基于PLC的智能交通灯设计毕业论文Word文档格式.docx
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指导教师签字：
基于PLC的智能交通灯控制系统
摘要：
PLC作为前沿的产业控制器，具备可靠性强、体积小、容易操控、灵活度高、抗干扰力强等长处，普遍的应用于自动化控制领域。
本文主要论述了PLC在智能交通灯控制系统中的应用。
该智能交通灯控制系统最大的好处就是没有了人和车辆的交汇，确保了人和车辆通行的安全。
关键词：
可编程控制器；
智能交通灯；
安全
TrafficLightControlSystemBasedOnPLC
Abstract:
PLCasanindustrialcontrollerfront,hasaseriesofadvantagesofsmallsize,highreliability,easyoperation,strongflexibility,anti-interferenceability,iswidelyusedinautomaticcontrolfield.
ThispapermainlydescribestheprogrammablecontrollerPLCintrafficlightscontrolsystemapplication,thebiggestadvantageofthetrafficlightcontrolsystemisthecarandnointersection,inordertoensurethesafetyofpeopleandvehicles.
KeyWords:
PLC;
TrafficLight;
Safety
目 录
1绪论 1
1.1引言 1
1.2智能交通灯全球发展状况 1
1.3本设计的首要研究内容 2
2PLC的简介 2
2.1PLC的概述 2
2.2PLC的产生与发展 3
2.3PLC的发展趋势 3
2.4PLC的工作原理 4
3任务要求与分析 4
3.1智能交通灯的控制要求 4
3.2车辆的检测 5
3.3系统设计方案分析 7
3.3.1系统设计时序图 7
3.3.2I/O分配表 8
3.3.3外部接线图 9
4程序设计图 9
4.1智能交通灯PLC状态转移图设计 9
4.2智能交通灯PLC梯形图设计 10
4.3部分程序分析 10
4.4程序调试时遇见的问题和解决办法 12
4.5程序的正常运行 12
5总结 12
参考文献 14
致谢 15
附录 16
倪孝辰：
基于PLC的智能交通灯设计
1绪论
1.1引言
交通灯控制系统的发展拥有悠长的历史，随着人类工业文明的飞速成长，汽车和其他各类交通工具也都呈现出了一片繁荣的景象。
各类交通工具的大量利用使得大家的出行愈加方便，不过随之而来的却是道路交通压力越发增大，各种路口对交通指挥的需求大大增加。
在1869年的时候，全球第一台煤气是红绿两色照明灯由英国的著名工程师纳伊特安装在了伦敦威斯特敏斯的路口，它能够控制道路的畅通，但没过多久，这类交通灯就消身匿迹了，原因是由于一场煤气爆炸事故。
到1915年，交通灯再次出现在了大街上，美国的科学家克利夫岚做出了一款由电力驱动的交通灯，它被装在了纽约与芝加哥等城市，这类交通灯的概念已经与现在大抵无异。
到1925年，自动化控制的交通灯才得到利用，这为当代城市交通打下了重要基础。
1969年，联合国公布的《道路交通与道路标志信号协定》对交通灯的各类意义做出过统一的规定，绿灯通行，绿灯车道的车辆可以直行可以左转也可以右转，如果前方有禁行标示的话则除外。
并且左右转弯的车辆需要让直行车辆与行人先通过。
红灯停止，红灯车道的车辆不准超越人行横道。
黄灯则等待，黄灯时车道所在车辆要慢行，若车辆此时很靠近停车线而无法安全停车时才能进交叉路口。
交通灯的普及极大的减缓了交通压力，使城镇的拥挤得到了一定的缓解，让人们的出行现状得到了极大的改善。
