系統(tǒng)組成圖框圖322交通燈選型及其驅(qū)動回路選型323車輛檢測方式3231電感式傳感器3232車輛存在檢測5233傳感器布局與車流統(tǒng)計5234PLC選型624硬件系統(tǒng)調(diào)試93軟件系統(tǒng)設(shè)計931交通燈的控制9311正常循環(huán)運(yùn)行10312急車強(qiáng)通運(yùn)行1332軟件調(diào)試14321軟件主界面14322程序調(diào)試15323模擬定時循環(huán)控制15324模擬定時調(diào)整控制154結(jié)論及其展望1541結(jié)論1541展望15致謝17基于PLC的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計摘要本設(shè)計的思路是通過電磁感應(yīng)線圈探測出汽車數(shù)量后，調(diào)節(jié)紅綠燈的時長達(dá)到按車流量進(jìn)行單個十字交通路口通行控制車輛的流量計數(shù)、交通的時長控制可有可編程控制器（PLC）來實現(xiàn)。解決傳統(tǒng)交通系統(tǒng)定時控制局限性。本設(shè)計包括定時控制、按流量調(diào)整控制、急車強(qiáng)通控制。關(guān)鍵字智能交通；探測；車流量；可編程控制器DESIGNOFTHECONTROLSYSTEMOFTRAFFICLIGHTSBASEDONPLCABSTRACTTHETHOUGHTOFTHISDESIGNISTHEHOURSOFTHETRAFFICLIGHTSAREAUTOMATICALLYREGULATEDAFTERTHEELECTROMAGNETICINDUCTIONCOILHAVEDETECTEDTHEHOURSOFTHETRAFFICLIGHTSCANBEREALIZEDBYPLCTOSOLVETHELIMITATIONOFTHETRADITIONALCURRENTTIMINGSWITCHCONTROLMETHODOFTHETRAFFICLIGHTSTHEDESIGNINCLUDETRADITIONALCURRENTTIMINGSWITCHCONTROLMETHODOFTHETRAFFICLIGHTSANDADJUSTEDCONTROLACCORDINGTOTHEFLOWOFTRAFFICANDSPECIALCONTROLMETHODOFTHETRAFFICLIGHTSKEYWORDSINTELLIGENCETRAFFICDETECTIONVEHICLEFLOWNUMBERPLC1緒論11課題背景城市交通是一個復(fù)雜的、受制變量眾多的龐大系統(tǒng)。同樣，城市交通問題也是一個由諸多因素決定的復(fù)雜問題。幾十年來，盡管世界各國采取了各種各樣的對策，但城市交通問題一直沒有得到很好的解決。城市交通問題的關(guān)鍵是交通擁堵問題。在我國，出現(xiàn)道路全面緊張的主要原因有兩個方面1道路交通基礎(chǔ)設(shè)施落后，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，交通需求的年增長速度是道路建設(shè)速度的10多倍，使得道路交通設(shè)施運(yùn)輸能力不能滿足需求；2道路交通管理設(shè)施落后，交通流組織和管控水平不高，措施不完善。我國特有的行人、非機(jī)動車和機(jī)動車三元混合交通流結(jié)構(gòu)，又使得現(xiàn)有道路交通設(shè)施的運(yùn)輸能力得不到充分利用而加重了交通擁堵。智能化交通管理體系在國外已經(jīng)有了40多年的發(fā)展歷史，是目前發(fā)達(dá)國家普遍采用的交通管理方式，這種方式是在發(fā)達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，應(yīng)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對所轄區(qū)域的交通流量實施有效控制，使有限的交通網(wǎng)絡(luò)功能得到充分合理的利用，極大發(fā)揮城市的載體功能。20世紀(jì)90年代中期后，歐、美發(fā)展智能化交通明顯加快。主張采用智能交通系統(tǒng)的人士說，這種技術(shù)將大大提高交通效率而節(jié)省大量的燃料和時間除此之外，智能交通系統(tǒng)能夠減少交通事故，減少因事故造成的部分經(jīng)濟(jì)損失。