道路交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文作者 學(xué)號(hào) 系部 機(jī)電學(xué)院 專業(yè) 機(jī)電一體化技術(shù) 題目 道路交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 評閱教師 完成時(shí)間： 2013年 4 月 30日 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中文摘要道路交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)摘要:PLC作為一種使用廣泛的工業(yè)控制裝置，現(xiàn)在已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于交通信號(hào)燈系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，縮短車輛通行等候時(shí)間，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。在本文的設(shè)計(jì)中，還引入EDA模擬十字路口紅綠燈閃亮及車輛通行，十分形象地顯示出了PLC在交通燈系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞: 道路 交通信號(hào)燈 PLC控制 設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文摘要Title : Road t

2、raffic light control system analysis and designAbstract: PLC as a kind of widely used industrial control equipment, is now increasingly used in traffic lights system, which can realize automatic control of traffic signal system, shorten the vehicles waiting time, realize the scientific management. I

3、n the design of this paper, also introduced EDA simulation crossroads traffic lights ablaze and vehicle traffic, very vividly shows the practical application of the PLC in the traffic light system. Key words: Road traffic-lights PLC-control design目錄1 緒論52 PLC的基礎(chǔ)知識(shí)52.1PLC的特點(diǎn)62.2PLC的工作原理73 道路交通信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4、與仿真83.1 控制要求83.2 硬件設(shè)計(jì)83.2.1 交通信號(hào)燈PLC的輸入/輸出點(diǎn)的分配表83.2.2 交通信號(hào)燈PLC控制硬件接線圖93.3 軟件設(shè)計(jì)93.3.1 交通信號(hào)燈PLC控制梯形圖93.3.2 交通信號(hào)燈的PLC狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖控制程序113.3.3 程序說明123.3.4交通信號(hào)燈工作的時(shí)序波形圖12結(jié) 論13參考文獻(xiàn)15161 緒論隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分

5、。隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，許多大城市如南京、上海、北京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況。因此，近二、三十年來這些城市紛紛修建城市高速道路。高速道路的建設(shè)有效地改善了交通狀況。但是隨著交通車量的快速增長，以及對高速道路的系統(tǒng)研究和控制的缺乏，高速道路沒有充分發(fā)揮出它的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。特別是到了上下班的時(shí)候,許多車輛在路口浪費(fèi)了很多的時(shí)

6、間,不僅給車主帶了很多的麻煩也給交通部門帶了不少麻煩。為了解決這些問題,國家政府也花了不少的心思和精力去研究,探討。為了能有效地解決交通問題,直接有效的方法之一就是對交通燈進(jìn)行了研究和改善,調(diào)整交通燈的時(shí)間控制和變換頻率以及工作時(shí)間的控制,從而使交通更為暢通和安全,提高了交通燈的自身作用和價(jià)值。本文就是通過對典型路口交通狀況進(jìn)行研究調(diào)查，并采用PLC控制器實(shí)現(xiàn)對道路交通信號(hào)燈的智能控制。2 PLC的基礎(chǔ)知識(shí)PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），它是以CPU為核心的新型工業(yè)控制裝置，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)

7、程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程 。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按易于工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC將傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相融合而發(fā)展起來的一種新型的控制裝置 。在具體的國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用中，由于它不是針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，因此它的硬件應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來進(jìn)行配置，其控制程序則根據(jù)控制要求進(jìn)行編寫。2.1 PLC的特點(diǎn)PLC具有以下主要特點(diǎn)。(1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造

8、，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。由于PLC模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，所以的I/O接口電路均采用光電隔離;在結(jié)構(gòu)上對、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮;在硬件上采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施;在軟件上采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施。以上這些使PLC具有較高的抗干擾能力。(2) 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)在PLC控制系統(tǒng)中，只需要在PLC輸入/輸出端子上接入相應(yīng)的信號(hào)線即可，不需要連接如繼電器之類的低壓電器和大量而又復(fù)雜的硬件接線線路 ，大大簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。PLC的輸入/輸出可直接與交流220V、直流24V等強(qiáng)電相連，并且具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。(3)

9、 編程方便，易于使用PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。(4)功能完善PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)

10、控制中。在PLC內(nèi)部具備許多控制功能，如：邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)控制、PID控制、數(shù)據(jù)控制、通信和聯(lián)網(wǎng)，還有其他特殊功能模塊。(5) 設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。（6）體積小，維護(hù)操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝，不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解

11、運(yùn)行情況和查找故障。2.2 PLC的工作原理在種類繁多的PLC中，其組成結(jié)構(gòu)和工作原理都基本相同。它主要由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入/輸出接口電路等組成。當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段三個(gè)部分。這上述3個(gè)階段即為一個(gè)周期。在整個(gè)運(yùn)行期間PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)階段。(1)輸入采樣階段PLC。在輸入采樣階段，先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態(tài)存入對應(yīng)的輸入元件映像寄存器。此時(shí)，輸入元件映像寄存器被刷新，接著進(jìn)入用戶程序執(zhí)行階段。在用戶程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器與外界隔離，無論輸入端子信號(hào)如何變化

12、，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個(gè)掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新內(nèi)容重新寫入。(2)用戶程序執(zhí)行階段。根據(jù)PLC梯形圖程序掃描規(guī)則，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句掃描。當(dāng)指令中涉及輸入/輸出時(shí)，PLC從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應(yīng)輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說，每一個(gè)元件的狀態(tài)會(huì)隨程序的執(zhí)行過程而變化。(3)輸出刷新階段。在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態(tài)在（通/斷）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。對于小型PL

