电气与PLC课程设计交通信号灯的控制设计.docx
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电气与PLC课程设计交通信号灯的控制设计
课程设计说明书
课程名称：
电气与PLC控制技术
题目：
交通信号灯的控制设计
目录
前言1
1控制系统硬件设计2
1.1PLC类型的选择2
1.1.1控制要求分析2
1.1.2系统I／O点数分配5
1.1.3PLC类型的选择5
1.2显示模块的设计6
1.2.1显示控制原理图6
1.2.2显示控制原理6
1.3操作面板的设计7
2控制系统软件的设计8
2.1系统I/O分配8
2.2主要程序设计8
2.2.1按键操作说明8
2.2.2主控制程序
2.2.3动态显示控制程序
2.2.4初值设定程序
2.2.5显示开停控制程序11
2.2.6时间运行程序
2.2.7倒计时控制程序
2.2.8显示输出程序14
3结束语16
附录时间运行程序和倒计时程序指令表17
交通信号灯的控制设计
前言
近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
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。
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地实现。
因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。
用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。
针对选题十字路口交通信号灯控制系统设计，本文采用顺序控制设计法中并行序列的顺序功能图设计方法，将东西、南北两个方向的路灯并行控制，再以转换为中心的方法将顺序功能图转换为梯形图，最后利用编程器将指令输入PLC中进行调试，最终实现交通灯的自动控制。
1控制系统硬件设计
1．1PLC类型的选择
选用日本三菱公司FX2N型PLC
1.1.1交通信号灯的控制要求
（1）早上6∶00起动显示，晚上22∶00关闭显示；
（2）起动接通时，先南北红灯亮，东西绿灯亮；
（3）南北绿灯、东西绿灯同时亮时，立即关闭信号灯系统，并报警。
（4）南北红灯亮维持25秒。
在南北红灯亮的期间，东西绿灯亮维持20秒；绿灯闪亮维持3秒；黄灯亮维持2秒。
接着东西红灯亮维持30秒。
在东西红灯亮的期间，南北绿灯亮维持25秒；绿灯闪亮维持3秒；黄灯亮维持2秒。
上述动作循环进行。
（5）有年、月、日、时、分、秒、星期及倒计时显示。
（6）十字路口交通灯模拟控制时序图
1.1.2系统I/O点数的计算
1．输出点数计算：
年、月、日、时、分、秒、星期及倒计时显示字形输出需输出点4个点，字位输出控制需输出点5个点。
信号灯显示输出需7个点。
组成距阵式键盘（8×3）需3个点。
共需输出点19个
2．输入点数的计算：
组成距阵式键盘（8×3）需8点。
1.1.3PLC型号的选择
目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列PLC，国内也有许多厂家组装、开发数十种PLC，故PLC系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。
在此情况下，PLC的选择应着重考虑PLC的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的PLC。
据对多种因素的分析比较及监控系统输入、输出点数的要求，选用日本三菱公司FX2N型PLC。
基本单元选：
FX2N-32MT
扩展单元选：
FX2N-8EYT（地址编号Y20—Y27）
1.2显示模块的设计
1.2.1.硬件的设计思路
（1）采用带译码器和片选输入点的七段显示译码器①，来显示0～9十个数字。
并根据显示数字的位数及组数，选用相应个数的七段数字显示器件部件，来显示1位、2位、3位、4位等多位数或几个数字组。
（2）用PLC的4个输出点形成4条数据线。
由这4条数据线组成显示数字的数据总线。
数字量输出用二进制的0000～1001代表0～9，各个显示数字值传输到相对应的显示器件。
