基于低压器件的交通灯时序控制设计.docx
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基于低压器件的交通灯时序控制设计
高低压电器
课程设计报告
项目名称：
基于低压器件的交通灯时序控制设计
院系名称：
电子与电气工程系
学年学期：
专业班级：
指导教师：
设计时间：
2012年7月2日至2012年7月6日
姓名学号：
评定成绩：
任务书…………………………………………………………1
一、内容提要…………………………………………………6
二、设计流程…………………………………………………6
三、设计内容…………………………………………………7
（一）任务一……………………………………………………………7
（二）任务二……………………………………………………11
（三）任务二……………………………………………………14
（四）任务三……………………………………………………………17
四、设计总结…………………………………………………21
五、参考文献…………………………………………………21
六、附录………………………………………………………21
（一）硬件连接实物图…………………………………………………21
（二）电路原理图………………………………………………………24
《高低压电器》课程设计任务书
一、设计目的
1、通过本课程设计，使学生对常用低压电器的结构有直观的认识并深刻理解其工作原理，通过对高压电器和低压电器课程的学习与相关实验的训练，重点掌握对高低压电器中的接触器、时间延时继电器、开关等常见开关器件性能了解和相关应用。
特别是针对具体实际要求，能够有效合理的选择对应器件，并对控制电路的设计进行合理有效的分析布局。
2、通过本课程设计，在指导老师的讲解和引导下，能够结合已有知识和技术解决不算复杂但相对综合性的问题。
在设计过程中，要求学生能够全面考虑相互联系的各个方面，并能合理有效的解决出现的问题性，培养学生综合知识和分析问题的能力。
3、培养学生撰写实验报告、研究论文等基本科研能力。
二、设计任务及要求
设计任务描述：
本次课程设计主要是通过前期学习过的高低压电器中的相关知识，针对实际运行的交通灯时序进行合理有效的设计，并且解决处理相应的突发性问题，
图1为常见交通灯分布图，为了保证交通能够正常运行，必须保证东西方向与南北方向控制顺序实现互补。
图1交通灯分布图
相关时序要求如下所示：
任务一、完成如图2到图7所示的红绿灯循环切换
图2红绿灯循环切换
图3红绿灯等比循环切换
图4红绿灯循环切换
图5红绿灯循环切换
图6红绿灯循环切换
图7红绿灯循环切换
图8红绿灯循环切换
（注意1要能初始控制；2:
要能循环起来；3要避免时间继电器引起的竞争问题）
任务二：
（与中各选一图做）
完成如图9所示的红绿灯循环切换
图9-1仅红绿灯作用时序图
图9-2仅红绿灯作用时序图
图9-3附加题仅红绿灯作用时序图
完成如图10所示的红绿黄灯循环切换
图10-1红绿黄灯作用时序图
图10-2红绿黄灯作用时序图
图10-3附加题红绿黄等作用时序图
任务三：
完成特殊事件（消防车通过）行程开关锁灯设计
消防车或者救护车通过一个方向时，要求通过方向保持绿灯，交叉方向保持红灯。
补充任务：
完成南北或者东西同时绿灯或者红的的故障排除
南北或者东西方向同时出现红灯或者绿灯时，进行故障报警。
三、设计时间进度安排
时间
周次
任务
备注
周
周一
上午
讲解设计目的、要求和方法，分组选题
下午
熟悉基本控制流程，绘制草图，准备器件选型
周
周二
上午
设计电路，分组答辩，提出设计方案，分发相应器件
下午
完成任务书任务一
周
周三
上午
完成任务书要求任务二
下午
周
周四
上午
完成任务书要求任务三
下午
周
周五
上午
完成系统总调试书写报告
下午
课程设计作品验收，上交课程设计报告
一、内容提要
在自动控制系统中，常用到以时间为参数的控制电路，例如十字路口的交通灯时序控制。
交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展而产生的一套独特的公共管理系统。
