交通灯十字路口控制系统设计.docx

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交通灯十字路口控制系统设计

摘要

一个完整的交通灯相当于一个简单的单片机系统，该系统有交通灯设置电路、单片机、显示电路等构成。

信号灯控制的实现是通过电路与汇编程序的结合来完成，其中信号灯的模拟采用了发光二极管，发光二极管有熄灭、点亮和闪烁三种信号，其中闪烁信号的产生运用了延时程序来实现，而时间倒数方面引进了LED数字显示，克服了人们在等待时的心急的心情，减少了红灯未灭，闯红灯的现象。

单片机为核心，具有实用，方便，灵活的特点。

随着电子技术的广泛应用，车辆日益增多将成为一种发展趋势，所以要有一套安全可靠的交通指示灯。

绪论

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对我有帮助

近年来随着科技快速的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统检测日新月异更新。

在实验检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，针对具体应用对象的特点，配以其他器件来家以完善，伴随人口的日益增长，那么十字路口车辆穿梭，如何才能让交通井然有序呢？

靠的就是交通信号的自动指挥系统。

信号灯的出现，使交通得以有效的管制，对于交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显的效果。

绿灯是通行信号，面对绿灯信号的车辆可以直行，左拐弯和右拐弯，除非另一种禁止转向。

左右转弯车辆都必须让正在路口内直行的车辆和过人行横道行人优先通行。

红灯是禁止信号

面对红灯的车辆必须停车。

黄灯是警告信号，面对黄灯信号的车辆不呢么好越过安全停车线，但是车辆十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

本系统采用单片机来设计交通灯控制器，实现各个方向车辆、行人通行功能，此外还设计了倒计时显示。

同时还具有南北、东西方向强制通行的功能。

目录

一、交通灯电气控制系统设计任务书··················2

1.摘要……………………………………………………4

2.绪论……………………………………………………5

3.研究目的和意义··································6

4.PLC控制器的特点·······························8

二、交通灯PLC电气控制系统总体设计过程············12

1.硬件设计·······································12

2.主程序设计·····································14

3.I/O分配表·····································15

4.I/O分配图·····································16

5.梯形图及控制指令······························18

三、设计总结······································25

四、参考文献说明··································26

交通灯电气控制系统设计任务书

一、运行顺序和要求

南北向绿灯亮20s,东西向红灯亮。

与此同时南北向人行道绿灯亮，东西向人行道红灯亮。

1）南北向人行道绿灯亮18s后开始闪烁，每次闪烁通断各0.5s。

2）20s后南北绿灯与人行道绿灯同时闪烁5次，每次各通断0.5s。

此期间东西向主灯和人行道红灯亮。

3）闪5次后南北向人行道换红灯，南北向绿灯熄灭，两个方向黄灯同时亮5s，此时东西向红灯依然点亮。

4）黄灯亮5S后熄灭，南北向主灯换红灯亮，东西向主灯和人行道均换成绿灯亮。

5）东西向人行道绿灯亮28S后开始闪烁，每次通断各0.5S.

6）东西向绿灯亮30s后与人行道绿灯同时闪烁,每次通断各,在次期间南北向主灯,人行道灯均为红灯亮.

7）闪烁5次后东西向人行道换成红灯亮,东西向绿灯熄灭,两个方向黄灯同时亮5s,此时南北向红灯依然点亮.

9）5s后南北向主灯与人行道灯换成绿灯亮,东西向换成红灯亮,致此一个循环结束.