（3）PLC输出点与地址译码器配合控制各显示器件数据输入的选通或锁存。
根据显示数字的位数及组数，选用相应译码器的型号和个数。
（4）用PLC的4个（或3个、2个等）输出点形成4条（或3条、2条等）地址线。
由这4条（或3条、2条等）地址线组成显示数字的地址总线。
数字量输出用二进制的0000～1111代表0～15位（或000～111代表0～7位、00～11代表0～3位等）。
总线与接口电路框图如图2
1.2.2软件设计思路
（1）将需要数字显示的PLC内部数据字或数据双字由整数转化为BCD码。
（2）在BCD码表示的数据中，以个位BCD码对应数据总线Y20～Y23输出。
十位、百位、千位等BCD码通过移位使其数位与个位数位对应。
都在数据总线上传输数字显示数据。
（3）通过PLC地址输出点和地址译码器，提供各个数字显示器的片选信号，配合3条地址总线来发送数据，达到由指定显示部件的显示器接收显示数据。
控制各个片选输入来控制该数字显示器件输入数据的选通与锁存，使各个显示单元接收到对应的显示数据并予以锁存显示。
（4）合理地控制片选及锁存显示周期，使传送、显示能适应PLC扫描输出速率及显示器件的响应时间，使显示正常，消除无显示、显示闪烁、显示迟钝等现象。
（5）实现多参数的动态显示，只要将地址译码器的输出端与显示器件的片选输入端对应联接，对PLC数据做上述处理后，按时序在数据总线上发送，就可实现对应的数字显示。
1.2.3显示模块的电路图
图1显示部分电路图
表1显示界面
年
月
日
星期
时
分
秒
倒计时
图中：
74LS138:
3-8译码器。
MC14495:
七段显示译码器：
输出高电平有效驱动共阴极数码管。
FX2N-32MT：
晶体管输出型基本模块（PLC），有16个输出点。
Y0-Y3：
输出字形信号。
输出BCD码，经MC14495译成显示码，送给数码管。
Y4-Y7：
输出位控信号。
经74LS—138译码后控制对应位点亮。
动态显示：
Y20-Y23输出显示数据；Y24-Y26输出位控信号经74LS—138译码后控制对应位点亮（任一时刻，只有一个管通电）；从而对数码管循环扫描，动态显示。
1.3操作面板的设计
若采用直接输入方式，则所需PLC输入点较多，且成本较高，很不方便，所以采用矩阵键盘式输入方式。
此方式可以节省输入点数，且操作方便。
操作输入控制原理图如图2，距阵式键盘输入（8×3）表2所示
图2输入输出接线图
即为了减少输入输出点数，我们选用（8×3）距阵式键盘输入
表2距阵式键盘输入（8×3）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
年
月
日
时
分
秒
星期
开显示
关显示
设定
复位
起动
停止
2．2主要程序的设计
2.2.1按键操作说明：
按0键→M50=1按1键→M51=1按2键→M52=1按3键→M53=1按4键→M54=1按5键→M55=1
按6键→M56=1按7键→M57=1
按8键→M60=1按9键→M61=1按年键→M62=1按月键→M63=1按日键→M67=1按时键→M67=1按分键→M67=1按秒键→M67=1
按气温键→M70=1按星期键→M71=1按开显键→M72=1按关显键→M73=1按设定键→M74=1按复位键→M75=1按起动键→M76=1按停止键→M77=1
2.2.2主控制程序
接通电源后M8000=1，执行矩阵输入指令。
按下起动键，M76=1，M78=1并自锁，系统起动。
按下停止键，M77=1，M78=0并解，系统停止。
2.2.3动态显示控制程序
1、系统启动后，按下清零键，D21清0，M27-M49复位。
2、DECO指令将D21中的数进行解码。
若D21中为0，则M30=1；若D21中
为1，则M31=1；若D21中为2，则M32=1…若D21中为15，则M45=1。
一个扫描周期解码一次。
一次解码，M30-M45中只有一个为1，其余为0。
可用M30-M45分别控制16字形信号的输出。
3、BIN指令将D21中的数进行二进制变换。
若D21中为0，则
M49M48M47M46=0000；若D21中为1，则M49M48M47M46=0001；…若D21中为15，则M49M48M47M46=1111。
一个扫描周期二进制变换一次。
