交通灯控制系统设计.doc

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1、*学院毕业设计（论文）题目 交通灯控制系统设计 院系名称 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 答辩教师 时 间 摘 要 城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。目前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。所以经典控制法很难得到满意的效果。而模糊控制是一种无须建立数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制

2、进行了研究，但因研究的局限性，实际中得到应用的寥寥无几，本文实现基于PLC的交通信号的模糊控制系统。 根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。关键词：交通; 智能控制; PLC Abstract The muni pal transportation signal control is through the a

3、djustment，the waning and the induction which flows to the transmigration achieved improves the person and the cargo safe transportation, enhance the operation efficiency. Transport system is a random nature, ambiguity and uncertainty of complex systems, the establishment of mathematical models very

4、difficult and sometimes imposable to use existing mathematical methods described. the most adaptive signal control is used,it needs mathematical model,without considering traffic delays,And vague control is a mathematical model to control methods, it can imitate experienced police directing traffic,

5、ideas, achieve good control results. In recent years many of our scholars have different ideas of individual junction, traffic control Route vague studied, but the limitations of the theory and research scholars, the few practical applications, based on this achievement traffic signals vague PLC con

6、trol system. According to determine signal distribution and flow of the control system vague theoretical research results, the achievement of individual intersections with traffic lights blur PLC control methods for individual crossroads 4 phase of traffic lights, for example,the PLC as an ambiguous

7、 signal controllers using Ladder programming. through experiments that the reliable operation of the system to a vague under different traffic control decision-making, optimize signal distribution, which can effectively solve traffic imbalance,instability brought.Keywords：Transportation; Intelligent

8、 control; PLC 目 录中文摘要2英文摘要31 绪论52交通灯的设计要求7 2.1 十字路口交通灯的原理7 2.2 电路中主要元件的介绍82.2.1 熔断器82.2.2 中间继电器83 PLC的介绍10 3.1 PLC的特点及应用10 3.1.1 概述10 3.1.2 PLC的产生与定义10 3.1.3 PLC的特点11 3.1.4 PLC的应用与前景11 3.2 PLC的结构及原理11 3.2.1 PLC的分类11 3.2.2 PLC的结构11 3.2.3 PLC的工作原理12 3.2.4 PLC的汇编语言13 3.2.5 PLC交通灯毕业设计编程器件154 梯形图的设计与编程方法

9、16 4.1 控制要求16 4.2 控制时序16 43 PLC交通灯毕业设计硬件及外围元器件16 44 I/O 分配表16 4.5 PLC交通灯毕业设计梯形图18 4.6 PLC交通灯毕业设计指令图19 4.7 软件设计235交通灯的系统调试 5.1 控制系统的程序调试步骤23 5.2 调试过程遇到的问题及解决方法24结束语24致谢25参考文献261 绪 论随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。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

10、重要的组成部分不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭，许多大城市如郑州、北京、上海等出现了交通超负荷运行的情况，再加上政府大力发展的道交、出租车，使得车辆越来越多，这不仅要求道路要越来越宽阔，而且要求有新的交通管理模式和交通规则的出台。因此，很多城市纷纷扩建建城市道路，在道路建设完成的初期，它们也曾有

11、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道路的系统研究和控制，加宽道路并没有充分发挥出预期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。于是，旧的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾，使原来不太突出的交通问题被提上了日程。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多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，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。 所以，我结合大学三年当中的学习和知识积累，我总结了PLC课程的各项优点进行了一个十字路口智能交通灯的设计，程序简单易懂，控制方便，也充分总结了对PLC的这门

12、课程的理解，结合指导老师的指导与帮助顺利完成这个课程设计。2 交通灯的介绍2.1 十字路口交通灯的原理 十字路口交通灯的原理及示意图如图1.1是十字路口交通信号灯示意图, 本系统的控制对象有六个，分别为东西方向红灯两个，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。本控制系统律分为高峰时段和正常时段进行控制。 正常时段(8时16时、18时6时)：南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭，在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，

13、绿灯亮。东西红灯亮维持30秒，南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒后熄灭，同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭。这时南北红灯又亮，东西绿灯又同时亮，如此周而复始。高峰时段（6时8时、16时18时）：南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭，在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持40秒，南北绿灯亮维持35秒，然后闪亮3秒后熄灭，同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭。这时南北红灯又亮，东西绿灯又同时亮，如此周而复始2。Y0Y1Y2Y0 Y1 Y2Y4Y3Y5Y3Y