可是随着当今经济的飞速成长，汽车的数量还在不停上涨，以往的交通灯控制系统已经越来越无法满足交通压力的需求。
在这种情况下，本次论文设计的任务，主要就是设计出一款能根据路上车辆情况的改变，进而时时调整交通灯数秒时间的智能控制系统，从而改善路面的交通压力，同时也能够减少交通资源的消耗。
1.2智能交通灯全球发展状况
智能交通控制系统的发展，最先能够追溯到20世纪六七十年代的一系列车辆导流系统的开发与应用。
1992年美国通过“地面交通效率法”（ISTFA），统称为“冰茶法案”，自此美国的IUHS研究才进入了宏观运作阶段。
1995年，美国将IUHS改名为ITS。
之后欧洲和日本等国也接连参与了进来。
经历了30多年的成长，美国、欧洲、日本成为了全球ITS的三大重要基地。
美国是如今在ITS开发领域内成长最迅速的一个国家，从上个世纪70年代开始，美国前后开展了与智能汽车技术相关联的PATH、IVI、VII还有CVHAS等国家项目，1995年4月美国交通部正是出版了“国家智能交通系统项目计划”，明确规定了智能交通系统的6大范畴和28个用户服务功能目前6大范畴有：
外出需求管理体系、公共交通运行体系、商用车辆运营体系、电子收费体系、应急管理体系、先进的车辆控制与安全体系。
日本在上个世纪八九十年代就制定了全力发展智能交通系统的国家战略，此中智能汽车作为交通的重要组成部分，也得到了深入研究。
日本政府主导的先进安全汽
车ALV项目于2001年获得实用化成果。
我国ITS的成长历史比较晚，70年代以来，从
海外引进、吸收了一些项目，并进行了一些ITS或类ITS基础项目的研究和应用。
七十到
1
江苏农林职业技术学院毕业论文（设计）
八十年代，主要是实行城镇交通信号控制实验，八十年代到九十年代，在一些大都市引进和运用城市交通信号控制系统，实现很多的公路监控系统、高等级公路电子收费系统和路边信息服务系统等。
九十年代至今，开发了ITS发展战略和GIS、GPS、EDI等，公路与桥梁管理用基本数据库与道路交通量与气象数据采集等历经多年的努力，也获得了明显的进步。
1.3本设计的首要研究内容
这次设计的控制系统首要内容就是在以往的交通灯基础上，经过PLC来进行编程，设计出一款可以根据车流量的时时改变来智能调节交通灯数秒时间的智能交通灯控制系统。
将车辆的流量数据输入计算机中心控制系统对数据经行解析，按照事先设置好的参数，智能化的处理所有交通道路的拥堵状况，通过PLC控制系统合理的调节红绿灯的数秒时间。
并在这种基础上，如果交通灯路口路过特殊车辆或发生紧急状况，本系统也可以转换到人工操作模式，实现强行控制，从而保证公路交通的正常运转。
本系统价格低廉，而且维护便捷，可以在极大的程度上减缓交通的压力，减少交通资源的消耗。
2PLC的简介
2.1PLC的概述
这是一种实时系统有别于个人计算机以继电器为主的电机控制系统中,每次设计变更时，系统中绝大部分要从头编写，所以很浪费时间与力气;
又因继电器还有接点接触不良、摩擦消耗大、占地大这些缺点，导致成本变高、可靠性变低、不好检修等问题。
为了消除这么多的缺点，美国DFC在1968年首度发表：
可程控器（ProgrammableController）。
可程控器在发表时被叫成（ProgrammableLogic-Controller）简称PLC，一开始制作它是为了代替继电器，执行继电器逻辑和其余计时与计数等功能的顺序控制为主，所以也叫顺序控制器,它里面的结构像是微电脑,所以也叫微电脑可程控（MCPC）,直到1973年，美国电机制造协会正式把它命名为ProgrammableController，即可程控器，简称PC，因为那时个人计算机（PersonalComputer）使用广泛，外加常与可程控器共同使用。
为了分辨这二者，人们平时都叫可程控器为PLC用来区分。
当下市场里的PLC类别繁多，按制造商和适宜应用的地方不一而有各种差别，但各个厂牌可依机组复杂度分为大、中、小型；
一般工厂和学校好用小型的PLC，当中以日系MITSUBISHI三菱F系列及我国士林电机所产的A系列PLC较受国人爱用。
