智能交通灯系统的设计毕业设计.docx
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智能交通灯系统的设计毕业设计
第1章绪论
1.1概述
据一项对美国主要城市交通状况的调查显示：
1982年至2000年，美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达680亿美元。
在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达35%--40%，而北京只有20%。
缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。
据悉，到2010年，北京将投资500亿元用于城市道路建设，到2005年，北京仅高速公路通车里程就达到600公里。
但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵—修路—再拥堵”的怪圈。
当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。
因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。
随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。
本设计介绍了一个智能交通灯系统的设计。
该智能交通灯控制系统可以实现的功能有：
对某市区的四个主要交通路口进行监控；各路口有固定的工作周期，并且在道路拥挤时中控中心能改变其周期；对路口违章的机动车能够即时拍照，并提取车牌号。
在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。
而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题，也是当今计算机应用中空前活跃的领域。
本文主要从单片机的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理，用以控制过往车辆的正常运作。
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。
为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。
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。
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合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PLC设计方案。
可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛的应用在所有的工业领域。
现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
1.2可编程控制器的简介
1.2.1PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几个方面：
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
1.2.2PLC的特点
1、抗干扰能力强，可靠性高
继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
2、配套齐全，功能完善
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，新近出产的品种底部尺寸小于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。
1.2.3PLC的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相似。
PLC按其结构形式可分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
1.2.4PLC编程语言
采用面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC进行编程，其编程语言常用的有：
梯形图、语句表、功能图等。
1、梯形图
梯形图是使用最多的PLC图形编程语言。
梯形图与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，特别适合于数字量逻辑控制。
梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。
触点电表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。
线圈通常代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。
指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。
使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图，并将它下载到PLC。
2、语句表
语句表又叫指令表，它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，用指令的助记符编程，由多条语句组成一个程序段，可以实现某些不能用梯形图或功能块图表示的功能。
3、功能块图
功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。
即用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。
信号灯的排列方式通常分为两种：
1.水平排列式
从道路的中心线一侧起以红，黄，绿的顺序向路边排列。
常用于路面较宽的道路。
2.垂直排列式
从上往下依次是红，黄，绿灯。
这样方式常用于路面较窄的道路。
按固定方式排列信号灯有两个好处：
一是把红灯信号放在最醒目的位置；二是把可使患色盲的人凭借位置来判断信号的含义。
在交叉路口中央上空安装信号灯时应符合车辆通行净空高度界限的要求。
信号灯的亮度应保证人们在100M以外能看清。
第2章PLC控制系统设计概要
2.1设计的基本原则和内容
我们在学习了PLC的大量相关知识后，要能够把其运用在实际设计当中。
当然，要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统，需要丰富的专业知识和实际的工作经验。
我们首先来看一下PLC控制系统的设计原则和内容。
1、PLC控制系统设计的基本原则
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求；
（2）保证控制系统的高可靠、安全；
（3）满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便；
（4）选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。
2、PLC控制系统设计的基本内容
（1）选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象；
（2）分配I/O，设计电气接线图，考虑安全措施；
（3）选择适合系统的PLC；
（4）设计程序；
（5）调试程序，一个是模拟调试，一个是联机调试；
（6）设计控制柜，编写系统交付使用的技术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。
（7）验收、交付使用。
2.2设计的步骤和实现过程
1、PLC控制系统设计的一般步骤
（1）对于复杂的控制系统，最好绘制编程流程图，相当于设计思路；
（2）设计梯形图；
（3）程序输入PLC模拟调试，修改，直到满足要求为止；
（4）现场施工完毕后进行联机调试，直至可靠地满足控制要求；
（5）编写技术文件；
（6）交付使用。
我们在设计流程图时，也要遵循以下过程：
（1）分析生产工艺过程；
（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，分配I/O；
（3）选择PLC；
（4）设计PLC接线图以及电气施工图；
（5）程序设计和控制柜接线施工。
2、PLC控制系统执行程序的过程及特点
PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。
（2）程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。
若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。
当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。
当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。
对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。
（3）输出刷新阶段
程序执行完毕后，进入输出处理阶段。
在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。
因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。
