毕业设计-PLC红绿灯控制系统.

一、引言………………………………………………… 1 1.1 课题的理论与实际研究意义………………………… 2 1.2 PLC可编程控制器…………………………………… 2 1.3 可编程控制器的发展过程…………………………… 3 1.4 PLC运用于交通灯的优势…………………………… 4 1.5 S7系列可编程控制器………………………………… 4 二、硬件实现框架………………………………………… 6 2.1单片机控制系统总体设计方案………………………… 6 2.1.1 车辆的存在与通过的检测…………………………… 6 2.1.2 用PLC实现智能交通灯控制……………………… 7 三、设计过程……………………………………………… 9 3.1 工作原理……………………………………………… 8 3.2 A、B路口示意图…………………………………… 9 3.3 时序图………………………………………………… 10 3.4 A路口程序实现……………………………………… 11

3.4.1 A路口I/O分配表……………………………………… 11 3.4.2 A路口控制要求…………………………………………11 3.4.3 A路口梯形图设计…………………………………………11

3.5 B路口程序实现……………………………………… 15

3.5.1 B路口I/O分配表………………………………………… 15 3.5.2 B路口控制要求……………………………………… 15 3.5.3 B路口梯形图设计……………………………………… 16

四、结束语………………………………………………… 22 五、参考文献……………………………………………… 22

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关键词：交通 探测 车流量 可编程控制器

一、引言

1.1 课题的理论与实际研究意义

在大、中城市，十字道口的红绿灯是交通法规的无声命令，是司机和行人的行为准则。十字道口的交通红绿灯控制是保证交通安全和道路畅通的关键。当前，国内大多数城市正在采用“自动”红绿交通灯，它具有固定的“红灯—绿灯”转换间隔，并自动切换。它们一般由“通行与禁止时间控制显示、红黄绿三色信号灯和方向指示灯”三部分组成。在交通灯的通行与禁止时间控制显示中，通常要么东西、南北两方向各50秒；要么根据交通规律，东西方向60秒，南北方向40秒，时间控制都是固定的。交通灯的时间控制显示，以固定时间值预先“固化”在单片机中，每次只是以一定周期交替变化。但是，实际上不同时刻的车辆流通状况是十分复杂的，是高度非线性的、随机的，还经常受认为因素的影响。采用定时控制经常造成道路有效应用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车辆积压。它不顾当前道路上交通车辆数的实际情况变化，其最大的缺陷就在于当路况发生变化时，不能满足司机与路人的实际需要，轻者造成时间上的浪费，重者直接导致交通堵塞。

比如，有的时候东西方向车辆远远多于南北方向的车辆，那么在南北方向的通行时间停留就白白浪费了，而另一方面东西方向的车辆尚不能在规定时间疏散完毕，后面的车辆就必须等待下一轮通行时间显示的到来……又或者两个方向的车辆在下班高峰期间都剧增，而时间设置仍然是先前预设的50秒固定值，由此势必产生交通堵塞，导致城市交通效率的下降。

智能控制交通系统是目前研究方向，也已经取得了不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况：制作传感器探测车辆数量来控制交通时长。具体下：在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。

比较传统的定时交通灯与智能交通控制，可在后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通能行率，较全球定位系统而言成本更低。

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1.2 PLC可编程控制器

可编程序控制器（Programmable controller），简称PLC，是近年来发展迅速，应用面

广的工业控制装置。它广泛吸收了微电子技术，计算机技术以及通信技术的最新成果，从单机自动化到整条生产线乃至整个工厂的全自动化；从数控机床、工业机器人到分散控制系统；PLC都承担着极其重要的角色。现代企业中应用最广，最实用的自动化设备是PLC及其网络。

可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统。它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要选配，其软件则需根据控制要求进行设计。 1.3 可编程序控制器的发展过程

PLC是在20世纪60年代后期和70年代初期问世的。开始主要用于汽车制造业，当时汽车生产流水线控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的，汽车的每一次改型都要求生产流水线继电器控制装置重新设计，这样继电器控制装置就需要经常更改设计和安装，为此美国的数字设备公司（DEC）于1969年研制出世界第一台可编程序控制器。此后这项新技术迅速发展，并推动世界各国对可编程序控制器的研制和应用。日本、德国等先后研制出自己的可编程序控制器，其发展过程大致分为以下几个阶段：

第一阶段：功能简单。主要是逻辑运算、定时和计数功能，没有形成系列。与继电器控制相比，可靠性有一定提高。CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。目前此类产品已无人问津。

第二阶段：增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制。开始具备自诊断功能，存储器采用EPROM。此类PLC已退出市场。

第三阶段：将微处理器用于PLC中，而且向多微处理器发展，使PLC的功能和处理速度大大增强，具有通信功能和远程I/O能力。这类PLC仍在部分使用。

第四阶段：能完成对整个车间的监控，可在CRT上显示各种现场图像，灵活方便的完成各种控制和管理操作，可将多台PLC连接起来与大系统连成一体，实现网络资源共享。编程语言除了传统的梯形图、流程图、语句表等以外，还有用于算术运算的BAISC语言以及用于顺序控制的GRAPH语言，用于机床控制的数控语言等。是当前自动化的主流。 目前，为了适应大中小型企业的不同需要，扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，PLC