十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行，实现红绿灯的自动指挥能够使交通管理工作得到改善，也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。
本课题即是利用时间继电器、接触器组成的控制电路来解决十字路口交通信号灯控制的问题。
时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理来实现延时控制的自动开关装置，主要用在较低电压或较小电流的电路上，在电气控制系统中是一个非常重要的元器件。
。
当它接受启动信号后开始计时，计时结束后，其工作触头进行开或合的动作，从而推动后续的电路工作。
一般来说，时间继电器的延时性能在设计的范围内是可以调节的，从而方便调整它的延时时间长短。
通过配置一定数量的时间继电器可以实现开始延时闭合，闭合一段时间后再断开，先实现延时闭合后延时断开。
本次设计即是基于低压器件的十字路口交通灯时序控制系统，以时间继电器为核心来设计满足不同时序情况的交通信号灯控制电路，并用实物进行模拟控制，从而验证设计方案的正确性。
二、设计流程
整体设计流程可分为如下六部分：
（1）根据任务提出的要求进行小组讨论，并初步确定大体实现方案。
（2）小组成员合理分配任务，设计并绘制主电路与控制电路草图。
（3）对设计草图进行进一步分析、修改，画出正式设计原理图。
（4）选择合适的电器器件，并进行硬件线路连接，验证设计方案的正确性。
（5）进行系统调试，并根据硬件的实际实现情况对设计方案进行进一步修改、改进。
（6）确定最终设计方案，并请老师查看、验收，同时保留相关设计图片和视频。
具体流程图如图1所示：
图1.红绿灯控制系统设计流程图
三、设计内容
（一）任务一.图3.红绿灯等比循环切换：
1.时序图如图2所示：
图2.红绿灯等比循环切换时序图
2.电路设计所用器件列表如表1所示：
表1.任务一.图3所用器件列表
3.电路原理图：
（1）系统主电路图如图3所示：
图3.主回路电路图
（2）系统控制电路图如图4所示：
图4.控制电路电路图
（3）总体电路图如图5所示：
图5.总体电路图
4.设计思路：
红灯、绿灯的亮灭可分别通过控制接触器线圈KM1、KM2是否得电来实现。
红灯在第4s灭可由时间继电器KT1延时4s来实现；在第5s亮可由时间继电器KT1、KT2各延时4s、1s来实现；在第6s灭可由KT1、KT3各延时4s、2s来实现。
绿灯在第7s亮可由时间继电器KT1、KT4各延时4s、3s来实现；在第11s亮可由时间继电器KT1、KT4、KT5各延时4s、3s、4s来实现；在第12s亮可由时间继电器KT1、KT4、KT5、KT6各延时4s、3s、4s、1s来实现；在第13s亮可由时间继电器KT1、KT4、KT5、KT7各延时4s、3s、4s、2s来实现；
电路进入下一循环的功能可由时间继电器KT1、KT4、KT5、KT8各延时4s、3s、4s、3s，然后KT8的常闭延时触点切断KT1线圈支路，使KT1线圈断电来实现。
5.电路分析：
当电路接通电源，合上刀开关QS时，线圈KM1得电，红灯亮。
同时线圈KT1也得电，延时4s之后，其常开延时触点KT1闭合，线圈KT2、KT3、KT4同时得电，KT2瞬动常闭触点断开，线圈KM1断电，红灯灭。
又延时1s后，KT2的常开延时触点闭合，线圈KM1得电，红灯亮。
当KT3的2s延时时间到时，其常闭延时触点断开，线圈KM1断电，红灯灭。
然后KT4的3s延时时间到，其常开延时触点KT4闭合，线圈KT5、KM2得电，绿灯亮。
延时4s后，KT5常开延时触点闭合，常闭延时触点断开，线圈KM2断电，绿灯灭，线圈KT6、KT7、KT8同时得电。
当KT6的1s延时时间到，其常开延时触点闭合，绿灯亮。
当KT7的2s延时时间到，其常闭延时触点断开，线圈KM2断电，绿灯灭。
当KT8的3s延时时间到，其常闭延时触点断开，使得线圈KM1断电，整个电路回到了初始状态，开始进入下一个工作循环。
6.硬件连线图：
系统的具体硬件连线图如图6所示：
图6.任务一.图3.硬件连线图
