基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计.docx

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基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计

基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计

摘要

随着经济的发展，车辆的数目不断增加，道路堵车现象日益严重，智能交通灯就应运而生了。

目前世界上的智能交通系统存在的问题是：

系统结构庞大、管理困难、维护投入大等。

为了改善现有的交通状况，迫切需要设计智能的交通灯控制系统。

智能交通灯是一项综合运用网络通讯计算机技术、感应技术来管理交通灯具的自动控制系统。

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。

总之，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，缓解主干通与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。

可编程控制器以微处理器为核心，普遍采用梯形图进行程序设计，编程容易，修改灵活，且结构简单，抗干扰能力强。

本设计采用德国西门子的S7-200系列的CPU226做主机，配以扩展模块EM222。

设计中采用了S7-200编程软件SETP7-Micro/WIN3.2进行编程，用梯形图设计程序，并配有输入输出I/O接线图。

本论文就城乡交通灯模拟控制系统的电路原理、设计计算等问题来进行具体分析讨论。

将智能控制方案和正常时序控制进行对比，它具有小型化、智能化、维修投入小、易于安装等特点。

与其他的智能交通系统相比该系统更适应经济和社会的发展，符合目前科技发展的现状。

关键词：

智能化；交通灯；PLC

IntelligentTrafficLightControlSystemDesignBasedonPLC

Abstract

Witheconomicdevelopmentandincreasingofthenumberofvehicles,roadcongestionisbecomingincreasinglyserious,sotheintelligenttrafficlightsisemerged.Atpresent,theworld'sIntelligentTransportationSystem'sproblemis:

hugestructure,difficultymanagedandthemaintenanceislargelyexpensive.Inordertoimprovetheexistingtrafficconditions,itisurgenttodesignasmallscalesmarttrafficlightssystem.

Intelligenttrafficlightsisacomprehensiveuseofcomputernetworkcommunicationtechnologyandsensortechnologytomanagetheautomaticcontrolsystemoftrafficlights.Urbantrafficcontrolsystemisusedforurbantrafficdatamonitoring,trafficsignalcontrolandtrafficmanagementcomputersystem,itisthemostimportantcomponentofmodernurbantrafficcontrolsystem.Inshort,themainproblemthathowtousetheappropriatecontrolmethodtomakefulluseofthehigh-speedroads,trunkroad,thatarecostlybuilt,andtheramptoalleviateurbanwiththeneighboringstateoftrafficcongestionhavebecomemoreandmoreurgenttothetrafficmanagementandurbanplanningdepartments.

Programmablecontroller,whosecoreisamicroprocessor,iscommonlyusedtodesignprogramwithladderappearancediagram（LAD）,itisalsoflexibleandeasytomodify,moreover,ithassimplestructureandstronganti-interferenceability.ThisreportusestheCPU226ofGermany'sSiemens'S7-200seriesasthehostcomputer,andtogetherwiththeexpansionmoduleEM222.Thelayoutisdesignedvia,andprogrammedbyladderappearancediagram,wealsopresenttheinputandoutputI/Owiringdiagram.Thisarticleontheurbantrafficlightcontrolsystemanalogcircuitandotherissuestodiscussspecificanalysis.Comparedtheintelligentcontrolsystemwiththenormaltimingcontrolsystem,ithassmallsize，intelligence,maintenanceintosmall,easytoinstallandsoon.Comparedwithotherintelligenttransportationsystem,itadaptstoeconomicandsocialdevelopment,inlinewiththecurrentstatusofscientificandtechnologicaldevelopment.

Keywords：

Intelligent;Trafficlights;PLC

第1章绪论

当今，红绿灯安装在各个道口上，己经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。

但这一技术在19世纪就己出现了。

1859年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。

这是世界上最早的交通信号灯。

1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。

它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。

1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。

电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。

红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。

带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。

红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。

红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于政导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义做了规定。

绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。

左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。

红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。

黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

交通灯发展现状

随着社会的发展和进步，上路的车辆越来超多，而通路建设却往往跟不上城市发展的速度，因此城市交通的问题日益突出，经常在十字路口等交通繁忙的地方发生堵塞情况，在这个时候，道路交通灯的正常运行以及合理的功能就是交通畅通的重要保证[1]。

目前设计智能交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法；有应用单片机实现对交通灯控制系统的设计；有应用PLC实现对交通信号灯设计的方法，但检测车流量的装置绝大多数都利用各种形式的传感器进行检测[2]。

单片机是单片微型计算机的简称，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用[3]，不少文献就将单片机应用到交通灯控制系统中。