这次将用三菱FX2PLC为主加以介绍，望使用者可以对PLC有更多的理解，在运用PLC时更得心应手。
可程控器的单元有CPU、输入、输出模块这三部分，
PLC的CPU通过输入模块取得输入组件放出的信号，然后从内存里逐一取出原先以程序书
写器中输入的控制指令，经过运算部门逻辑演算之后，再把结果给输出模块用来驱动外面的输出组件。
2
2.2PLC的产生与发展
PLC被普遍的运用在如装盒机、装箱机等包装和汽车等生产线中，它的功能经过储存预先设定好的程序，控制生产线有条不乱的生产运行。
在二十世纪六七十年代的时候，美国的汽车制造产业竞争相当激烈，为了顺应市场从品种少批量大的生产向多品种小批量生产的转换，为了尽量的降低转变过程中控制系统的设计制造时间，降低经济成本，1969年美国通用汽车公司GM（GenerMotors）用最新的控制装置换掉了正在使用的继电接触器控制系统。
1970年美工数字设备公司DEC（DIGTAL）根据上述的要求，率先研制成功了全世界第一台可编程控制器PDP-14,用于通用汽车公司的生产线，获得了满意的效果。
从PLC的出现到当前，已发展到了第四代产品。
其过程大致可以分成：
第一代PLC（1968-1971年）：
大部分都采用一位机开发，用磁芯存储器来存储，只具有单一的逻辑控制功能，集中单一，没能形成系列化。
第二代PLC（1972-1974年）：
使用了8位微处理器与半导体存储器，增设了数字运算、比较、传送等功能，开始具备自我诊断功能，初步形成了系列化。
第三代PLC（1975-1982年）：
高性能微处理器和位片式CPU的PLC被大量的利用，PLC的运行速度有了很大提升，增设了多类特殊功能，例如浮点数的运算、三角函数、表处理、脉宽调制输出等等，自我诊断功能还有容错技术发展迅速。
第四代PLC（1983-现在）：
不但普及了16位、32位高性能微处理器，还在PLC中配了
多个处理器，使用多通道处理，同时产出了许多内含微处理器的智能模块，使第四代的PLC成为具有运动控制功能、过程控制功能、逻辑控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正意义上的多功能控制器。
正因为PLC具有多种的功能，并集三电装置于一体，使得PLC在工厂里很受欢迎，使用数量一直保持第一位，成为现代工业自动化的三大支柱（PLC、Robot、CAD/CAM）其中重要的一个。
2.3PLC的发展趋势
（1）向速度快、容量大的方向发展
随着复杂系统控制的条件越来越多与微处理器和微型计算机技术的发展，对PLC的信息处理和响应速度的要求越来越高，用户存储容量也越来越大。
（2）向特大型、特小型这两方向发展
现在中小型PLC数目较多，为了顺应市场需求，此后PLC必须向多种类的方向发展，特别是特大型、特小型这两种。
现已有I/O点数达14336的特大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能超强。
（3）PLC大力发展智能模块，加强联网通信能力
近年来制作了很多功能模块来供应自动化控制系统的需求，如远程I/O模块、人机接
3
口与通信模块等。
这些带CPU与存储器的智能I/O模块，用起来又方便灵活，加大了PLC
使用范围。
增强PLC联网功能，是PLC进步的潮流。
PLC已成为了集散控制系统（DCS）不可或缺的重要组成部分。
（4）加强外部故障的检测和处理能力
按照统计数据表明：
在PLC控制系统所发生的故障中，25%的故障是由PLC本身的因素造成的，75%的故障则是PLC外部故障。
由此各大厂家都在开发专门用来检测外部故障的专用智能模块。
（5）编程语言多样化
在PLC系统结构不停成长的时候，PLC的编程语言也愈加丰富，功能也在不断提高。
2.4PLC的工作原理
PLC是用微处理器做为核心的数字式电子自动控制装置，属于专用微机一类。
但它的工作方式却和微机有很大分歧。
