毕业设计论文城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案.docx
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毕业设计论文城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案
摘要
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。
人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。
然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。
而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
为此，通过我应用所学的知识设计了一套交通灯控制电路的方案。
交通灯的控制系统主要由计时电路、主控电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器组成。
关键词：
PLC、交通灯、自动控制、
Abstract
Hasanalyzedthemodernmunicipaltransportationcontrolandthemarrangementquestionpresentsituation,unifiedthecityandcountrysidetransportationtheactualsituationtoelaboratethetrafficlightcontrolsystemprincipleofwork,hasproducedonekindofsimplepracticalcitytrafficlightcontrolsystemhardwarecircuitdesignplan.Alongwiththesocialeconomydevelopment,themunicipaltransportationquestionmoreandmorearousespeople'sinterest.Theperson,thevehicle,theroadthreerelationscoordination,hasbecomeoneofimportantquestionswhichthetrafficcontroldepartmentneedstosolve.Themunicipaltransportationcontrolsystemisusesinthecomputersynthesismanagementsystemmanagementsystemwhichthemunicipaltransportationdatamonitor,thestreet-trafficcontrollightscontrolandthetransportationunblocks,itisinthemodernmunicipaltransportationmonitoringcommandsystemthemostimportantconstituent.Alongwiththecityvehiclequantityunceasingincrease,manybigcitieslikeBeijing,Shanghai,Nan
jingandsoonhadthetransportationexcessloadmovementsituation,therefore,fromthe80'slaterperiods,thesecitiesconstructsthecityspeed-wayinabundance,completestheinitialperiodinthespeed-wayconstruction。
Theyalsoonceeffectivelyimprovedthetransportationcondition.However,andlacksalongwiththevolumeoftrafficfastgrowthtothespeed-waysystemresearchandthecontrol,thespeed-waynotfullyplaystheanticipatedrole.Butcityspeed-wayinstructurecharacteristic,alsohaddecidedthecityspeed-waytransportationconditioninevitablyreceivesthespeed-wayandtheordinarypathcouplingplacetransportationconditionrestriction.Therefore,howusestheappropriatecontrolmethod,maximumlimitusesthegoodconsumptionlargeamountofmoneyconstructionthecityspeed-way,alleviatesbranchwithRamp,thecitysupportswiththeperipherallocalitytransportationstopsupthecondition,moreandmorebecomesthemainquestionwhichthetransportationmanagementandtheurbanplanningdepartmenturgentlyawaitstobesolved.Thetrafficlightcontrolsystemmainlybythetimingcircuit,thehostcontrolstheelectriccircuit,thesignallightswitch,thepulsesignalgeneratingdeviceiscomposed.