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正朝着以下两个方面发展：

1） 低档PLC向小型化，简易廉价方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制。 2） 中高档PLC向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制机的部分功能，

对复杂系统进行综合性自动控制。

1.4 PLC运用于交通灯的优势

PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC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，可对目前普遍使用信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。同时，PLC本身还具有通讯联网功能，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。

1.5 S7系列可编程控制器 1) S7-200可编程序控制器：

S7-200可编程序控制器无论独立运行，还是联接网络都能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织、机械、印刷机械、塑料机械、电梯等行业。S7-200 PLC系列具有极高的性能价格比。最初投入市场的有SIMATIC S7-200的CPU212和CPU214，而后又相继推出了CPU210和通信功能更强的CPU215和CPU216，最新的S7-200 PLC有CPU221、CPU222、CPU224、以及CPU226，可通过扩展I/O单元实现不同的控制。

SIMATIC S7-200

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2）S7-300可编程序控制器：

S7-300可编程序控制器是西门子公司于20世纪90年代中期推出的新一代PLC，它采用模块化结构设计，用户可根据自己的应用要求来选择正确的模块，它具有无排风扇设计，易于实现分布，用户友好等特点，具有最高级的工业兼容性，允许最高环境温度达60℃，安装方便，维护简单。S7-300通用型的特点是循环周期短，处理速度快，指令集功能强大，产品设计紧凑，模块化结构，适合密集安装。有不同档次的CPU，各种各样的功能模块和I/O模块可供选择。

SIMATIC S7-300

3）S7-400可编程序控制器：

S7-400可编程序控制器采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。系统包括：电源模板、中央处理单元、数字量输入\\输出信号模板。SIMATIC S7-400性能优越，环境适应性强，因此应用范围十分广泛。由于有很高的电磁兼容性和抗冲击、耐振动性能，因而能最大限度地满足各种工业标准。模板能带电插拔，允许环境温度为0－60℃，机架及模板安装非常简便。

SIMATIC S7-400

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二、硬件实现框架

2.1 单片机控制系统总体设计方案： 2.1.1车辆的存在与通过的检测

1）感应线圈(电感式传感器)

电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线（特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需先挖再埋）当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成如图1中虚线所形成的高频磁场。当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正在该感应线圈正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。

电感式传感器的高频电流频率为60kHz，尺寸为2×3m，电感约为100µH。这种传感器可检测的电感变化率在0.3%以上（1,2）。

电感式传感器安装在公路下面，我们从交通安全和美观考虑，它是理想的传感器。传感器最好选用防潮性能好的原材料。 2）电路

检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器，并将之转化为标准脉冲电压输出。其具体电路图由三部分组成：信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。原理框图及输出脉冲波形见图2所示。 3）传感器的铺设

车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设采取在每个车行道上中的出口地（停车线处）以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，方案如图3（以典型的十字路口为例），同一股道上的两传感器相距的距离为该股道运行时所允许的最长停车车龙为好。

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图1车辆检测原理图及检测电路电压脉冲输出波形

图2车辆存在与检测电路原理框图

图3传感器的铺设

2.1.2 用PLC实现智能交通灯控制

1) 控制系统的组成：

车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程序控制器（PLC）来实现。当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。我们选用PLC作为控制器件因为可编程序控制核心是

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一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程；它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便。

利用PLC，可使上述的各传感器以及各道口的信号灯与之直接相连，非常方便可靠，如图4所示。

图4用PLC实现智能交通灯控制原理框图

本设计例中，PLC选用FX2N－64，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输

出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。信号灯的选择：在本例中选用红、黄、绿发光二极管作为信号灯。

2) 车流量的计量

每股行车道的车流量通过PLC分别统计。当车辆进入路口经过第一个传感器时，使统计数加1，经过第一个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量（动态值），可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。

三、设计过程

3.1工作原理：

当接通电源I0.1和工作按钮I0.0，A、B路口交通灯同时开始工作，（A、B路口交通灯起始状态均为东西方向绿灯）。当交通灯开始工作后，我们设置A路口交通灯东西方向绿灯为50s，B路口为60s，B路口比A路口绿灯工作时间时多10s，也就是当A路口东西方向绿灯灭时，B路口还要经10s后才变为红灯，为了让后面的少部分车辆到下一个路口等待，从而减少B路口以后的路口的车流量压力。

而设置10s的原因是，经过长时间的路口实际考察，当A路口变为绿灯时，一般情况

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下即使是流量高峰10s的时间也不可能使A、B路口之间的距离完全充满车辆，而造成堵塞。除非是最极限的情况车辆为首尾相接，这时为紧急情况，那就要用到紧急情况程序来处理。