文献[4]运用超声测距原理，就设计出一个以单片机为控制核心且能根据实时车流量来动态调节各路口通行时间的智能控制系统。

提高了交通路口通行效率，有效缓解了交通拥堵，并引入手动遥控模块，以应对严重交通拥堵。

笔者认为是一种比较好的控制方案。

针对道路交通拥挤、交叉路口经常出现拥堵的情况，文献[5]也设计出一种基于单片机的智能控制系统。

采用单片机作为核心控制器，组成一个集车流量采集、处理、自动控制为一身的闭环控制系统，通过仿真，系统还能进行倒计时显示，车流量检测及调整，交通违规处理和紧急处理等功能，但并未真正运用到实际。

文献[6]利用红外对管来实时检测车流量，也是利用单片机作为控制器来自动调节各路口时间，达到更加高效的车流控制和路口通行效果，并通过无线收发模块实现特种车辆的特殊准许通过。

文献[7]提出了一种新型的智能交通控制系统——基于单片机的智能交通灯控制系统。

通过传感器利用光学原理采用照相的方式，使光电池产生不同的电势。

对各个方向的车流量进行采集，由控制器单片机对采集数据进行比较，求出比值。

根据比较结果，将具体的车流量转换成两位车流量大小的比值。

根据比值与红绿灯时长的关系，输出时长控制信号，使交通灯时长可根据车流量改变。

PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置[8]。

它面向控制工程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM），已成为自动化系统的基本装置[9]。

文献[10]是将PLC应用到一个批量生产的化学过程控制中，不但能按照要求生产，而且生产一批产品所用的时间是最小的，这就足以说明PLC在控制方面的优势。

所以文献[11]就提出一个应用PLC作为交通控制系统的底层控制器的控制方案，PLC得到中心指令和该交叉路实时交通流量信息后，利用模糊控制策略进行决策，优化交叉口信号灯的配时，达到很好的交通控制效果，有效地解决了交通流量不均衡、不稳定带来的问题。

目前，国内的交通灯一般设在十字路口，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。

加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。

对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：

1.两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。

2.没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，譬如，消防车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停止，让紧急车通过。

1.2交通灯监控系统的设计意义

目前，我国城市十字路口的交通灯控制系统本上都采用定时控制方式。

这样必然产生如下弊端：

当某条道路的车流量很大却要等待红灯，而此时另一条空道或车流量相对少得多的道路却依然按原定时间亮着碌灯，这种现象是未对道路的实际情况进行实时监控所造成的。

这样的交通控制系统效率低，容易造成交通拥挤。

而且也浪费人力、物力。

因此，我们有必要寻求一种具有智能的交通控制系统。

这种智能交通控制系统能够根据车流量的变化自动调节红绿灯的时间长度，最大限度地减少十字路口车辆滞留现象，有效的缓解交通拥挤、实现交通控制系统的最优控制，大大的提高了交通控制系统的效率。

随着我国人民生活水平的不断提高，城市化的推进与私家车数量的猛增，道路交通拥挤的问题日益突出，可以预见。

智能交通控制系统将具有广大的应用前景。

1.3本文的主要工作

本设计采用PLC做控制，完成对十字路口交通灯的自动控制与监控，主要实现城市交通路口信号灯自动控制。

机动车是否违章、肇事记录的上传、存储和处理；实现显示、通信等功能。

从而保证了车辆在城市道路各路口顺畅通行以及安全。

第2章交通灯系统控制方案

2.1三种控制方式比较

目前普遍使用的电气控制方式主要有：

继电器接目器控制、可编程序控制器控制、单片机系统控制等

2.单片机系统控制

单片机微型计算机是微型型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。

单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

中央处理器、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

使用单片机设计交通灯控制系统采用MSC-51系列单片机ATSC51和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能很据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间。

使用单片机设计的优点在于它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。

但是编程复杂，对环境的要求较高，出现故障时进行调试不方便，可靠性不高。

2.1.2继电器接触控制

采用继电接触式控制系统设计交通灯控制系统，主要由继电器，接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方式是断续的，所以又称为断续控制系统。

虽然这种系统也具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，但这种控制系统的缺点是采用固定接线方式接线方式，接线多，灵活性差，工作频率低，触电易损坏，可靠性差。

2.1.3可编程序控制器控制

可编程控制器简称PC（ProgrammableController），它经历了可编程程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。

为与个人计算机（PC）相区别，现在把可编程逻辑控制器简称为PLC。

它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。

可编程序控制器控制系统是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻揖运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