Keyword:
PLC,Trafficlights,automaticcontrol
摘要------------------------------------------------------------Ⅰ
Abstract-----------------------------------------------------Ⅱ
目录----------------------------------------------------------IV
第一章前言---------------------------------------------------1
第二章PLC概述--------------------------------------------------2
2.1PLC的产生及发展历程----------------------------------------2
2.2PLC的基本结构及物理结构------------------------------------4
第三章PLC的基本工作原理----------------------------------------6
3.1PLC的功能和性能指标----------------------------------------6
3.2PLC的特点及应用领域----------------------------------------9
3.3PLC的工作原理---------------------------------------------11
3.4继电器-----------------------------------------------------13
第四章关于交通灯的基本情况：
-------------------------------------15
4.1交通灯的构成及基本构成：
-----------------------------------15
4.2用PLC控制交通信号灯---------------------------------------16
4.3用启保停电路设计交通信号灯控制电路-------------------------17
4.4启保停电路设计法的优点-------------------------------------22
第五章结论------------------------------------------------------24
5.1结论----------------------------------------------------24
5.2展望----------------------------------------------------24
谢辞--------------------------------------------------------------26
参考文献----------------------------------------------------------27
附图-----------------------------------------------------------28
第一章前言
可编程控制器（Programmablelogiccontroller，PLC）是近年来发展迅速，应用广泛的工业控制装置，是一种专为工业应用而设计的数字电子控制系统。
它采用了灵活、方便，快捷的可编程序控制形式和结构，通过数字量或模拟量的输入与输出过程中的信号转换，完成控制中的各类生产过程。
当今的PLC吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，其应用已从单片机自动化推广到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化。
从柔性制造系统，工业机器人到大型分散控制系统，PLC均承担着重要的角色。
目前，PLC几乎在工业生产的所有领域都得到广泛的运用，因此了解并熟悉掌握PLC的基本原理及PLC控制系统的设计方法，已成为工业自动化工程技术人员的基本要求。
当今世界先进工业国家正处于由“工业经济”模式向“信息模式”转变的时期，其中技术进步因素起着极为重要的作用，它在经济增长中占70%-80%。
“以高新技术为核心，以信息电子化为手段，提高工业产品附加值”已经成为现代工业企业自动化重要的发展目标。
从我国经济发展史看，其工业经济增长主要是依靠投入大量资金和劳动力来实现的，尚未充分发挥技术进步在工业经济增长中的“二次效益倍增器”的作用。
“如何加快发展电子信息技术、调整产业结构，适应世界经济发展需求”是当前我国工业企业自动化界研究的重要课题之一。
诸如类同的虚拟企业自动化系统将是未来工业自动化的重要发展方向。
第二章PLC概述
可编程控制器是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，目前它已被广泛应用于各个领域。
早期的可编程控制器只能进行计数、定时以及对开关量的逻辑控制。
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。
后来，可编程控制器采用微处理器作为其控制核心，它的功能已经远远超过逻辑控制的范畴，于是人们又将其称为ProgrammableController，简称PC,但个人计算机（PersonalComputer）也常简称PC，为了避免混淆，可编程控制器仍被简称PLC。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。