在與世界發(fā)達(dá)國家機(jī)動車人均擁有量差距還很大的情況下，我國一些特大城市的交通擁堵已排在世界前列。12主要研究內(nèi)容本次設(shè)計主要應(yīng)用了西門子S7200PLC結(jié)合電磁傳感器對交通進(jìn)行居于流量控制的智能控制系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計中包括控制系統(tǒng)選型，交通燈選型，驅(qū)動回路，傳感器原理及其選型驅(qū)動，西門子S7200PLC基礎(chǔ)，智能控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，控制系統(tǒng)調(diào)試仿真。13系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計目前普遍使用的電氣控制方式主要有繼電器接觸器控制、單片機(jī)系統(tǒng)控制、可編程序控制器控制等。131繼電器接觸控制采用繼電接觸式控制系統(tǒng)設(shè)計交通燈控制系統(tǒng),主要由繼電器、接觸器、按鈕、行程開關(guān)等組成,其控制方式是斷續(xù)的,所以又稱為斷續(xù)控制系統(tǒng)。雖然這種系統(tǒng)也具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護(hù)容易、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但這種控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是采用固定接線方式,接線多,靈活性差,工作頻率低,觸電易損壞,可靠性差。工作模式單一。132單片機(jī)系統(tǒng)控制單片機(jī)微型計算機(jī)是微型計算機(jī)的一個重要分支,也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計算機(jī)簡稱單片機(jī),特別適用于控制領(lǐng)域,故又稱為微控制器。通常,單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成,內(nèi)部包含有計算機(jī)的基本功能部件中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此,單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合,便可成為一個單片機(jī)控制系統(tǒng)。133可編程序控制器控制可編程控制器簡稱PCPROGRAMMABLECONTROLLER,它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER和可編程序控制器PC幾個不同時期。為與個人計算機(jī)PC相區(qū)別,現(xiàn)在把可編程邏輯控制器簡稱為PLC。它主要用來取代繼電接觸器邏輯控制,系統(tǒng)功能僅限于執(zhí)行繼電器邏輯、計時、計數(shù)等?？删幊绦蚩刂破骺刂葡到y(tǒng)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器,用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令,并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出,控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。它具有很強(qiáng)的抗干擾能力,廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別于其他一般微型控制系統(tǒng)的一個重要特征。如果采用PLC作為十字路口交通燈控制系統(tǒng)作為控制核心,只需將程序下載到PLC內(nèi)即可。并可通過通信隨時對控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。PLC適應(yīng)環(huán)境的能力非常強(qiáng),抗干擾等方面能力都非常強(qiáng)大。性價比也很高。