智能交通灯控制系统.docx
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智能交通灯控制系统
毕业设计[论文]
题目：
智能交通灯控制系统设计
系别：
电气与电子工程系
专业：
自动化
姓名：
凡建超
学号：
122408116
指导教师：
任琦梅
河南城建学院
2012年05月20日
·成绩评定·
成绩评定说明
一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计（论文）在指定的时间内交给指导
教师和评阅教师，由指导教师和评阅教师审阅，写出评语并评分。
二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办
法，在参考指导教师和评阅教师评定结果的基础上，评定每个学生的成绩。
系对专业答辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计（论文），要组织系级答辩,最终确定成绩，并向学生公布。
三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。
四、具体评分标准和办法见《河南城建学院毕业设计（论文）工作管理规程》。
毕业设计（论文）成绩评定
班级姓名学号
综合成绩：
分（折合等级）
答辩小组组长签字年月日
·指导教师评定意见·
一、评语：
二、评分：
（1）理工科评分表
评分项目
工作态度与纪律
（10分）
毕业设计（论文）完成任务情况与水平
（40分）
数据处理、文字表达
（10分）
基础理论和基本技能
（20分）
创新能力
（20分）
合计
（100分）
评分
（2）文科评分表
评分项目
文献阅读与文献综述
（20分）
外文翻译
（10分）
论文撰写质量
（40分）
学习态度
（10分）
论证能力与创新
（20分）
合计
（100分）
评分
指导教师签字：
年月日
·评阅教师评定意见·
一、评语：
二、评分：
评分项目
规范化程度
（10分）
数据处理、文字表达
（10分）
质量
（正确性、条理性、创造性、实用性）
（40分）
成果的技术水平
（科学性、系统性）
（40分）
合计
（100分）
评分
评阅教师签字：
年月日
·答辩小组评定意见·
一、评语：
二、评分：
评分项目
完成任务情况
（20分）
毕业设计（论文）质量
（40分）
表达情况
（15分）
回答问题情况
（25分）
合计
（100分）
评分
答辩小组成员签字：
年月日
毕业答辩说明
1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计（论文），为答辩做好准备，并根据毕业设计（论文）质量标准给出实际得分。
2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。
3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。
4、答辩中要有专人作好答辩记录。
摘要
根据十字路口交通灯的控制要求，采用PLC实现智能交通灯的时序控制。
然后通过传感器完成对交通异常情况的智能判别及处理。
在系统设计中，使用传感器采集车辆脉冲，用PLC高速计数器对脉冲进行计数，将该数据转换为标准脉冲信号作为可编程逻辑控制器的控制输入，根据取得的数据运用一定的控制原则自动调节红绿灯的时间长度，最大限度地减少车辆滞留现象。
提出了基于PLC查表方式实现模糊控制的控制方法。
结果表明：
用基于PLC的模糊控制器可以较好的实现交通灯的智能控制，对改善交通的很好的作用。
关键词：
PLC，交通灯，智能控制，模糊控制器
Abstract
Accordingtothecontrolrequestoftheintersectionstransportationlight,adoptthecycletimecontrolthatthePLCcarriesouttheintelligencetransportationlight.Thenpasstospreadthefeelingmachinetocompletetothetransportationintelligencediscretionandprocessingsoftheexcrescentcircumstance.Insystemdesign,theusagespreadsthefeelingmachinetocollectthevehiclepulse,countingthemachinetocarryoncounttothepulsewiththehighspeedofPLC,convertingthatdataasthecontrolimportationthatthestandardpulsesignalistheprogrammablelogiccontroller,makinguseofthetimelengththatthecertaincontrolprincipleregulatesthetrafficlightsautomaticallyaccordingtothedatathatobtain,reducingthevehicletobedetainedthephenomenonwithmaximumlimit.PutforwardtocheckthecontrolmethodthatthewatchmethodcarriesoutthemistycontrolaccordingtothePLC.Theresultenunciation:
UsetheintelligencecontrolthatcancomparetocarryoutthetransportationlightgoodlyaccordingtothePLCmistycontroller,toimprovegoodfunctionofthetransportation.