二.控制要求

1）依上述要求循环，直至按下停止按钮系统停止工作。

2）在东西或南北方向的绿灯与人行道绿灯点亮期间要求能分别显示绿灯亮的剩余时间。

3）在各方向信号灯点亮时间和闪烁次数可以通过拨码盘输入进行设定或修改。

三.设计要求

1）根据选用的PLC主机和模块绘制I/O端口接线电气原理图并选用电器元件。

2）设计用户程序。

3）设计控制面板布置示意图。

4）编写设计报告并说明程序调试过程和结果。

本课题研究的目的和意义

城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行,实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善,也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。

所以，改善与提高现有的交通系统的效率已成为当务之急，而提高交通控制系统的效率更是重中之重。

城市交通指挥系统的发展及研究现状

道路通交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。

在这一系统中，道路不仅仅是易变化的部分，而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。

只有对这一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，对能制定出科学有效的管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。

随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，

因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。

然而，随着交通量的快速增长和缺乏。

对高澎路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。

而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通状况的制约。

所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。

本课题主要研究内容

统设计A．控制要求：

1．系统工作受开关控制：

起动开关ON则系统工作；起动开关OFF则系统停止工作。

2．控制对象有八个：

东西方向红灯两个,南北方向红灯两个；东西方向黄灯两个,南北方向黄灯两个；东西方向绿灯两个,南北方向绿灯两个；东西方向左转弯绿灯两个；南北方向左转弯绿灯两个；3．控制规律：

3）按提示警告方式运行，规律为：

东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮18秒，暗0.5秒的规律反复循环。

PLC型交通灯控制器的特点

:

将PLC用于对交通信号灯的控制,主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用的"渐进式"信号灯进行精确控制,特别对多岔路口的控制可方便的实现.目前大多品牌的PLC内部均配有实时时钟,通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理.由于PLC本身具有通讯联网功能,将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理,可缩短车辆通行等候时间,实现科学化管理.数据,而PLC具有各种译码指令,可将接受的数据转换成七段显示码,输出给LED数码管进行数据显示.

（1）性能稳定可靠,抗干扰性好:

PLC应用于各种工业控制现场,其硬件及软件设计均考虑到各种生产环境,其电压适用范围很宽,具有极强的抗电磁干扰,抗震动,抗高温,高湿等特性,性能极为稳定,可靠.

（2）功能强大,实现灵活,可扩展性好:

识别等.以上功能可实现各种组合,并可根据实际需要改变上述功能的控制过程及方式,并可根据使用者要求在不增加或少增加硬件的基础上开发新的控制功能.（3）由于PLC可实现远程控制,现场手动控制和闭环控制,大大提高了交通灯的工作效率,是城市新交通运输系统的标志,

控制系统采用三菱FX2N——48MT型的PLC:

FX2N-48MT-4AD-2DA可编程控制器（简称FX2N）是带有48路I/O,路AD,路DA,42RS232C通信接口,扩展接口的一体化小型可编程控制器,可灵活运用在各种工业自动控制场合.具有可靠性高,抗干扰能力强,价格低廉等特点.

功能介绍:

○编程软件兼容日本三菱FXGP_WIN-C梯形图软件○工作电源AC220V○48路I/0输入输出,其中输入24路,输出24路（晶体管型）○本机采用高性能进口工业级芯片设计,可适应高电磁干扰的工业环境○高速运算,基本指令每步0.5uS○○○○○○○○○○○○○○○另有4路AD模拟量输入,每路为0v/10v输入,分辨率为12位另有2路DA模拟量输出,每路为0v/10v输出,分辨率为12位通信接口有RS232有扩展接口,可以方便地连接模拟量输入输出,I/O等扩展模块程序寄存器达8000步.内部继电器1536点定时器256点计数器256点数据寄存器6000点变址寄存器16点编程语言采用梯形图程序位置指针128个采用循环扫描工作方式

PLC的结构及其工作原理

PLC的基本结构主电用输入外备编系微输入单元微（CPU）运微控微输出单元用输出外备盒主打主EPROM写入微图控系PLC或运主外I/O接接存微EPROMRAM（系）（用系）I/O扩接I/O扩接PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。

1.中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）一般由控制器运算器和寄存器组成。

它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。

用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。

2.存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。

（1）系统存储器系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器，它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。

（2）用户存储器用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。

53.输入/输出接口单元PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。

4.扩展接口和通信接口PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：

（1）扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。

（2）通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。

5.电源部分PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位于PLC的中央处理器、存储器等中。

电路提供5V、12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。

6.编程设备编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

7.其他部件有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展功能。

PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

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，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控6制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后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映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