14、4Y5北东南西 图2.1 十字路口交通信号灯的示意图2.2 电路中主要元件的介绍2.2.1 熔断器1. 作用熔断器是一种简单的保护电器，串接于电路，当电路发生短路或过负荷时，熔体熔断自动断开电路，保护其他电气设备。2. 型号 8A3. 符号4. 工作要求熔体的额定电流要小于或等于熔断器的额定电流熔断器的电压大于或等于被保护的工作电压2.2.2 中间继电器1. 作用中间继电器作用是用来传递信号或同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件，它的结构和交流接触器基本相同，只是电磁系统小些，触点多些1。2. 型号 DC24V3. 符号 线圈 常开触点 常闭触点4. 工作要求 中

15、间继电器实质是一种电压继电器，触点对数多，触点容量较大(额定电流510A)5. 优点 体积小，动作灵敏度高，并在10A以下电路中可代替接触器起控制作用。3 PLC的介绍3.1 PLC的特点及应用3.1.1 概述可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置，目前已在工业、农业、商业、交通运输等领域得到广泛应用，成为各行业的通用控制核心产品，本章就可编程控制器的生产、定义、特点及发展趋势进行论述。3.1.2 PLC的产生与定义 可编程控制器，英文称programmable c

16、ontroller，简称PC，但由于PC容易和个人计算机（personal computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统的机械接触的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，

17、特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。可编程序控制器一直在发展中,所以至今尚未对其下最后的定义。在1987年国际电工学会（IEC）在第三稿中对PLC作了如下定义:可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的的机械或者生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于

18、扩充其功能的原则设计。3.1.3 PLC的特点 1. 可靠性高，抗干扰能力强； 2. 通用性高，使用方便； 3. 程序设计简单，易学易懂； 4. 采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便； 5. 系统设计周期短； 6. 安装简便，调试方便，维护工作量小； 7. 对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产。3.1.4 PLC的应用与前景 为了适应市场的各方面的需求,各生产厂家对PLC不断进行改进,推出功能更加强大、结果更加完美的新产品。这些新产品总体来说，朝两个方向发展：一个向超小型、专用化和低价格的方向发展，以进行单机控制；另一个是向大型化、高速化、多功能化和分布式全自动网络化方向发展，以适应现代化

19、的大型工厂、企业自动化的需要6。3.2 PLC的结构及原理3.2.1 PLC的分类 1 按PLC的结构形式分类：1）整体式；2）模块式。2 按PLC的I/O点数分类：1）小型256点以下；2）中型256点以上，2048点以下；3）大型2048点以上。3 按PLC的功能分类：低档型，中档型，高档型。3.2.2 PLC的结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或

20、机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。1 结构框图PLC 采用典型的计算机结构，由控制器（中央处理单元CPU存储器），输出接口电路)，输入接口电路，电源和编程器等部分组成,其基本结构框图如下： 图 3.1 PLC的基本结构框图其各部分作用： 1)中央处理单元（CPU），CPU是PLC的核心部件，与一般计算机中的CPU起着一样的作用。 2)存储器 存储器分两部分,一部分是系统存储器,另一部分是用户存储器。系统存储器主要存放系统运行和控制程序；用户存储器主要提供用户编制的控制程序。 3）输入/输出接口电路 4）编程器 PLC编程器的主要功能输入用户自己编写的控制程序，并可用它进行程序的编辑和监视

21、用户程序的执行情况。5）电源 PLC的输入电源一般使用直流220伏电源和交流24伏电源。3.2.3 PLC的工作原理 1 PLC的工作方式41）输入采样阶段：在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。 2） 用户程序执行阶段：逐条进行指令执行，结果送输出状态寄存器。 3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。3.2.4 PLC的汇编语言采用面向控制过程，面向问题，简单直观的P

22、LC编写横语言，常用的有：梯形图，语句表，功能图等。 1 梯形图由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但梯形图编程语言功能更强更方便。主要特点：1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，起使左母线。2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器”3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。 2 语句表又叫指令表，类似计算机汇编语言形式，用指令的记助符编程3。例：下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例： X000 X001

23、 Y000 X010 END图 3.2 三菱公司的FX2N系列产品它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END指令，结束程序。梯形图与助记符的对应关系： 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为：表 3.1 助记符程序地址指令变量0000LDX0000001ORX0100002ANDX0010003OUTY0000004END反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图3.2.5 PLC交通灯毕业设计编程器件一般情况下，