因为东西方向为我主干道，东西向的流量较大，所以两个路口的绿灯设置时间相对于南北方向的绿灯设置时间较长。我们在这里主要考虑的东西方向两个路口的相互控制。设置A路口南北方向绿灯时间为30s，南北方向绿灯时间为20s，这样设置时间是为了在A路口绿灯经过50s后变为红灯，这时B路口的绿灯还要经过10s才边成绿灯，这样设置使当B路口也变为红灯时，在从新变绿灯时两路口可以同步，这样就又回到初始状态，使之有规律的循环工作。 紧急情况：

经过组里成员对实际路口勘察，当车流量较多时，车辆源源不断，首尾相接，即为上边说的紧急情况。所以设计了紧急情况处理程序，由于东西向为主干道，所以设置绿灯延时较长，在A路口东西方向绿灯变为红灯，我们在B路口40m处设置了紧急情况延时传感器，当此处有车辆并停在此处10s后会启动T40，T40起到复位作用，也就是说让A、B路口恢复到初始工作状态（即东西方向为绿灯），使东西向不经过红灯状态剩余时间重新回到路灯状态来解决堵塞情况。

3.2 A、B路口示意图：

A路口 B路口

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3.3 时序图：

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3.4 A路口程序实现：

3.4.1 A路口I/O分配表： I0.0 I0.1 I0.3 M2.1 M2.2 T0-T6 T10、T11、M100

3.4.2 A路口控制要求：

在十字路口南北方向以及东西方向均设有红、黄、绿三只信号灯，六只信号灯依一定的顺序循环往复工作。信号灯受电源总开关控制，接通电源、信号灯系统开始工作；关闭电源总开关控制，所有的信号灯都熄灭。当程序运行出错，东西与南北方向的绿灯同时点亮时，程序自动关闭。在晚上车辆稀少时，要求交通灯处于下班状态，即两个方向的黄灯一直闪烁。 在信号灯工作期间，东西方向绿灯为50s，南北方向的绿灯时间为30s，在红灯亮时的最后2s，东西以及南北方向的黄灯长亮时间为2s，东西以及南北方向的绿灯为长亮45s，然后闪烁3s。

3.4.3 A路口梯形图设计：

工作按钮 故障信号 下班按钮 中间继电器 中间继电器 定时器 脉冲 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 T40 东西绿灯(50s) 东西黄灯(2s) 东西红灯(30s) 南北绿灯(30s) 南北黄灯(2s) 南北红灯(50s) 复 位

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3.5 B路口程序实现：

3.5.1 B路口I/O分配表： I0.0 I0.1 I0.3 M2.1 M2.2 T20-T26 T10、T11、M100

3.5.2 B路口控制要求：

在十字路口南北方向以及东西方向均设有红、黄、绿三只信号灯，六只信号 灯依一定的顺序循环往复工作。信号灯受电源总开关控制，接通电源、信号灯系统开始工作；关闭电源总开关控制，接通电源，信号灯系统开始工作；关闭电源，所有的信号灯都熄灭。当程序运行出错，东西与南北方向的绿灯同时点亮时，程序自动关闭。在晚上车辆稀少时，要求交通灯处于下班状态，即两个方向的黄灯一直闪烁。

在信号灯工作期间，东西方向绿灯为60s，南北方向的绿灯时间为55s，在红灯亮时的

工作按钮 故障信号 下班按钮 中间继电器 中间继电器 定时器 脉冲 Q5.0 Q5.1 Q5.2 Q5.3 Q5.4 Q5.5 T40 东西绿灯(60s) 东西黄灯(2s) 东西红灯(20s) 南北绿灯(20s) 南北黄灯(2s) 南北红灯(60s) 复 位 14

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最后2s，东西以及南北方向的黄灯同时长亮时间为2s，东西以及南北方向的绿灯为长亮25s，然后闪烁3s。

3.5.3 B路口梯形图设计：

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车流量大时的紧急情况：

脉冲程序：

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四、结束语

通过2个多月的努力，终于完成了这份设计，从初始相关的红绿灯技术材料的收集，熟悉PLC编程软件，SIMATIC S7系列可编程控制器，传感器等相关知识，到整体框架的实现。可以说我们付出了很大的努力。从起初对红绿灯的一窍不通，到可以独立的编写程序。当中和老师的指导、组里成员的努力是分不开的。在对红绿灯编程的过程中，我们学会了先画流程图再编写程序的良好习惯，它有利我们理清思路，更快更简洁地编写出程序。课程设计很能锻炼我们的自学能力和合作精神，本设计难免有错误和疏漏之处，希望各位老师给予批评指正。

五、参考文献

《SIMATIC可编程序控制器及应用》 孙海维 北京：机械工业出版社 2006 《传感器工作原理及应用实例》黄继昌等 北京：人民邮电出版社 1998

《道路交通分析与设计》英R.J索尔特 张佐周等译 北京：中国建筑工业出版社

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