3.输出刷新阶段当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映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时才是PLC的真正输出。

硬件设计

目前设计交通灯的方案有很多，有CPLD实现信号灯控制的设计，有应用PLC实现对交通灯的设计。

有应用单片机实现对交通灯控制系统的设计。

在这里我选用单片机系统来实现交通灯的控制。

单片机设计不但成本低，而且设计简单。

一样可以完成交通灯的控制。

本论文主要的工作就是通过一个交通信号灯系统的硬件、

设计程序流程

现红绿灯的正常工作，具体工作安排大概描述为：

一写出I/O分配图，然后做梯形图；二是根据系统硬件电路编写相应的程序流程图,然后编写相关程序,这里程序的编制主要是用FXGP/WIN-C软件来完成；三实现与调试机的联调，完成调试和仿真，观察调试结果是否满足设计要求，若不满足需要继续检查程序和其他情况直至实现正确的仿真为止。

交通信号灯模拟控制系统设计程序流程图

主程序流程框图

控制要求

1．系统工作受开关控制：

起动开关ON则系统工作；起动开关OFF则系统停止工作。

2．控制对象有八个：

东西方向红灯两个,南北方向红灯两个；东西方向黄灯两个,南北方向黄灯两个；东西方向绿灯两个,南北方向绿灯两个；东西方向左转弯绿灯两个；南北方向左转弯绿灯两个；规律为：

东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.5秒，暗0.5秒的规律反复循环。

I/O分配表

I/O分配图

十字路口交通灯控制的梯形图

十字路口的控制指令

当状态S20开始时，此时如果是X1闭合X2断开的话，5秒后T0得电，而T1不会得电，状态有S20转到S21。

当S20开始时如果是X2闭合X1断开的话，5秒后T1得电，状态有S20转到S21。

区分。

11第四章十字路口交通灯程序设计内容4.1十字路口交通灯模拟顺序功能图124.2程序梯形图及语句表131415指令表164.3可编程控制器I/O端口分配根据控制要求，其I/O分配为X0:

启动按钮钮。

Y1:

南北向绿灯，Y2:

南北向黄灯，Y3:

南北向左拐弯灯，Y4:

南北向红灯，Y5:

东西向红灯，Y6:

东西向绿灯，Y7:

东西向黄灯，Y10:

东西向左拐弯灯。

4.4程序运行过程和实验操作过程按启动按钮南北方向:

正常时段启动按钮X1，动作状态从S0向S20转换，绿灯Y1亮，保持接通状态，25秒后，定时器T0动作，动作状态从S20向S21，绿灯熄，0.5秒后，T2动作，动作状态从S21向S22转换，绿灯亮，计数器C0开始工作，0.5秒后，绿灯熄，闪烁中，S21S22的动作反复进行，计数器C0（设定值为5次），触点一接通，状态向S23转移，黄灯Y2亮，5秒后，T4触点接通，状态向S24和S27转移，左转弯Y3亮，同时红灯Y4亮。

5秒后，T5触点接通，状态转向S25，0.5秒后，T6触点接通，状态转向S26，左转弯绿灯Y3亮，同时计数器C1开始工作，0.5秒后，T7触点接通，左转弯绿灯熄，闪烁中，S25S26的动作反复进17行，计数器C1（设定值为5次），触点一接通，状态向S50转移。

55秒后，T8触点接通，状态转向S51，南北方向一个周期工作时间结束。

东西方向:

启动按钮X1，动作状态从S0向S30转换，红灯Y5亮，保持接通状态，45秒后，定时器T10动作，动作状态从S30向S31，绿灯亮，25秒后，T12触点接通，状态从S31向S33转换，0.5秒后，T14触点接通，状态转向S34，绿灯Y6亮，计数器C2开始工作，0.5秒后，T15触点接通，绿灯熄，闪烁中，S33S34的动作反复进行，计数器C2（设定值为5次）触点一接通，状态向S35转移，黄灯Y7亮，5秒后，T16触点接通，状态向S36和S37转移，红灯Y5亮，同时左转弯绿灯Y10亮。