微机一般都采取等待命令的工作方式，可PLC一般都采取循环扫描的工作方式。
在PLC里用户程序按照先后顺序寄存。
对每一个程序，处理器从第一个指令开始执行，直到遇见结束符后再返回第一个，这样来来回回不停的循环，每一个循环称之为一个扫描周期。
一个扫描周期共有三种阶段，也就是输入采样、用户程序执行与输出刷新这三种阶段。
3任务要求与分析
3.1智能交通灯的控制要求
信号灯受启动及停止按钮的控制，当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环工作，当按下停止按钮时，系统将停止在初始状态，所有信号灯都熄灭。
控制要求：
南北
机动车道
绿
20S
绿闪3S
黄2S
红25S
东西
人行横道
17S
红30S
红
25S
绿20S
30S
绿17S
正常循环控制方式：
（1）交通灯变化顺序表（单循环周期50秒）：
南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯20S，绿灯闪亮3S，黄灯2S和红灯25S。
在南北方向机动车道的红灯发光时，东西方向机动车道的绿灯，绿灯闪亮和黄灯应该按顺序发光；
反之，在东西方向机动车道的红灯发光时，南北方向机动车道应该按顺序点亮绿灯，绿灯闪亮和黄灯，南北和东西两个方向的人行道均设有通行绿灯和停止红灯，南北人行道通行绿灯应在南北向主干道直行绿灯点亮3S后才允许点亮，然后接3S绿闪，其他时间为红灯；
同样，东西人行道通行绿灯
4
于东西向主干道直行绿灯点亮3S后才允许点亮，然后接3S绿闪，其它时间为红灯。
（2）急车强通控制方式：
急车强通信号受急车强通开关控制。
无急车时，按正常循环时序控制，有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止，将急车强通开关断开，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3次。
随后按正常时序控制。
急车强通信号只能响应一路方向的来车，若两个方向先后来急车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。
（3）智能控制方式：
一个周期中，若东西与南北的两个方向车流量都小于20，则按原有的；
红灯亮25s，绿灯亮20s闪3s，黄灯亮2s进行循环；
若东西与南北的两个方向都大于20，则也按照原有的时间进行循环；
若东西与南北大的两个车流量中有一个车流量大于20，而另一方向小于20时，则车流量大的一方绿灯加时20s，车流量小的一方红灯加时20s，依次循环检测改变交通灯时间。
3.2车辆的检测
（1）感应线圈
电感式传感器最重要的就是埋在公路下的环状绝缘电线。
每当高频电流通过电感时，公路面上就会形成如下图3-1里虚线所形成的高频磁场。
汽车进到这一区域时，汽车就会有涡流损耗，环状绝缘电线的电感会减少。
车辆刚好在感应线圈上方的时候，感应线圈的电感会减至最小。
车辆离开这段区域时，感应线圈电感渐渐恢复初始状态。
因为电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅与相位发生变化，所以在环的始端连上检测相位或者振幅转变的检测器，便可获得车辆通过时的电信号。
如果将环状绝缘电线当做振荡电路的一部分，那只要检测振荡频率的改变便能得知汽车的存在与通过。
电感式传感器的高频电流频率约为60kHz，尺寸为3×
2m，电感约为100μH。
这类传感器能够检测到的电感变化率应在0.3％以上。
电感式传感器装在道路下方，从安全与美观考虑,它是最理想的传感器，传感器最好可以采用防潮的原料加工。
（2）电路
可以详细测量出车辆是否通过的方法就是在感应线圈的开始的那头连上检测电流与电感变量的检测器,再将其变成标准脉冲电压输出。
它的详细电路图由信号源部份、比较鉴别部份、检测部份。
其原理图如下 3-1及3-2两图所画,输出脉冲波形看下图。