Keyword:
PLC,Transportationlight,Theintelligencecontrol,Mistycontroller
目录
摘要I
AbstractII
引言1
1控制系统设计总体思路2
2器件选型4
2.1可编程控制器4
2.1.1可编程控制器简介4
2.2.2PLC的选型5
2.3环形线圈车辆检测器6
2.3.1环形线圈车辆检测器的工作原理7
2.3.2环形线圈车辆检测器的选型8
3电路硬件部分设计9
3.1车流量采集9
3.2系统电路连接线路图9
3.3PLC的I/O口分配10
4智能交通灯的模糊控制实现11
4.1模糊控制概述11
4.2模糊控制器设计的基本过程12
4.3模糊控制器的PLC实现方法13
4.3.1模糊控制策略13
4.3.2程序设计流程14
4.3.3模糊控制查询表查询程序设计15
5智能交通灯控制系统软件部分设计17
5.1车辆计数程序17
5.2倒计时显示程序17
5.3急行车通行程序19
结束语21
参考文献22
致谢23
附录智能交通灯控制系统程序梯形图24
引言
随着我国经济的发展，城市的交通拥挤问题日趋严重。
因此为了保障城市交通有序、安全、快速的运行，提高城市路网的通行能力及实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。
传统的十字路口交通灯的控制方法是：
事先经过车辆的流量调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。
然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同时段甚至可能产生很大的差异。
即使是经过长期运行、较实用的方案，仍然会发生这样的现象：
绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。
这种多等少的现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，这不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。
况且这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的。
由此可见，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，十字路口简单的双向红绿灯的控制已不能满足现实生活的需要。
为了适应现代社会道路车流量越来越大的实际情况，一种以微电脑技术为核心的自动控制装置的可编程逻辑控制器（PLC）被广泛应用于交通灯的控制领域。
本设计在原有控制系统的基础上采用了新的控制方式，是系统更加具有实用性和便捷性。
智能交通灯控制系统利用工控机结合智能控制技术可以提高车辆通行效率，使车辆滞留数量最少化。
设计的智能交通灯控制系统尽量可靠、经济，使大多数城市能够使用。
在未来的工业发展中，交通灯的研究慢慢地走向人性化、自由化和便利化，因此，交通灯控制系统的设计还存在非常广阔的研究价值。
1控制系统设计总体思路
控制要求:
对单叉路口交通灯控制系统进行设计；交通灯控制系统包括直行、左转、右转指示灯，并可以数字显示等待时间；可以检测两个方向的车流情况，随即调整红绿灯时间；可以根据急行车（如救护车）的通性方向，强制使此方向临时通行。
根据十字路口交通灯的控制要求，采用PLC设计实现正常交通的时序控制，其特点是非常可靠，容易实现开关量顺序控制和逻辑控制，具有很高的工作可靠性和抗干扰能力。
然后通过传感器完成对交通异常情况的智能判别及处理。
在系统设计中，使用传感器采集车辆脉冲，用PLC高速计数器对脉冲进行计数，将该数据转换为标准脉冲信号作为可编程逻辑控制器的控制输入，根据取得的数据运用一定的控制原则自动调节红绿灯的时间长度，最大限度地减少车辆滞留现象。
该方案经济、可靠，具有一定的实用性。
图1.1交通灯控制系统原理框图
确定信号相位方案，是将信号轮流分配给某些方向的车辆或行人以便确定通行顺序，即在一个信号周期内安排若干控制状态，并合理的安排这些控制状态的显示次序。
每一个控制状态，即对各进口道不同方向所显示的不同灯色的组合，成为一个信号相位。
在城市交叉路口中，合理地进行信号相位的设计可以达到部分或全部消除交通冲突的目的。
相位数及其组合方法对交通控制的效率有决定性的影响。
一般来讲，相位越多，分离交通冲突点越少，交通秩序就比较好，但车辆通过交叉路口的时间会比较长，路口的通行率也比较低；反之交叉路口相位数少，交叉口处交通冲突点会比较多，但车辆通过时间短，路口通行效率高。
因此合理的设计信号相位是交叉口信号控制的关键之一。
任意交叉口的信号相位数目不是单一的，而是多种多样的，这要依据具体交通情况而定。
一般来讲，再设计信号相位时，要考虑以下原则：
（1）根据各个进口道的方向绘制交通流线。
（2）绘出相互不交叉，或者不汇合的交通流线，对其中能够统一的组合进行整理，给予一个相位分配。
（3）路口左右转车辆的转向行驶，对正常的交通运行影响较大，处理不好，往往会减少道路通行能力，容易引发交通事故。
这样就应根据转弯车数目，决定是否使用左右转弯专用相位和行人专用相位。
（4）一般来讲，相位数越少则效率越高。
相位数多会使分配给各相位的时间减少，同时会使相位转换时的清路口时间（黄灯时间+红灯时间）变长，增加了损失时间。
因此要认真研究交叉路口的结构、路面标线和交通规则。