5秒后，T17触点接通，左转弯绿灯熄，状态转向S38，0.5秒后，T18触点接通，状态转向S39，左转弯绿灯Y10亮，同时计数器C3开始工作，0.5秒后，T19触点接通，左转弯绿灯熄，闪烁中，S38S39的动作反复进行，计数器C3（设定值为5次）触点一接通，状态向S53转移。

10秒后，T20触点接通，状态转向S53，东西方向一个周期工作时间结束。

状态指令S50S51S52S53接通，状态转向S0，程序进入下一个循环。

高峰时段启动按钮X2，其动作状态与正常时段相似。

黑夜启动按钮X3,状态从S0向S40转移，黄灯Y2Y7亮，0.5秒后，T21触点接通，状态转向S41,黄灯Y2Y7灭，0.5秒后，T22触点接通，状态转向S0,程序入下一个循环。

程序调试调试中出现了许多的问题，刚开始时不知道是什么原因，程序总是不能按正常的要求来运行。

首先是程序不运行，检查了好久才发现只是开头有问题，应该是把状态S1放到ZRSTS0S60指令的后面，要不然的话，状态转移到S1，然后就是S0-S60的清零复位，这样的话不能够转移到下一个状态。

还有就是不循环，在一个周期内运行完全正确，而就是不循环。

光找原因就花费了有半天，到最后在大家的努力下才找到病因。

在并行汇合是要由状态来汇合，然后再返回S0，如程序中的状态S50、S51、S52、S53最后并行汇合后在转移到S0.,从而实现了循环。

定时器的选择PLC提供的定时器相当于继电器控制系统中的时间继电器，是累计时间增量的编程元件，定时值由程序设置。

由于本次设计中用到的定时器精度不是要求的很高，故选用定时器的精度为100ms，其地址范围是T0-T199。

3.3.3计数器的选择计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数，其设定计数值由程序设置。

本设计中用到的计数器只是用于普通的计数功能，故选用普通加计数器，其地址范围为C0—C99。

总结

在学习单片机理论课时候就感觉到内容很多，知识点很杂，分繁琐。

在老师的讲解下，在通过自己的努力也更进一步了解了单片机的内部构造和工作原理，以及接外部电路的情况。

当然光有理论知识那只是“纸上谈兵”，还需要实际动手去实践。

真正把所学的用到日常生活中，理论联系实际，做出实物模型。

这次单片机实习，我选的是交通灯设计，通过这次设计我感觉到要想做成功，必须花时间多准备，查阅大量资料，认证分析每一步每一个模块要实现的功能，然后分步进行，最后正和一个整体。

通过这次实习，我们要对所做的事情有耐性，在编程的时候会有困难，也可能变得不一定成功，所以要经过多次调试，分析，改正，反复去做。

在这次实习中，经历了多次失败的洗礼，我明白在以后学习和实践中，我要努力掌握知识，多动手，多思考，以免在以后的学习工作中犯同样的错误。

并且我们从以下几个方面加深了知识的认知。

1.了解可编程控制器的原理、硬件结构；2.掌握基本的编程语言；3.掌握系统硬件配置的方法与步骤；4.掌握PLC软件编程与调试的操作

参考文献

〔1〕廖常初《可编程序控制器的编程方法与工程应用》〔2〕钟肇新彭侃《可编程序控制器原理及应用》〔3〕戴仙金《西门子S7-200系列PLC应用与开发》〔4〕罗宇航《流行PLC实用程序及设计》〔5〕张立科《PLC应用开发技术与工程实践》〔6〕夏辛明《可编程控制器技术及应用》〔7〕石建华《PLC应用技术》[8]瞿大中《可编程控制器应用与实验》重庆大学出版社华南理工大学出版社中国水利水电出版社西安电子科技大学出版社人民邮电出版社北京理工大学出版社电子工业出版社华中科技大学出版社