134控制方案的確定通過比較可編程控制器控制技術(shù)與繼電接觸器控制技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計采用可編程序控制器控制系統(tǒng)。2系統(tǒng)硬件設(shè)計21系統(tǒng)組成圖框圖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示圖1系統(tǒng)組成原理圖22交通燈選型及其驅(qū)動回路選型交通燈的構(gòu)成方式主要有舊時的煤氣交通燈、白熾燈、還有LED節(jié)能燈。由于LED節(jié)能燈具有壽命長、功率低、發(fā)光率大等顯著優(yōu)于其他交通燈材質(zhì)，因此本系統(tǒng)設(shè)計采用LED節(jié)能燈具作為交通信號燈材質(zhì)。又考慮到我國民用電的額定電壓為220V、50HZ，為了減少不必要的轉(zhuǎn)換裝置，因此交通信號燈選取額定電壓為220V的LED節(jié)能燈具。23車輛檢測方式231電感式傳感器電感式傳感器其主要部分是埋設(shè)在公路下十幾厘米深處的環(huán)狀絕緣電線（特別適用新鋪設(shè)道路，可用混凝土直接預(yù)埋，老路則需開挖再埋）。當(dāng)有高頻電流通過電感時，公路面上就會形成如圖2中虛線所形成的高頻磁場。當(dāng)汽車進(jìn)入這一高頻磁場區(qū)時，汽車就會產(chǎn)生渦流損耗，環(huán)狀絕緣電線的電感開始減少。當(dāng)汽車正好在該感應(yīng)線圈的正上方時，該感應(yīng)線圈的電感減到最小值。當(dāng)汽車離開這高頻磁場區(qū)時，該感應(yīng)圈電感逐漸復(fù)原到初始狀態(tài)。由于電感變化該感應(yīng)線圈中流動的高頻電流的振幅本設(shè)計所設(shè)計的檢測工作方式和相位發(fā)生變化，因此，在環(huán)的始端連接上檢測相位或振幅變化的檢測器，就可得到汽車通過的電信號。若將環(huán)狀絕緣電線作為振蕩電路的一部分，則只要檢測振蕩頻率的變化即可知道汽車的存在和通過。電感式傳感器的高頻電流頻率為60KHZ，尺寸為2X3M,電感約為100UH。這種傳感器可檢測的電感變化率在03以上。電感式傳感器安裝在公路下面呢，從交通安全和美觀考慮，它是理想的傳感器。傳感器最好選用防潮性能好的原材料。圖2車輛檢測原理圖及檢測電路輸出脈沖波形232車輛存在檢測圖3車輛檢測電路原理圖檢測汽車存在的具體實現(xiàn)是在感應(yīng)線圈的始端連接上檢測電感電流變化的檢測器，并將之轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)脈沖電壓輸出。其具體電路圖由三部分組成信號源部分。檢測部分。比較鑒別部分。原理框圖如圖3所示，輸出脈沖波形見圖2（B）。233傳感器布局與車流統(tǒng)計圖4傳感器布置圖車輛計數(shù)是智能控制的關(guān)鍵，為防止車輛漏檢的現(xiàn)象，環(huán)狀電線在地上的鋪設(shè)我們設(shè)采取在每個車行道上中的出口地停車線處以及在離出口地一定遠(yuǎn)的進(jìn)口的地方各鋪設(shè)一個相同的傳感器，方案如圖4以典型的十字路口為例，同一股道上的兩傳感器相距距離為該股道正常運(yùn)行時所允許的最長停車車龍為好。車流量的計量有多種方式（1）每股車道的車流量通過PLC分別統(tǒng)計。當(dāng)車輛進(jìn)入路口經(jīng)過第一個傳感器1（見圖4）時，使得統(tǒng)計數(shù)加1，經(jīng)過第二個傳感器2出口時，使得統(tǒng)計數(shù)減1，其差值為該股車道上車輛的滯留量（動態(tài)值），可以與其他道的值進(jìn)行比較，據(jù)此作為調(diào)整紅綠燈時長的依據(jù)。（2）先統(tǒng)計每股車道上車輛的滯留量，然后按大方向原則累加統(tǒng)計。如，將東西向的左行、直行、右車道上的車輛滯留量相加，再與其它的3個方向的車流量進(jìn)行比較，據(jù)此作為調(diào)整紅綠燈的依據(jù)。（3）統(tǒng)計每股車道上車輛的滯留量后，按通行最大化原則（不影響行車安全的多道相向行駛）累加統(tǒng)計。如，東、西相向的2個左行、直行道上的車輛的滯留量全部相加，再與南北向的總車流量進(jìn)行比較，據(jù)此作為調(diào)整紅綠燈時長的依據(jù)（下面的例子就是按此種方式）。