（5）当一个交叉口左转车辆较少，或者饱和度比较低时，其相位数要尽可能少；当交叉口左转车辆较多，或过街行人、自行车较多并与右转车辆相冲突时，相位数目可适当增加。
（6）在实际中，相位在一个交叉口一经确定，考虑到人们的习惯，一般不要轻易改变。
这就要求在相位设计阶段要仔细研究，但目前国内外还没有最佳的相位设计法。
信号相位方案一般用信号配时图表示。
如最基本的两相位信号配时图。
其中第一相位，对不同方向显示的灯色组合是东西向道路放绿灯，南北向道路放红灯，即给东西向车辆以通行权，南北向车辆不准通行。
第二相位改东西向道路放红灯，南北向道路放绿灯，即给南北向车辆以通行权。
两相位配时方案应用较为广泛，但在交叉路口进口道又设有专用左转车道时，可考虑用三相位信号配时方案。
其中专用左转相位需用绿色左转箭头灯。
三相位配时方案各口道不同方向的信号灯色组合为：
对东向南和西向北左转车放绿色左转箭头灯，东、西及南、北直行车流均放红灯；另外两个相位同前。
若只是西侧进口道左转车较多，则可以选用另一种单侧左转相位。
信号组合是对西侧进口道放绿灯，其他方向均放红灯，即西侧左、直、右有通行权，其他各向车辆均不准通行。
若单侧左转相位放在东西通车相位之前，称之为前导左转相或早启左转相；若在东西相之后，称之为后延左转相或迟断左转相。
如果左转车数量比较大，那么左转车仅依靠对直行车的空挡穿过交叉路口是
比较困难的容易引发交通堵塞，这就要求为左转车提供专用相位。
为了使交通冲突点最少化，采用四相位交通控制。
交通控制四相位转换图如图1.2所示。
初始
图1.2交通控制四相位转换图
2器件选型
2.1可编程控制器
2.1.1可编程控制器简介
可编程控制器（简称PLC）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而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
他具有体积小，功能强，灵活通用与维护方便等一系列优点，特别是他的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，而备受用户的青睐。
在多个工业领域获得了广泛应用。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
其有如下特点：
1可靠性高，抗干扰能力强。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2配套齐全，功能完善。
适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3易学易用，深受工程技术人员欢迎。
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5体积小，重量轻，能耗低。
以超小型PLC为例，新近出产的品底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.2.2PLC的选型
三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
该系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；具有共同的外部设备。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。
可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式，自由选择。
程序容量：
内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。
丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。
便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。
数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。
特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。
外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEXASCII变换，校验码等。
时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。
该控制系统选用三菱FX2N系列PLC，根据输入输出点数，选用型号为FX2N-64MS，晶闸管输出，外部电源为AC85~240V，最大灯负载为30W，感性负载15VA/AC100V。
响应时间ON时为1ms，OFF时为10ms，光电可控硅隔离。
输入点数为32，输出点数为32，扩展模块可用点数为48~64，其每条指令执行时间为0.08üs，具有27条基本指令，两条步进指令和298条功能指令；有3072点辅助继电器、1000点状态继电器、256点定时器、235点计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跳步指针和15点中断指针，内附8K步RAM，最大可达16K，最大可扩展256个I/O点。
其能完成复杂的数据处理、数值运算，实现高难度控制。
2.3环形线圈车辆检测器