24、X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。4 梯形图的设计与编程方法4.1 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。4.2 控制时序交通灯示意图如图1所示，在东西南北两个方向均安装信号灯，两个方向各6个灯，分为红、黄、绿三种颜色。工作时序如图2所示，假设东西向较忙，绿灯时间是南北向的2倍(40s)。按下起动按钮后，南北向绿灯亮维持20s，20s后，南北黄灯闪烁3

25、次，计6S，期间，东西向红灯也亮，并维持26s；26s后，东西方向绿灯亮40s，后东西向黄灯闪烁3次，计6s，期间，南北向红灯也亮，并维持46so接下去周而复始，直到停止按钮被按下为止。43 PLC交通灯毕业设计硬件及外围元器件根据信号灯的控制要求，所有的器件有：三菱FX系列PLC、起动按钮SB1、停止按钮SB2、红黄绿色信号灯各4只，输入输出端口接线如图3所示。由图可见：起动按钮SB1接于输入继电器X0端，停止按钮SB2接于输入继电器XL端，东西方向的绿灯接于输出继电器Y5端，东西方向黄灯接于输出继电器Y4端，东西方向的红灯接于输出继电器Y3端，南北方向绿灯接于输出继电器Y2端，南北方向的黄

26、灯接于输出继电器Y1，南北方向红灯接于输出继电器Y0。将输出端的COM1及COM2用导线相连，输出端的电源为交流220V。如果信号灯的功率较大，一个输出继电器不能带动两只信号灯，可以采用一个输出点驱动一只信号灯，也可以采用输出继电器先带动中间继电器，再由中间继电器驱动信号灯5。44 I/O 分配表表 4.1 I/O分配表 4.5 PLC交通灯毕业设计梯形图图 4.2 梯形图4.6 PLC交通灯毕业设计指令图图 4.3 指令图4.7 软件设计 采用步进梯形指令双流程编程实现，应用并联分支结构，其状态转移图如图4所示。由图可知，我们把东西和南北方向信号灯的动作分成两个流程同时起动，分别运行各自的时

27、序动作，相互之间的配合由统一的时钟进行有机配合，不会出现差错。现仅以南北方向的动作简单分析一下工作原理，东西方向工作过程基本相同，在此不再赘述。系统起动时，利用M8002开机脉冲自动进入XO状态，系统处于等待状态。当启动按钮SB1按下时，xO11接通， Y1和Y4同时起动，Y1使南北绿灯亮，Y4使东西红灯亮(东西方向以下不分析)，x0起动的同时TO开始计时，20s后利用 常开接点的闭合使状态进入T4，此时Y3和Y5起动，T4使南北黄灯亮，T1计时6s，6s后进入T2，在T3状态下，起动CO和T2，此时南北黄灯灭，CO计数加1，T2时间到时，如果co,J-数不到3次，状态转到T0循环，如果CO计

28、数到3次，状态转入T4，这样就做到了南北方向黄灯闪烁3次的要求。南北方向黄灯闪烁3次后，系统进入T4状态，在T4状态下，为下次闪烁作好准备，同时起动Y3和Y5，Y1使南北红灯亮，亮46s后进入X0状态，至此南北方向的一个循环执行完，此时东西方向也应该完成，在两个方向都完成后(必须都完成)，又重新进入X0和X11，如此反复工作。在任何时候按下停止按钮SB2，Al接通，并复位相关状态和计数器，系统自动停止本组的毕业设计是用PLC控制十字路口交通灯，用PLC控制可以实现更多功能，同时也比较简单。由于现在越来越多的人拥有自己的汽车，从而使交通变得很繁忙，而早晚上下班时间更是交通的高峰期，同时也为了适应

29、不同路段的交通繁忙程度，所以本组设计了正常时段和高峰时段可以切换的程序，从而是本组设计的实用性更强。5 交通灯的系统调试5.1 控制系统的程序调试步骤1） 对于比较复杂的控制系统，需要绘制系统流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。由于本控制系统简单就可以省略这一步。2） 设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。3） 将程序输入到PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。4） 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。5.2 调试过程遇到的问题及解决方法1） 在起初情况，按下转换开关，根据设计的要求,应该亮