以上計算判別全部由PLC完成。可以把以上不同計量判別方式編成不同的子程序，方便調(diào)用。234PLC選型根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計共需要I/O點(diǎn)數(shù)為12輸入/15輸出。具體需要的輸入輸出點(diǎn)數(shù)如表1和表2所示。表1輸入點(diǎn)數(shù)分配序號輸入信號名稱輸入信號名稱1I00啟動按鈕2I01南北強(qiáng)通開3I02東西強(qiáng)通開4I03南北強(qiáng)通關(guān)5I04東西強(qiáng)通關(guān)為了能實際模擬加以下輔助開關(guān)6I05A計數(shù)脈沖模擬開關(guān)7I06A計數(shù)脈沖模擬開關(guān)8I07B計數(shù)脈沖模擬開關(guān)9I10B計數(shù)脈沖模擬開關(guān)10I11C計數(shù)脈沖模擬開關(guān)11I12C計數(shù)脈沖模擬開關(guān)12I13D計數(shù)脈沖模擬開關(guān)13I14D計數(shù)脈沖模擬開關(guān)表2輸出點(diǎn)數(shù)分配序號輸出信號名稱對應(yīng)的外部設(shè)備1Q00南北直行綠2Q01南北直行黃3Q02南北直行紅4Q03南北左右綠5Q04南北左右黃6Q05南北左右紅7Q06東西直行綠8Q07東西直行黃9Q10東西直行紅10Q11東西左右綠11Q12東西左右黃12Q13東西左右紅如表2輸出點(diǎn)數(shù)所示，為方便調(diào)試，采用計數(shù)脈沖模擬開關(guān)代替實際車流檢測裝置。根據(jù)表1和表2可以確定PLC以及擴(kuò)展模塊的選型對于這種中小型自動控制中，應(yīng)用德國西門子公司生產(chǎn)的S7200系列PLC無疑是十分明智的選擇。在主機(jī)模塊中，常用的主機(jī)有CPU222，CPU224，CPU226三種。方案一若選擇CPU222做為主機(jī)，由于CPU222有8輸入/6輸出，與此13輸入/12輸出相差6點(diǎn)輸出，5點(diǎn)輸入，還需要擴(kuò)展5輸入，6輸出。方案二選擇CPU224作為主機(jī)，仍然缺少點(diǎn)輸出和輸入，和前者相比CPU224的存儲容量增大一倍，它可以有7個擴(kuò)展模塊，并且有內(nèi)置時鐘，有更強(qiáng)的模擬量和高速計數(shù)處理能力。是使用的相對較多的S7200產(chǎn)品。方案三如果選用CPU226作為主機(jī)，CPU226主機(jī)為24輸入/16輸出，與13輸入/12輸出較為相近，無須擴(kuò)展即可。和CPU224相比，CPU226增加了通訊口的數(shù)量，使得它的通訊能力大大增強(qiáng)，可以用于點(diǎn)數(shù)較多，要求較高的小型或者中型控制系統(tǒng)。經(jīng)過價格、性能、擴(kuò)展模塊數(shù)量的比較，以及設(shè)計的要求等多方面的考慮，選擇CPU226作為主機(jī)是最合理的。其輸出類型為晶體管輸出型。如圖18所示為CPU226的端子連接圖。L接24DC，M接地。上部00到17為16點(diǎn)輸出端子，下部分00到27為24點(diǎn)輸入端子。圖5PLCIO分配圖24硬件系統(tǒng)調(diào)試由于成本原因，因此未能購買實物進(jìn)行系統(tǒng)硬件的調(diào)試。3軟件系統(tǒng)設(shè)計31交通燈的控制本系統(tǒng)以一個六車道路口作為研究對象，其基本綠燈相位為四相位，如圖6所示。圖6車流狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖對于交通燈的控制采取兩種方式，一種正常循環(huán)方式，另一種是急車強(qiáng)通方式。其中正常循環(huán)方式又分為純定時控制模式和定時加調(diào)整型。如圖7所示圖7軟件系統(tǒng)組成圖311正常循環(huán)運(yùn)行正常循環(huán)運(yùn)行分為定時加調(diào)整型和純定時循環(huán)型兩種（A）定時加調(diào)整型具體控制要求如下如圖8。圖8定時調(diào)整控制程序框圖按啟動按后，交通燈控制系統(tǒng)開始工作。先程序初始化,記數(shù)器清零并開始記數(shù),剛開始采用定時控制。