5
（3）传感器的铺设
图3-1车辆检测原理图及检测电路电压脉冲输出波形
图3-2车辆存在与检测电路原理框图
（4）汽车计数
汽车计数是智能控制最重要的一部分，为了避免汽车发生漏查的状况，环形绝缘电线在地底的埋设方案大家采用在所有机动车道上的出口处（人行横道线）以及在离出口处合理距离的进口处各埋设一个一样的传感器，方案如图3-3（用最常见的十字路口举例），同一条车道上的两个传感器相隔的间距为该车道正常通车时可承受的最长停车长队为准。
6
图3-3传感器的铺设
3.3系统设计方案分析
3.3.1系统设计时序图
图3-4主干道时序图
本设计中主干道上的交通灯时序图如上图3-4所示。
7
图3-5人行道时序图
本设计中人行道的交通灯时序图如上图3-5所示。
3.3.2I/O分配表
下表所示的表3-1为本设计中的I/O分配表。
表3-1
I
/O分配表
输入信号
输出信号
X0
复位
Y0 南北主绿
X1
启动
Y1 南北主黄
X2
停止
Y2 南北主红
X3
南北紧急
Y3 南北人红
X4
东西紧急
Y4 南北人绿
X5
C0
Y10 东西主红
X6
C1
Y11 东西主绿
X7
C2
Y12 东西主黄
X10
C3
Y13 东西人绿
Y14 东西人红
8
3.3.3外部接线图
图3-6外部接线图
按照上表3-1的信息与设计要求，制作出了这次任务的外部接线图如上图3-6所示。
4程序设计图
4.1智能交通灯PLC状态转移图设计
图4-1状态转移图
这次设计所编写的PLC程序中的状态转运图如上图4-1所示。
9
4.2智能交通灯PLC梯形图设计
这次设计的PLC梯形图全部程序详见最后附录。
4.3部分程序分析
图4-2比较指令图
上图4-2为比较指令的程序截图，其解释说明详见下表4-1与导通条件。
CMP比较指令说明：
表4-1比较指令解释说明
<
10
=10
>
计数器
设置方位
M0
M1
M2
北
M3
M4
M5
南
M6
M7
M8
西
M9
M10
M11
东
导通条件：
当车流量小于10（C<
10）时，M0，M3，M6，M9导通当车流量等于10（C=10）时，M1，M4，M7，M10导通当车流量大于10（C>
10）时，M2，M5，M8，M11导通
图4-3主干道时序控制
上图4-3表示当两条主干道上的车量都大于10或者小于10时，按正常时序进行控制。
图4-4南北正常通车转急通车
图4-5南北急通车转正常通车
上图4-4和图4-5表示当按下X3，主干道、人行道程序中断运行，转而南北急通车控制程序开始运行。
南北急通车控制程序执行结束后跳转到正常通车时的控制程序。
图4-6东西正常通车转急通车
11
图4-7东西急通车转正常通车
上图4-6和图4-7表示当按下X4，主干道、人行道程序中断运行，转而东西急通车控制程序开始运行。
东西急通车控制程序执行结束后跳转到正常通车时的控制程序。
4.4程序调试时遇见的问题和解决办法
问题：
编好所有指令后运行该程序，编辑完成后控制输出的灯没能全部发光。
分析：
这指出了控制此灯的步是错的或者本身就是死步。
解决办法：
重查梯形图，找出不对的地方，改正完成后转换成指令，插入进程序里，然后执行程序，程序运行无错误。
4.5程序的正常运行
当X0连接导通后，智能控制系统开始依照以下控制要求运行无错误。
5总结
这次的设计任务，想要一次性的把程序全部写对是相当困难的，在测试时就出现了许许多多的错误。
一开始的时把程序输入进去再执行，竟发现有好多灯根本无法发光，并在执行了一个周期后就循环停止了。
当时真的想不通该从何处开始修改，只能一个一个的检查最后终于找到了一个错误指令。
弄完之后灯是可以发光了，可循环依然还是那样。
在梯形图里又详细的检查了一遍却却还是找不到问题在哪。
经同学提醒后才想起编程器还能进行监控然后在执行程序的时候进行监控，发现缩编程序在执行第一周期的时候一切
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