13、C，I/O點(diǎn)數(shù)較少，用戶程序較短，用集中采樣集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入點(diǎn)在上有個(gè)刷新期間的通/斷狀。3 道路交通信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真本人實(shí)地考察了江蘇省句容市華陽東路十字路口和人民路十字路口的交通狀況，觀察并記錄下交通信號(hào)燈的變化規(guī)律，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)出該類大流量交通路口交通燈的PLC控制系統(tǒng)。3.1 控制要求(1)信號(hào)燈由一個(gè)按鈕控制其啟動(dòng)，一個(gè)按鈕控制其停止。 (2)信號(hào)燈分為南北綠燈，南北黃燈，南北紅燈和東西綠燈，東西黃燈，東

14、西紅燈。 (3)南北紅燈亮，并維持25S。當(dāng)南北紅燈亮?xí)r，東西綠燈也亮，維持20S后，東西綠燈閃爍3S后熄滅，然后東西黃燈亮2S后熄滅，接著東西紅燈亮，南北綠燈亮。 (4)東西紅燈亮，并維持30S。當(dāng)東西紅燈亮?xí)r， 南北綠燈也亮，維持25S后， 南北綠燈閃爍3S后熄滅，然后南北黃燈亮2S后熄滅，接著南北紅燈亮， 東西綠燈亮。該路口交通燈按以上方式周而復(fù)始地工作。具體工作過程見下表1。表1 交通燈工作過程表東西 信號(hào) 綠燈亮 綠燈閃 黃燈亮 紅燈亮 時(shí)間 20S 3S 2S 30S 南北 信號(hào) 紅燈亮 綠燈亮 綠燈閃 黃燈亮 時(shí)間 25S 25S 3S 2S3.2 硬件設(shè)計(jì)3.2.1 交通信號(hào)燈

15、PLC的輸入/輸出點(diǎn)的分配表表2 交通信號(hào)燈PLC的輸入/輸出點(diǎn)的分配表輸入信號(hào)輸出信號(hào) 名稱 代號(hào) 輸入點(diǎn)地址啟動(dòng)按鈕 SB1 XOO0停止按鈕 SB2 XOO1 名稱 代號(hào) 輸出點(diǎn)地址東西綠燈 HL1-1 HL1-2 Y000東西黃燈 HL2-1 HL2-2 Y001 東西紅燈 HL3-1 HL3-2 Y002南北綠燈 HL5-1 HL5-2 Y004南北黃燈 HL6-1 HL6-2 Y005南北紅燈 HL7-1 HL7-2 Y0063.2.2 交通信號(hào)燈PLC控制硬件接線圖圖 1硬件接線圖由圖可見：起動(dòng)按鈕SB1接于輸入繼電器XO端，停止按鈕SB2接于輸入繼電器X1端，東西方向的綠燈接于

16、輸出繼電器Y0端，東西方向黃燈接于輸入繼電器Y1端，東西方向的紅燈接于輸出繼電器Y2端，南北方向綠燈接于輸出繼電器Y4端，南北方向的黃燈接于輸出繼電器Y5，南北方向紅接于輸出繼電器Y6。將輸出端的COM1及COM2用導(dǎo)線相連，輸出端的電源為交流220V。如果信號(hào)燈的功率較大，一個(gè)輸出繼電器不能帶動(dòng)兩只信號(hào)燈，可以采用一個(gè)輸出點(diǎn)驅(qū)動(dòng)一只信號(hào)燈，也可以采用輸出繼電器先帶動(dòng)中間繼電器，再由中間繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈。3.3 軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)交通信號(hào)燈的PLC梯形圖和指令語句控制程序。3.3.1 交通信號(hào)燈PLC控制梯形圖圖 2 梯形圖控制程序交通燈工作時(shí)，PLC處于運(yùn)行狀態(tài)。按動(dòng)起動(dòng)按鈕SB1，則輔助繼電器

17、M10得電并自鎖，由梯形圖可知，首先接通輸出繼電器Y6，及Y0，使得南北方向的紅燈亮、東西方向的綠燈亮。大家根據(jù)梯形圖的文字說明及圖3的時(shí)序圖，不難分析交通信號(hào)燈的整個(gè)周期工作過程。按停止按鈕SB2，則輔助繼電器M100斷電并解除自鎖。整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行，所有信號(hào)燈熄滅。按上述指令輸入PLC編程器運(yùn)行。3.3.2 交通信號(hào)燈的PLC狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖控制程序圖 3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖程序3.3.3 程序說明(1)信號(hào)燈由SB1按鈕控制其啟動(dòng)，SB2控制其停止。 (2)信號(hào)燈分為南北綠燈，南被黃燈，南北紅燈和東西綠燈，東西黃燈，東西紅燈。 (3)南北紅燈亮，并維持25S。當(dāng)南北紅燈亮?xí)r，東西綠燈也亮，維持20S后

18、，東西綠燈閃爍3S后熄滅，然后東西黃燈亮2S后熄滅，接著東西紅燈亮，南北綠燈亮。 (4)東西紅燈亮，并維持30S。當(dāng)東西紅燈亮?xí)r， 南北綠燈也亮，維持25S后， 南北綠燈閃爍3S后熄滅，然后南北黃燈亮2S后熄滅，接著南北紅燈亮， 東西綠燈亮。按以上方式周而復(fù)始地工作。3.3.4交通信號(hào)燈工作的時(shí)序波形圖圖 4 交通信號(hào)燈的狀態(tài)波形圖結(jié) 論在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里老想著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間用去很多。我趁著做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)也對原來所學(xué)的專業(yè)知識(shí)有了鞏固和加強(qiáng)。平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程曲折可謂一語難盡。在此期間我們也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時(shí)的滿富激情到后來汗水背后的復(fù)雜心情，點(diǎn)點(diǎn)滴滴無不令