查詢各個路口車輛記數(shù),若達(dá)到路口滿溢值即各路口需通車量達(dá)到最大值，或者南北路口車輛相等時采用定時循環(huán)控制,若不滿溢,判斷東西向車流量減南北車流量相差一個偏差值是否滿足可設(shè)置若是，東西左轉(zhuǎn)綠燈亮10S東西左轉(zhuǎn)黃燈亮2S,左轉(zhuǎn)紅燈亮78S,左轉(zhuǎn)綠燈滅的時候直行綠燈亮30S,然后綠燈閃爍3S,黃燈亮2S,然后紅燈亮45S啟動45S定時器；查詢各個路口的車流量；判斷東西向車流減南北車流量相差偏差是否滿足（可設(shè)置）若是，南北向左轉(zhuǎn)綠燈亮10S南北左轉(zhuǎn)黃燈亮2S,左轉(zhuǎn)黃燈亮2S，左轉(zhuǎn)紅燈亮78S,左轉(zhuǎn)綠燈滅的時候直行綠燈亮30S,然后綠燈山所3S，黃燈亮2S,然后紅燈亮45S；啟動45定時器；查詢各個路口的車流量；南北向車流減東西車流量相差偏差是否滿足（可設(shè)置）若是，直接跳到東西控制程序；若不是，南北向直行綠燈保持，在45S內(nèi)循環(huán)知道條件不滿足跳到東西控制程序東西向左轉(zhuǎn)綠燈亮10S東西左轉(zhuǎn)黃燈亮2S,左轉(zhuǎn)紅燈亮78S,左轉(zhuǎn)綠燈滅的時候直行綠燈亮30S,然后綠燈閃爍3S,黃燈亮2S,然后紅燈亮（B）純定時循環(huán)型具體控制要求如下如圖9。按下啟動按鈕后,交通燈控制系統(tǒng)開始工作。先亮南北方向綠燈和東西方向紅燈,再亮東西方向綠燈和南北方向紅燈,然后再亮南北方向綠燈和東西方向紅燈,這樣一直循環(huán)運(yùn)行。南北向和東西向主干道均設(shè)有左轉(zhuǎn)綠燈,持續(xù)亮10S,左轉(zhuǎn)黃燈,持續(xù)亮2S,左轉(zhuǎn)紅燈持續(xù)亮78S,左轉(zhuǎn)綠燈滅的同時直行綠燈亮,持續(xù)30S,綠燈閃爍3S,黃燈2S。和紅燈45S。當(dāng)南北主干道紅燈點(diǎn)亮?xí)r,東西主干道應(yīng)依次點(diǎn)亮左轉(zhuǎn)綠燈,直行綠燈,綠燈閃爍和黃燈反之,當(dāng)東西主干道紅燈點(diǎn)亮?xí)r,南北主干道依次點(diǎn)亮左行綠燈,直行綠燈,綠燈閃爍和黃燈。南北向和東西向人行道均設(shè)有綠燈,黃燈,紅燈。人行道上的“紅黃綠”與同向主干道上的直行“紅黃綠”運(yùn)行方式一樣。圖9純定時控制程序框圖312急車強(qiáng)通運(yùn)行1急車強(qiáng)通控制受強(qiáng)通開關(guān)控制。無急車時,按正常循環(huán)時序控制,有急車來時,打開急車強(qiáng)通開關(guān),不管原來信號狀態(tài)如何,一律強(qiáng)制讓急車來車方向的綠燈亮,直到急車過為止,短開急車強(qiáng)通開關(guān),信號的狀態(tài)立即轉(zhuǎn)為急車放行的綠燈閃亮3秒。隨后按正常時序控制。2急車強(qiáng)通信號只能響應(yīng)一條路上的來車,若兩條交叉的路東西或南北先后都來車,則響應(yīng)先來的一方,隨后再響應(yīng)另一方。3具體控制要求流程如圖10。圖10強(qiáng)通控制程序框圖32軟件調(diào)試321軟件主界面圖11軟件主界面322程序調(diào)試由于硬件設(shè)施條件限制，我們通過軟件來模擬。323模擬定時循環(huán)控制由程序流程圖我們可以看出，執(zhí)行定時循環(huán)控制的條件是南北和東西的滯留量都大于最大通車量或南北車流量等于東西車流量。執(zhí)行定時調(diào)整的條件是東西和南北大方向滯留量小于最大通車，而且不相等。324模擬定時調(diào)整控制由程序流程圖我們可以看出，執(zhí)行定時調(diào)整控制條件是南北減東西大于偏移量。先執(zhí)行一周期定時后調(diào)整時期，知道南北減東西不大于偏移量跳轉(zhuǎn)到東西定時調(diào)整控制。4結(jié)論及其展望41結(jié)論通過3個多月的資料收集整理，程序編制、修改、運(yùn)行，論文編寫等一系列的步驟，使我熟悉了PLC編程軟件的操作使用，對梯形圖語言編程也有了更深刻的認(rèn)識和理解。另外，對PLC電氣控制的研究有了更深的認(rèn)識。設(shè)計結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的要求，無須通過數(shù)學(xué)建模就實現(xiàn)了按流量控制的效果。設(shè)計以單個十字路口