它具有根强的抗干扰能为，广泛的适应能力和应用范围。

这也是区别于其他一股微型控制系统的一个重要特征。

如果采用PLC作为十字路口交通灯控制系统作为控制核心，只需将程序下载到PLC内即可。

并可通过通信随时对控制系统证行调试。

PLC适应环境的能力非常强，抗干扰等方面能力都非常强大。

性能价格也很高。

控制方案总体确定

可编程控制器控制技术与继电——接触器控制技术、单片机控制技术的异同点：

l、劝能强，性能价格比高

在实时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，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具休硬件结构软硬件结合，加以完善。

继电器是用于逻辑控制，起到过渡作用的，亦可控制小负载。

PLC是可编程逻辑控制器，是用软件来进行逻辑控制的，而继电器是用硬件结构来控制的。

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。

可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品己经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。

用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规摸的系统。

可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一殷的电磁阀和交流接触器。

3、可靠性高，抗干扰能力强

单片机是靠程序的，井且可以修改。

通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。

而PLC的编程更比单片机通俗易懂。

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由干触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10——1/l00，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

4、系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电摇、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。

完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时闻比继电器系统少得多。

5、编程方法简单

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，共电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图和单片机的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户捏序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

6、维修工作量少，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

这些郁是继电器和单片机无法比拟的。

7、体积小，能耗低心

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2——1/10。

PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。

将PLC用于对交通信号灯的往制，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。

综合以上优点，所以，本设计采用可编程序控制器控制系统。

2.3系统方案设计

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。

交通灯示意图如图2.1所示，在东西向南北向两个方向均安装信号灯，两个方向各6个灯，分为三个方向及红、黄、绿三种颜色。

2.3.1正常控制过程

任何干道上右行灯一直绿，也就是说任何干道上的车总能向右拐。

交通灯控制时车辆运行情况如图2.2—2.5所示，南北干道上直行车辆先过，然后依次左拐；东西边车辆直行通过，然后依次左拐。

正常循环控制方式交通灯变化顺序表：

（1）南北道上交通灯：

直行绿灯亮25秒后，闪烁3次（1秒/次），接着黄灯亮，2秒后红灯亮70秒。

图2.2南北道直行图2.3南北道左拐

图2.4东西道直行图2.5东西道左拐

（2）南北道上交通灯：

左行红灯亮30秒，绿灯亮15秒后绿灯闪烁3次（1秒/次），接着黄灯亮2秒后红灯亮80秒。

（3）东西道上交通灯：

直行红灯亮50秒，绿灯亮25秒后绿灯闪烁3次（1秒/次），接着黄灯亮2秒后红灯亮90秒。

（4）东西道上交通灯：

左行红灯亮80秒，绿灯亮15秒后绿灯闪烁3次（1秒/次），接着黄灯亮2秒后红灯亮80秒。

初始化时

（1）—（4）的状态同时进行。

其时序图如图2.6所示：

图2.6交通信号灯时序图

2.3.2智能控制方案

正常控制时，相对两个道上的直通和左行是同时进行的，如果直行或左行有一个道上的车流量很少（在10秒内没有一个车通过），则应该变为红灯，在不干扰正在通行的车辆的情况下让其他道上的车辆通过，这样就能有效减少等待时间，提高路口通行效率。

比如如图2.2所示，当南边车道直行没有车辆通过时，可以让东边车道上的左拐车辆通过；南北车道上都没有车辆通过时，将其对应的交通灯都变为红灯，绿灯转向东西边车道，让东西边车道通行，以此类推。

车流量通过地埋压力开关检测器进行检测，当车压过检测器时，检测器就产生一个脉冲信号给PLC，PLC接收到信号就知道这个道上还有车辆走过。

当连续10秒没有脉冲信号时，PLC就判断该车道无车辆（车流量很少），让其他可以通过的车辆通行，并在其对应的信号灯上显示倒计时。

第3章硬件电路简介

3.1PLC的基本组成和各部分作用

3.1.1PLC基本组成

从广义上说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。

所以PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器（CPU））、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等，如图3.1所示。

图3.1可变程序控制器的基本组成

3.1.2PLC各部分作用

1、中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU）

中央处理单元是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。

微处理器是PLC的运算和控制中心，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。

它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。

其主要任务有：

控制从编程器输入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过输入部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传递、逻辑运算或数字运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经由输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

PLC常用的微处理器主要有通用微处理器、单片机、位片式微处理器。

一般说来，小型PLC大多采用8位微处理器或单片机作为CPU，如Z