2.1PLC的产生和发展
1968年，美国最大的汽车生产厂家――通用汽车公司（GM）提出了研究可编程序控制器的基本设想，即：
能用于工业现场；
能改变其控制“逻辑”，而不需要变动它的元件和修改内部接线；出现故障时易于诊断和维修。
1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程控制器，并在美国GM公司的汽车自动装配生产线上使用获得成功，其主要由分立元件和中小规模集成电路组成。
1971年，日本引进了这项技术并开始生产PLC。
1973年，原西德和法国也研制出自己的PLC。
70年代中期，欧美及日本的一些生产厂家，其PLC产品中多以微处理器及大规模集成电路芯片为其核心部件，使PLC的功能进一步扩展，并且有了自诊断功能，可靠性得到进一步提高。
随着微电子技术的迅猛发展，80年代中期，PLC的处理速度和可靠性大大提高，不仅增加了多种特殊功能，而且体积进一步缩小，成本大幅度下降。
到90年代中期以后，PLC几乎完全计算机化，其速度更快、功能更强，PLC的各种智能化模块不断被开发出来，一些厂家还推出了PLC的计算机辅助编程软件。
我国从70年代中期开始研制PLC。
1977年，我国采用美国Motorola公司的一位机集成芯片，研制成功了国内第一台有实用价值的PLC。
现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量的闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制等方面都得到广泛的应用。
如今大、中型、甚至小型PLC都配能日趋完善、换代周期越来越短。
为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，PLC产品大致向两个方向发展：
有A/D、D/A转换技算术运算功能，有的还具有PID功能。
这些功能使PLC应用于模拟量的闭环控制、运动控制、速度控制等具有了硬件基础；PLC具有输出和接收高速脉冲的功能，配合相应的传感器技伺服系统装置，PLC可以实现式数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备（如触摸屏）可以实时显示采集到的现场数据技分析结果，为分析、研究系统提供依据；利用PLC的自检信号可实现系统监控：
PLC具有较强的通信功能，可与计算机或其他智能装置进行通信和联网，从而能方便地实现集散控制。
功能完备的PLC不仅能满足控制的要求，还能满足现代化大生产管理的要求。
目前，世界上一些著名电器生产厂家几乎都在生产PLC，产品功小型PLC向体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制、更便于实现机电一体化；大中型PLC向高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，将PLC系统的控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。
可编程程序控制器的推广应用在我国得到了迅猛的发展，可编程程序控制器已经大量应用在引进设备和国产设备中，我国不少企业引进或研制了一批可编程程序控制器，各行各业也涌现出大批应用可编程程序控制器再造设备的成果，机械行业生产的设备越来越多地采用可编程程序控制装置。
随着PLC产品性能价格比的不断提高，中小企业普及应用PLC的投资已经完全可以承受。
可以预见，PLC技术的推广应用会使我国的工业自动化水平产生一个革命性的飞跃。
2.2PLC的基本结构及物理结构
2.2.1PLC基本结构
PLC实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机系统相似，甚至与之无异，它主要有CPU（中央处理器），存储器（RAM和EPROM），输入、输出模块（简称I/O模块），编程器和电源五大部分组成（如图2-1）：
接触器
按钮
电磁阀
选择开关
指示灯
限位开关
电源
电源
编程器
图2-1PCL控制系统示意图
1．CPU模块：
CPU模块又叫中央处理器单元或控制器，主要由微处理器（CPU）和存储器组成，CPU的功能是按照一定的规律和要求读入被控对象及相关各量的工作状态，然后按照用户编制的程序的要求进行相应的处理，最后把形成的控制信号送至输出部件以控制受控对象。
PLC的控制作用就是通过CPU执行用户程序来实现的。
CPU的工作电压一般是5V。
2．存储器：
PLC内部的存储器用于存放系统管理程序和用户编制的程序，可以通过编程器将程序写入存储器中并进行修改。
3.I/O模块：
I/O模块是系统的眼，耳，手，脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号，输入信号由两类：
一类是从按钮，选择开关，数字拨码开关，限位开关，压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器，热电偶，测速发电机，各种变速器提供的连续变化的模拟输入信号。
可编程控制器通过输出模块控制接触器，电磁阀，电磁铁，调节阀的执行器，可编程控制器控制的另一类外部负载是指示灯，数字显示装置和警报装置等。
可编程控制器的输入输出信号电压一般较高，如直溜24v和交流220v。
4.编程器：
编程器除了用来输入和编辑用户程序外，还可以用来监视可视化编程控制器用行时的梯形图中各参数的工作状态。
5.电源：
可编程序控制器一般使用220伏交流电。