交通传感器是将有关交通流信息等物理量的形式转化为电子量，然后通过传输线路传送到信号控制器的信息处理部分进行处理，其主要用于检测车辆的存在与速度等参数。
该检测器类型比较多，其工作原理大致可分为两类：
（1）检测能使某种开关触点闭合的机械力；
（2）检测因车辆的运动或存在引起的能量变化。
压力检测器就是利用机械力检测的例子，而利用能量变化进行检测则有环形线圈检测器超声波检测器等等。
按照能否检测静止车辆来分，检测器可分为两类。
有些检测器如环形线圈、磁强计检测器能检测存在于检测区域的静止或运动的车辆，这类检测器称为存在型检测器；而另一类检测器只能检测运动通过检测区域的车辆，这类检测器称作通过型检测器。
检测器还可以检测和交通有关的环境条件，以便在出现有害的环境条件时能够对交通进行控制或提出警告。
超声波检测器是一种在高速公路上应用较多的检测器，它利用车辆形状对超声波波前的影响来实现检测。
超声波车辆检测的探头具有发射和接受双重功能，被设置于道路的正上方或斜上方，向路面发射超声波，并接收来自车辆的反射波。
其不足之处是容易受环境的影响，当风速6级以上时，反射波产生飘移而无法正常检测；探头下方通过的人或物也会产生反射波，造成误检。
所以超声波检测器要按照一定的规范安装。
基于光学原理的车辆检测器用得比较多的是红外检测器与激光检测器红外检测一般采用反射式或阻断式检测技术。
例如反射式检测探头，它包括一个红外发光管和一个接收管。
无车时，接收管不受光；有车时，接受车体反射的红外线。
其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当由车辆通过时，红外线脉冲从车体反射回来，被探头的接收管接收。
经红外调解器调解，再通过选通、放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号。
这类检测器存在的缺点是：
工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。
雷达检测器是基于多普勒效应原理进行工作的。
其原理是：
当发射换能器向地面发射微波时，如果由车辆在微波发射线的覆盖区域内通过，会视部分微波发生反射，且被接收换能器收到。
根据多普勒效应，接收到的微波频率将比原发射频率略高或略低，即产生频差（频率偏差）。
利用检测电路，将频差转化为脉冲信号，即可检测车辆的存在或通过，同时也可以测定车速。
雷达检测器要求车辆速度至少在5km/h以上，只有这样才能可靠的检测到车辆的存在。
环形线圈检测器出现于20世纪60年代。
它是现代交通控制中使用最为广泛的交通检测器。
它能够测量一切需要测量的控制参数，并且与它的能力相比，它的价格是比较低的。
目前来说，环形线圈仍具有足够的准确性和可靠性。
2.3.1环形线圈车辆检测器的工作原理
埋设在道路下面的环形线圈电感元件与检测器内的电容及附加电路组成电容三点式振荡电路。
车辆通过时对检测器最直接的作用的是引起整个回路的总电感变化，其中包括两个部分，一部分是环形线圈的自感，另一部分是环形线圈与车辆金属底盘之间的互感。
具体地说是当车辆经过埋有环形线圈的道路上方时，根据电磁感应原理和楞次定理，车体的金属底盘产生自成闭合回路的感应涡流，这个涡流又产生了与原闭合回路中磁场相反的新磁场，导致线圈的总电感量减小，但是，车辆底盘作为金属导体通过拥有环形线圈的道路上方时能够增加线圈周围空间的导磁率，是环形线圈的电感量又有增加的趋势。
所以，在车辆通过环形线圈时，对环形线圈电感量同时具有增大和减小的作用。
一辆车，无论它的形状有多么复杂，当它通过环形线圈时，在底盘中引起涡流是必然的，涡流对环兴地埋线圈的影响也是必然的。
所以车辆可以被看成一个具有电感LC和电阻RC环路，这个短环路通过互感与环形线圈相耦合。
Rd和Ld分别是环形线圈的电阻和电感，等效电路图如图2.1所示。
假设环形线圈的电压为Ur，则Ur=Umsinωt。
ic和id分别为车辆回路电流。
Lr
Ld
Umsinωt
Rc
Rd
M
ir
id
图2.1环形线圈与车辆的等效电路
环形线圈检测系统包括埋于路面下面的环形线圈、接线盒、传输电缆、信号检测处理单元等。
检测车辆时，将一个或多个环形线圈按一定的方法埋于路面下，线头接入接线盒，信号由传输电缆送入信号检测处理单元，该电路单元通常包括了微处理器，直接处理检测数据，计算一些交通控制参数。
环形线圈检测系统与控制中心的主控机通过电缆连接、通信，主控机可发送信号，设置检测器的检测周期等工作状态，并监测检测器故障；检测器则将检测数据如车辆计数、占有率等传送至主控机，以便完成控制系统的信息存储、优化配置、方案选择和事件检测等功能，实现系统的最佳控制效果。
有车辆经过
无车辆经过
信号输出
图2.2车辆经过检测器时信号的产生
2.3.2环形线圈车辆检测器的选型
VDi系列环形线圈式车辆检测系统时钟控信息专门为公路机电工程应用开发的一种车辆检测系统。
VDi可检测的交通信息参数包含了：
车速、车流量、车间距、车道占有率等信息，并能检测逆向行驶、交通堵塞、超速行驶等交通事件。
该系统包含以下部件：
机架母板（MF-10）、电源模块（PS）、检测模块（LD-4E）、处理模块（VDi-B）。
其可检测出二轮以上所有类型机动车，可提供的交通参数包括采样周期内阁车道的平均车流量、车速、车道占有率、车间距等，具有自适应功能可根据现场变化的条件实时的
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