一次二进制变换，M49M48M47M46只有一个组合状态。
可用M49M48M47M46的16个组合状态分别控制8个字位信号的输出。
4、一个扫描周期内输出一个字形信号和与之对应的字位信号，即显示一个
字。
16个扫描周期即依次显示16个字。
16个扫描周期为一个循环。
即形成动态循环显示。
利用人体视觉延时原理，看上是同时显示。
2.2.4初值设定程序
图4初值设定程序
1、系统启动后，按下清零键，星期、年、月、时、时、分、秒及动态显示控制等相关寄存器均清零。
按设定键，可以进行星期、年、月、时、时、分、秒、开显时间及关显时间的初值设定。
2、D8013～D8019用于存放星期、年、月、日、时、分、秒的数据。
D8013秒（0～59）D8017月（1～12）
D8014分（0～59）D8018年（公历后两位）（00～99）
D8015时（0～23）D8019星期（0～6对应日～六）
D8016日（1～31）
PLC运行后，系统程序根据初始值进行累加计时及年、月、日、星期的转换协调。
3、D300用于存放开显时间的数据。
D301用于存放关显时间的数据。
4、置初值操作流程：
设定键→数字键（0～9）→项目键（星期、年、月、时、时、分、秒、开显及关显）。
各初值被存入相应的寄存器。
例：
设定年：
先按设定键M74=1（M79进行自锁），接着进行数字输入，最后按年键M62=1，设定的初值便送入D8018储存。
2.2.5显示开停控制程序
1、开显示时间的设定：
设定键→数字键（0～9）→开显键。
设定值存入D300中
2、关显示时间的设定：
设定键→数字键（0～9）→关显键。
设定值存入D301中
3、定时开关显示原理：
设定开关显示时间与实际时间进行比较，相等时实施开关显示动作。
例：
要求6：
00开显示，当D8015中的内容小于D300中的内容时,M82=1，显示程序不启动。
当D8014中的内容于D300中的内容相等时，即M83=1，显示程序启动启动。
2.2.6时间运行程序
当启动开关SD合上时，X000触点接通，Y002得电，南北红灯亮；同时Y002的动合触点闭合，Y003线圈得电，东西绿灯亮。
1秒后，T12的动合触点闭合，Y007线圈得电，模拟东西向行驶车的灯亮。
维持到20秒，T6的动合触点接通，与该触点串联的T22动合触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使东西绿灯闪烁。
又过3秒，T7的动断触点断开，Y003线圈失电，东西绿灯灭；此时T7的动合触点闭合、T10的动断触点断开，Y004线圈得电，东西黄灯亮，Y007线圈失电，模拟东西向行驶车的灯灭。
再过2秒后，T5的动断触点断开，Y004线圈失电，东西黄灯灭；此时起动累计时间达25秒，T0的动断触点断开，Y002线圈失电，南北红灯灭，T0的动合触点闭合，Y005线圈得电，东西红灯亮，Y005的动合触点闭合，Y000线圈得电，南北绿灯亮。
1秒后，T13的动合触点闭合，Y006线圈得电，模拟南北向行驶车的灯亮。
又经过25秒，即起动累计时间为50秒时，T1动合触点闭合，与该触点串联的T22的触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使南北绿灯闪烁；闪烁3秒，T2动断触点断开，Y000线圈失电，南北绿灯灭；此时T2的动合触点闭合、T11的动断触点断开，Y001线圈得电，南北黄灯亮，Y006线圈失电，模拟南北向行驶车的灯灭。
维持2秒后，T3动断触点断开，Y001线圈失电，南北黄灯灭。
这时起动累计时间达5秒钟，T4的动断触点断开，T0复位，Y003线圈失电，即维持了30秒的东西红灯灭。
上述是一个工作过程，然后再周而复始地进行。
2.2.7倒计时控制程序
东西方向红黄绿倒计时显示程序（南北方向同理）
2.2.8显示输出程序
1、在进行字形输出时，将D10-D26中二进制数分时进行BCD转换，从Y0-Y3输出，传送至MC14495七段显示译码器，MC14495七段显示译码器译码后驱动共阴极数码管显示。
2、Y0～Y3是字形控制输出。
依次将D10-D26中二进制数所转换的BCD码输出。
即依次将星期、年、月、时、时、分、秒个位、十位的字形信号输出。
一个扫描周期只输出D10-D26中一个的内容。