（二）任务二.图9-1.仅红绿灯作用时序图（东西方向）：
1.时序图如图7所示：
图7.仅红绿灯作用时序图
2.电路设计所用器件列表如表2所示：
表2.任务二.图9-1所用器件列表
3.原理图：
（1）系统主电路图如图8所示：
图8.主回路电路图
（2）系统控制电路图如图9所示：
图9.控制电路电路图
（3）总体电路图如图10所示：
图10.总体电路图
4.设计思路：
红灯、绿灯的亮灭可分别通过控制接触器线圈KM1、KM2是否得电来实现。
红灯在第10s时灭、绿灯在第10s时亮可由时间继电器KT1延时10s，并与KT2的瞬动常开触点相配合来实现；绿灯在第16s时灭可由时间继电器KT1、KT2分别延时10s、6s来实现；绿灯亮2s、灭2s可由KT1、KT3、KT4分别延时10s、8s、10s来实现。
电路进入下一个循环状态可由KT1、KT4均延时10s，然后KT1的常闭延时触点切断KT1线圈支路，使KT1线圈断电来实现。
5.电路分析：
当电路接通电源，合上刀开关QS时，线圈KM1得电，红灯亮。
线圈KT1也得电，延时10s后，其常开延时触点KT1闭合，线圈KT2、KT3、KT4同时得电，KT2瞬动常开触点闭合，线圈KM2得电，绿灯亮。
当KT2的6s延时时间到时，其常闭延时触点断开，线圈KM2断电，绿灯灭。
然后KT3的8s延时时间到，其常开延时触点闭合，线圈KM2得电，绿灯亮。
当KT4的10s延时时间到，其常闭延时触点断开，绿灯灭，同时线圈KT1断电，整个电路回到初始状态，开始进入下一个工作循环。
6.硬件连线图：
系统的具体硬件连线图如图11所示：
图11.任务二.图9-1硬件连线图
（三）任务二.图10-1.红绿黄灯作用时序图（东西方向）：
1.时序图如图12所示：
图12.红绿黄灯作用时序图
2.电路设计所用器件列表如表3所示：
表3.任务二.图10-1所用器件列表
3.原理图：
（1）系统主电路图如图13所示：
图13.主回路电路图
（2）系统控制电路图如图14所示：
图14.控制电路电路图
（3）总体电路图如图15所示：
图15.总体电路图
4.设计思路：
红灯、绿灯的亮灭可分别通过控制接触器线圈KM1、KM2是否得电来实现。
红灯在第10s时灭可由KT1延时10s来实现。
黄灯亮1s，灭1s可由KT1、KT2、KT3各延时10s、1s、2s来实现。
绿灯在第12s亮，可由KT1、KT3分别延时10s、2s来实现。
绿灯在第16s灭可由KT1、KT4分别延时10s、4s来实现；绿灯亮1s灭1s共两次可由KT1、KT5、KT6、KT7、KT8分别延时1s、7s、1s、2s、1s来实现。
电路进入下一循环可由KT8的1s延时时间到，其常闭延时触点动作，切断KT1线圈支路，使KT1线圈断电来实现。
5.电路分析：
当电路接通电源，合上刀开关QS时，线圈KM1得电，红灯亮。
线圈KT1也得电。
当KT1的10s延时时间到，线圈KT2、KT3、KT4、KT5同时得电。
当KT2的1s延时时间到，其常开延时触点闭合，黄灯亮。
当KT3的2s延时时间到，其常闭延时触点断开，常开延时触点闭合，黄灯灭，绿灯亮。
当KT4的6s延时时间到，其常闭延时触点断开，绿灯灭。
当KT5的7s延时时间到，其常开延时触点闭合，线圈KT6、KT7同时得电，KT6瞬动常开触点闭合，绿灯亮。
当KT6的1s延时时间到，其常闭延时触点断开，绿灯灭。
当KT7的2s延时时间到，其常开延时触点闭合，线圈KT8得电，其瞬动常开触点闭合，绿灯亮。
当KT8的1s延时时间到，其常闭延时触点将线圈KT1支路切断，整个电路回到初始状态，开始进入下一工作循环。
6.硬件连线图：
系统的具体硬件连线图如图16所示：
图16.任务二.图10-1硬件连线图
（四）任务三.完成特殊事件（消防车通过）行程开关锁灯设计
（基于图9-1.仅红绿灯作用时序图（东西方向）上）：
1.时序图如图17所示：
图17.仅红绿灯作用时序图
2.电路设计所用器件列表如表4所示：
表4.任务三所用器件列表
3.原理图：
（1）系统主电路图如图18所示：
图18.主电路图
（2）系统控制电路电路图如图19所示：
图19.控制回路电路图