某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24伏直流电源。
第三章PLC的工作原理
PLC是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器，输出继电器等。
3.1PLC的功能与性能指标
3.1.1PLC的控制功能
PLC是在传统的继电接触控制的基础上通过融入计算机技术发展起来的一种新型工业控制器，其功能已在上面的定义中作了概括，这里再详细说明一下目前PLC具有的功能。
（1）逻辑控制
PLC具有逻辑运算功能，它有与、或、非、异或等逻辑指令，能够表达多个继电器触点间的串联、并联、串并联、并串联等各种形式的连接，从而可以代替实际继电器及其间的电气连线。
（2）顺序控制
所谓顺序控制，就是按照预定的先后顺序，逐个完成各种操作。
PLC程序本身就是顺序执行的。
此外，PLC中还设有移位寄存器，有的还专门配有步进顺控指令，可以方便地实现顺序控制。
（3）计数控制
PLC内部设有若干个计数器，并有计数指令。
完成了预定次数的计数后，就会产生控制信号。
定时控制
PLC内部设有若干个定时器，通常它们分成定时范围不同的几组，并有定时指令。
定时时间一到，就会产生控制信号。
（4）A/D、D/A的转换
有些PLC具有模拟量与数字量的相互转换功能，即模/数（A/D）转换（将模拟量转换成数字量）和数/模（D/A）（将数字量转换成模拟量）功能，从而可以对连续变化的模拟量直接进行监测和调节。
（5）数据的转换
目前PLC大多具有数据处理功能，可对数据进行比较、逻辑运算及加、减、乘、除四则运算。
（6）运行状态监控
PLC具有较强的监控功能，可对系统的状态进行监视，一旦出错或出现异常情况，PLC可以记下出错内容，从而便于操作人员采取对策。
操作人员还可以通过监控指令来监视有关部分的运行状态，可以调整定时器或计数器等的设定值，从而为程序编制和系统的调试、使用及维护提供了方便。
（7）通讯与联网
目前多数PLC具有通讯功能。
PLC之间可以进行通讯，PLC也可以与计算机进行通讯。
同样，可以把多台PLC与一台计算机联接起来，各台PLC均按照计算机发出的指令来工作，并把执行结果通知计算机。
采用这种有计算机和PLC组成的集散式（即：
集中管理、分散控制）控制系统可以实现大规模复杂的控制系统网络。
随着PLC技术的不断发展，PLC的功能也会越来越强，其定义也会随之相应地修改和扩充。
3.1.2PLC的性能指标
（1）输入/输出（I/O）点数
PLC的输入、输出量有开关量或数字量（通或断的信号）和模拟量（连续变化的信号）两种。
输入、输出点数是指PLC可供输入与输出使用的开关量总点数或模拟量的总通道数。
（2）内部软件的种类与数目
软元件是指为PLC内部具有的可供编程使用的元件，包括：
输入（X）与输出（Y）继电器（其数目分别于输入、输出点数相等）、辅助继电器（M）、定时器（T）、计数器（C）、数据寄存器（D）等。
不同的PLC所具有的这些软件的种类、数目和功能有所不同。
（3）程序容量及存储器类型
PLC中的存储器可用于存储用户编写的程序，它的存储容量即程序容量可用字节为单位来计算。
所谓字节，就是一个16位的二进制数，每1024个字节记为1k字节。
程序容量也有用程序的步数来表示的，PLC每一条基本逻辑指令为一步，不同的指令可有不同的步数。
程序的步数就是程序中包含的所有指令的总步数。
存储器的类型是指用于保存程序等的电子器件的类型，主要有RAM（可读写存储器）与EEPROM或表示为EPROM（可用电写入并修改内容的只读存储器）。
（4）扫描速度（操作处理时间）
是指执行每1k字节或1k用户程序所需的时间，其单位是ms/k字节或us/k步。
用us/k表示时，通常是指基本逻辑指令的执行时间，功能比较复杂的指令的执行时间要比基本逻辑指令的长。
（5）编程语言
PLC最为常用的编程语言是梯形图语言与助记符语言。
此外还有功能图语言、高级语言等。
不同的PLC及其编程器可能采用不同的编程语言，但一般都采用梯形图语言与助记符语言这两种最基本、最常用的语言。
（6）指令种类
这是指PLC的编程指令的功能。
PLC的指令按其功能一般可分为基本逻辑指令、步进指令、功能指令（又称应用指令）等。
（7）特殊功能
有的PLC具有一些特殊功能，如：
模拟量输入、输出（I/O）、接口及通讯联网、远程I/O、温度输入、定位控制等等。
这些特殊功能是要用PLC相应的特殊功能单元（模块）与其基本单元相配合来实现。
（8）工作条件
通常，PLC的工作环境条件为：
温度0-55，湿度85%以下（不结露）；环境中应禁止腐蚀性气体及尘埃。
此外，还有抗振动、抗冲击、抗噪声干扰、耐压、绝缘电阻、接地等方面的性能要求。
3.2PLC的特点与应用领域
3.2.1PLC的特点：
（1）.编程方法简单易学
虽然PLC是以微型计算机计数为核心的控制装置，但是不要求使用者精通计算机方面复杂的硬件和软件知识。
大多数PLC采用类似继电器控制
电路的“梯形图”语言编程，清晰直观，简单易学，了解继电器控制电路的电气技术人员很容易接受。
（2）.PLC的功能及其扩展能力强
其一，PLC利用程序进行定时、计数、顺序、步进等控制，十分准确可靠。
而用继电器控制时，需使用大量时间继电器、计数器、步进控制开关等设备，其准确性与可靠性无法与PLC相比。
其二，PLC还具有A/D和D/A转换、数据运算和数据处理、运动控制等功能。
因此它既可以对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。
其三，PLC具有
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