3、Y4～Y7是字位控制输出。
依次将星期、年、月、时、时、分、秒的个位、十位的字位信号输出。
例Y4～Y7均为0时，输出的是秒个位信号。
Y4～Y7均为1时，输出的是南北绿灯倒计时十位信号。
一个扫描周期只输出的字位信号中一个的信号。
4、利用Y0-Y3与Y4-Y7的有机配合，形成循环动态扫描，利用人体视觉延时原理，看上是同时显示。
3结束语
经过一周的设计，终于出现了一点成果，系统经过调试能正常运行。
而且只要修改程序就能让交通灯做出不同的动作。
系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。
在这个过程中我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对交通灯的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识与体会，并在学习和实践过程中增长了知识。
丰富了经验。
控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，系统实施，系统运行与调试的过程来进行。
系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。
在设计过程中，要边学习边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。
在设计中体会到理论必须和实践相结合。
虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多的差异，出现了很多意想不到的问题。
许多问题在书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到控制要求的系统。
附录时间运行程序和倒计时程序指令表
时间运行程序指令表
步序
指令
器件号
说明
步序
指令
器件号
说明
0
LD
X000
启动
29
LD
T1
1
ANI
T4
30
OUT
T11
南北向车27秒
2
OUT
T0
南北红灯25秒
K270
K250
33
OUT
T2
南北绿灯闪烁
5
LD
T0
K30
6
OUT
T4
东西红灯30秒
36
LD
T2
K300
37
OUT
T3
南北黄灯2秒
9
LD
X000
K20
10
ANI
T0
40
LDI
T0
11
OUT
T6
东西绿灯20秒
41
AND
X000
K200
42
OUT
Y002
南北红灯工作
14
LD
T6
43
LD
T0
15
OUT
T10
东西向车22秒
44
OUT
Y005
东西红灯工作
K220
45
LD
Y002
18
OUT
T7
东西绿灯闪烁
46
ANI
T6
K30
47
LD
T6
21
LD
T7
48
ANI
T7
22
OUT
T5
东西黄灯2秒
49
AND
T22
K20
50
ORB
25
LD
T0
51
OUT
Y003
东西绿灯工作
26
OUT
T1
南北绿灯25秒
52
LD
Y002
K250
53
ANI
T6
步序
指令
器件号
说明
步序
指令
器件号
说明
54
LD
T6
75
LD
T1
55
ANI
T7
76
ANI
T2
56
ORB
77
ORB
57
OUT
T12
延时1秒
78
OUT
T13
延时1秒
K10
K10
60
LD
T12
81
LD
T13
61
ANI
T10
82
ANI
T11
62
OUT
Y007
东西向车行驶
83
OUT
Y006
南北向车行驶
63
LD
T7
84
LD
T2
64
ANI
T5
85
ANI
T3
65
OUT
Y004
东西黄灯工作
86
OUT
Y001
南北黄灯工作
66
LD
Y005
87
LD
X000
67
ANI
T1
88
ANI
T23
68
LD
T1
89
OUT
T22
产生1秒脉冲
69
ANI
T2
K5
70
AND
T22
92
LD
T22
71
ORB
93
OUT
T23
72
OUT
Y000
南北绿灯工作
K5
73
LD
Y005
74
ANI
T1
倒计时程序指令表
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