（3）总体电路图如图20所示：
图20.总体电路图
4.设计思路：
红灯、绿灯的亮灭可分别通过控制接触器线圈KM1、KM2是否得电来实现。
红灯在第10s时灭、绿灯在第10s时亮可由时间继电器KT1延时10s，并与KT2的瞬动常开触点相配合来实现。
绿灯在第16s时灭可由时间继电器KT1、KT2各延时10s、6s来实现；绿灯亮2s、灭2s可由时间继电器KT1、KT3、KT4分别延时10s、8s、10s来实现。
电路进入下一个循环状态可由时间继电器KT1、KT4均延时10s，然后KT1的常闭延时触点切断KT1线圈支路，使得KT1线圈断电来实现。
锁绿灯的功能可以由一个行程开关来实现。
5.电路分析：
当电路接通电源，合上刀开关QS，行程开关SQ处于断开状态之时，线圈KM1得电，红灯亮。
同时线圈KT1也得电，延时10s之后，其常开延时触点KT1闭合，线圈KT2、KT3、KT4均同时得电，KT2的瞬动常开触点闭合，线圈KM2得电，绿灯亮。
当KT2的6s延时时间到时，其常闭延时触点断开，线圈KM2断电，绿灯灭。
然后KT3的8s延时时间到，其常开延时触点闭合，线圈KM2得电，绿灯亮。
当KT4的10s延时时间到，其常闭延时触点断开，绿灯灭，同时线圈KT1断电，整个电路回到了初始状态，开始进入下一个工作循环。
当行程开关SQ闭合时，线圈KM3始终得电，其瞬动常闭触点断开，瞬动常开触点闭合，绿灯长亮，红灯长灭，从而实现锁住绿灯的功能。
6.硬件连线图：
四、设计总结
每个时间继电器KT，其延时常开触点和延时常闭触点有一个公共端，接线之时应当根据实际布线，让公共端接在一起。
一个继电器只带有一对常开或常闭触点，因此，其常闭或常开触点不能重复使用。
为了避免竞争冒险的问题，应该使控制循环的触点接在控制回路里，而不是接在QS端。
在设计过程中，由于实际器件其触点个数有限，并且时间继电器KT的最长延时时间只有10秒，一般不够电路设计时的延时时间，因此应当考虑用两个时间继电器来共同延时，及利用前一时间继电器的常开延时触点与后一个时间继电器线圈串联，这样，实际延长的时间为两个继电器延时时间之和。
通过此次高低压电器课程设计，我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题的全面系统的锻炼，对时间继电器和接触器使用的基本原理以及在时序控制方面有了更多了解。
本次课程设计的过程虽然有些辛苦，但收获却是很大的。
在设计过程中，小组成员能够全面考虑相互联系的各个方面，并能合理有效的解决出现的问题性，培养了综合知识、分析问题的能力及团队精神。
五、参考文献
1、方鸿发.低压电器.西安：
机械工业出版社，1980年
2、张冠生等.电器学.西安：
机械工业出版社，1980年
3、郑风翼.常用低压电器及其应用.人民邮电出版社，1999年
4、刘美俊.电器控制与PLC工程应用.机械工业出版社，2011年
六、附录
（一）硬件连接实物图：
（1）任务一.图3.红绿灯等比循环切换：
（2）任务二.图9-1.仅红绿灯作用时序图（东西方向）：
（三）任务二.图10-1.红绿黄灯作用时序图（东西方向）：
（四）任务三.完成特殊事件（消防车通过）行程开关锁灯设计
（基于图9-1.仅红绿灯作用时序图（东西方向）上）：
（二）电路原理图：
（1）任务一.主电路图（7个时序图的主电路图均相同）：
（2）任务一.图2控制电路图：
（3）任务一.图3控制电路图：
（4）任务一.图4控制电路图：
（5）任务一.图5控制电路图：
（6）任务一.图6控制电路图：
（7）任务一.图7控制电路图：
（8）任务一.图8控制电路图：
（9）任务二..图9-1控制电路图：
A.主电路图：
B.东西灯控制电路图：
C.南北灯控制电路：
（10）任务二..图10-1控制电路图：
（A）主电路图：
（B）控制电路图（东西灯）：
（11）任务二..图10-2控制电路图：
（A）主电路图：
（B）控制电路图：
（12）任务三.控制电路图：
（A）主电路图：
（B）控制电路图：
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