30、的灯有“南北红灯”、“东西绿灯”，由于设计中未考虑周全，当按下转换开关“X1”时，不仅“南北红灯”、“东西绿灯”亮，而且“南北绿灯”、“东西红灯”也亮，断电后，对程序进行检查，发现把程序转换到高峰时段后，没有对T0终止，所以才会出现灯亮混乱的情况。2）设计中T0T5为一个周期，当程序处在早上八点之后的正常时段时，程序运行了一个周期后，就不再循环了。断电后对程序进行检查，发现程序执行完一个周期后，T5没有被复位，检查得知是因为对T0的分段控制不当。对程序进行修改后，调试后都正常。结束语本组设计的是十字路口交通灯PLC控制系统设计与调试，由于这个课题和我们的生活联系很紧密，所以这让我们做起来相对简

31、单一点。 俗话说万事开头难，一开始我们没有头绪，但是在老师的指导下，我们慢慢的就理解了，然后就开始了设计。我们设计的路口交通灯的功能是，不同时段的交通状况不同，所以本次设计就分为正常时段和高峰时段。首先我们自己研究普通的交通灯，在了解透彻的情况下，老师又跟我们具体讲解这次设计的思想。把具体的要求给我们，然后又给我们提出了可能会遇到的问题让我们加以注意。分析这些问题之后，我们就开始做准备工作。首先我们做硬件设计，先画原理图和硬件接线图，在老师的指导下，我们顺利的完成了。然后就是确定元器件的型号，列元器件清单去购买。之后就是设计元器件的位置，使电路看起来整齐美观。接下来就是吧元器件按照原理图连接起

32、来，这一步一定要小心，因为元器件很容易损坏，而且一定要细心，因为电路很容易连错，而且错误不容易检查出来。老师帮我们检查之后就调试了，结果我们成功了，硬件的接线是正确的。下面就是软件的设计了，在编写程序之前，我们先对基本的电路进行了分析，在理解之后，我们就考虑怎样进行正常时段和高峰时段的跳转，老师也带领我们一起分析，起初我们的程序出现了错误，该亮的灯没亮，该灭的等没灭，而且不能进行跳转，在老师一次又一次的分析下，我们对程序进行修改、试验，最后终于成功了。在这几周的忙碌中，我学到了许多，虽然以前学过PLC，由于时间关系有些遗忘，这次设计正好加以温习，并且对于PLC有了进一步的了解。在老师、同学的帮

33、助下，我们很快完成了设计，我认为本次设计不仅仅学到了许多知识，也很好的锻炼了我们的合作意识。最后希望我们每个人都能够顺利的通过答辩，顺利的毕业。致 谢能够顺利完成这次PLC控制十字交通灯的毕业设计，首先要感谢我们的指导教师高*老师，从接到毕业设计的课题一直到现在的论文写作，高老师都给了我们莫大的帮助。期间高老师的课比较多，但是她仍然在百忙之中抽出时间来给我们辅导，最让我觉得感激也非常歉意的是许老师还怀有身孕，由于我们在做设计的过程中遇到好多不懂的问题，但许老师一直都是很耐心的解释给我们听，直到我们弄懂为止。其次，要感谢实验室的一些老师，因为在后期的调试过程，需要在试验室中进行，PLC的课程一直

34、都排的很满，但是老师们都帮助我们找空教室用，最终才能够把程序调试成功,在此谢谢你们。再次，也要感谢我同组的伙伴们，因为我们是一个团队，这项设计是要靠大家一起完成的。在此过程中，虽然我们有过争执，但所有的人都能够平静下来，每当遇到不懂的问题，其他的同学都会帮忙解决，因为我们互相理解、互相帮助，所以我们都学到了很多东西。总之，感谢以上提到的每位老师和同学，在此，向你们表示我衷心的谢意！参考文献1郁汉琪.电气控制与可编程控制器应用技术M.南京:东南大学出版社,2003.P1412宋伯生.陈东旭.PLC应用及实验教程M.北京:机械工业出版社,2006.P2123图解PLC与电气控制入门Z北京：人民邮电出版社.2008.94孙同景.PLC原理及工程应用D. 北京:机械工业出版社,2008.P2565钟肇新.范建东.冯太合.可编程控制器原理及应用M.广州:华南理工大学出版社.2008.P1886周波.胡修玉. 可编程控制器原理与应用M.北京:国防工业出版社.2008.P122