当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。
这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。
在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。
在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。
在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。
这种方式称为集中输出。
对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。
从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。
对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。
应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动
作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。
滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。
第3章交通信号灯控制系统
3.1交通信号灯的控制要求
随着城市和经济的发展，交通信号灯发挥的作用越来越大，正因为有了交通信号灯，才使车流、人流有了规范，同时，减少了交通事故发生的概率。
然而，交通信号灯不合理使用或设置，也会影响交通的顺畅。
因此，在实际设计时要遵循一定的原则和要求。
交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。
红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。
交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。
交通信号灯用于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令，使各个方向同时到达的人、车交通流尽可能减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口畅通和安全。
3.2信号灯的控制原则
（1）当东西方向允许通行（绿灯）时，南北方向应禁止通行（红灯）；同样，当南北方向允许通行（绿灯）时，东西方向应禁止通行（红灯）
（2）在绿灯信号要切换为红灯信号之前，为提醒司机提前减速并刹车，应有明显的提示信号：
绿灯闪烁同时黄灯亮。
（3）信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。
3.3PLC硬件控制电路的设计
3.3.1PLC的选型
在对PLC控制系统进行硬件结构设计时，首先，要了解各个控制对象的驱动要求，如：
驱动电压的等级、负载的性质等；其次，要分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；再次，要确定所控制参数的精度及类型，如：
对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等。
根据上述原则，我们要选择适合的PLC机型及外设，完成相应的PLC硬件结构配置。
因此，PLC的选型是设计中至关重要的一步。
目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种可达数百个，其性能各有特点。
所以，在设计时首先要尽可能考虑采用便于学习、掌握、维护方便、备品配件通用性强的PLC。
我国市场上流行的PLC产品有以下几家：
（1）德国西门子（Siemens）公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品；
（2）美国罗克韦尔（Rockwell）公司所属的AB（Allen&Bradly）公司的产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品；
（3）GE-Fanuc公司的产品；
（4）法国施耐德（Schneider）公司的产品；
（5）日本三菱、欧姆龙等公司产品。
本次设计的北新西道站前路交通信号灯控制系统的主要任务和内容集中在程序编写和梯形图的绘制，由于在本设计中用到了大量的开关量、继电器、计数器以及计时器等。
而德国西门子出产的PLC功能全，性价比高，有统一的地址分配，完全可以满足本设计的要求。
并且，在目前相关领域的控制设计中，西门子产品的应用比较广泛。
综上所述，我们采用了西门子公司S7-300。
3.3.2S7-300系列PLC简介
S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程模块组成。
它的CPU上带有一个编程接口，使用西门子的MPI（Multi-pointInterface）通信协议。
有的CPU还带有集现场总线PROFIBUS-DP接口或PtoP（PointtoPoint）串行通信接口。
因此S7-300不需要任何通信处理器就可以建立一个MPI网络或一个PROFIBUS-DP网络。
功能最强的CPU的RAM为512KB8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量最多65536，模拟量通道最多为4096。
计数器的计数范围为1～999，定时器的定时范围为10ms～9990s。
S7-300有350多条指令，其编程软件STEP-7功能强大，可以使用多种编程语言。
所有模块和网络的参数都可以用STEP-7的软件工具来设置。
S7-300的CPU具有智能化的诊断系统，监视系统是否正常，记录故障和系统事件。
S7-300有看门狗中断、过程报警、定时中断等功能，它的模块都安装在导轨上，有不同长度的导轨供用户选择。
电源模块总是安装在机架的最左边，紧靠电源的是CPU模块。
如果系统有本地扩展接口模块安装在CPU右侧。
S7-300的所有模块（除了电源模块）都集成了背板总线，用U型总线连接器将各个模块的用户输入设备输入端子输出锁存器输入映像区寄存器用输出设输入锁存器背板总线连接在一起。
外部信号线接在模块的前连接器上，前连接器是单独定货的，其接线端子的数量与具体的模块相匹配。
除了电源模块、CPU模块和本地扩展模块，其他任何模块都可以插在任何一个槽上，系统根据其位置自动的分配地址。
每个机架最多能安装8个信号模块、功能模块或通信模块，如果数量超过，则可以用扩展机架，用本地扩展模块IM来实现。
除了CPU中央机架（CR），最多可以扩展3个机架（ER），每个机架可以插8个模块（不包括电源、CPU和接口模块IM），4个机架最多可以插32个模块。
机架的槽号从左到右，最左边是1号槽，最右边是11号槽，电源模块固定在1号槽的位置。
中央机架的2号槽只能是CPU模块，3号槽只能用于本地扩展的接口模块。
信号模块、功能模块和通信模块处理器使用4到11号槽。
3.3.3I/O模块地址的确定
S7-300的数字量地址由地址标识符、地址的字节部分和位部分组成。
一个字节由0～7这8位组成，地址标识符I表示输入，Q表示输出，M表示储存器。
例如I2.1表示一个数字输入地址，小数点前的2是地址的字节部分，小数点后的1表示这个数字输入点是2号字节中的第一位。
除了可以按位寻址外，还可以按字节、字和双字寻址。
例如输出量.Q4.0～Q4.7组成输出字QB4，B表示字节；字节QB4和QB5组成一个输出字QW4，W表示字，其中QB4为最高位字节；QB4～QB7组成一个输出双字QD4，D表示DoubleWord的缩写，其中QB4为最高位的字节。
以组成字和双字的第一个字节的地址作为字和双字的地址。
对于数字量模块，从0号机架的4号槽开始，每个槽位分配4个字节的地址，即32个I/O点。
模拟量模块以通道为单位，一个通道占一个字地址，由两个字节地址组成。
例如IW260由IB260和IB261组成。
从IB256开始，给每一个模拟量分配8个字节。
3.4S7-300的系列模块
3.4.1CPU模块
S7-300有多种不同型号的CPU，分别用于不同规模及不同控制要求的项目：
（1）紧凑型CPU：
CPU312C，313C，313C-PtP,313C-2DP,314C-PtP和314C-2DP。
其中有的有集成数字量I/O和模块I/OCPU均有计数、频率测和脉冲宽度调制功能，有的有定位功能，有的带有I/O。
（2）标准型CPU：
CPU312313，314，315，315-2DP和316-2DP。
（3）户外型CPU：
CPU312IFM，314IFM和316-2DP。
它们可以在恶劣的环境下使用。
（4）高端CPU：
317-2DP和318-2DP。
（5）故障安全型CPU：
CPU315F。
CPU内的元件封装在一个塑料壳内，面板上有模式选择开关、通信接口、状态和故障选择指示LED。
存储器插槽能插入多达数兆字节的FlashEPROM微存储卡（MMC），用于存储用户程序和数据。
3.4.2输入/输出模块
输入/输出模块系统称为信号模块（SM），包括数字量（或称开关量）输入/输出模块，模拟量输入/输出模块。
输入/输出信号线连接到前连接器上，前连接器插在SM前盖后面的凹槽内，不需要断开前连接器的接线就可迅速更换模块。
（1）数字量输入模块
数字量输入模块接受外部开关信号，开关信号主要来自按钮、二线式光电开关、接近开关、低压电器的触点等。
数字量输入模块现场的开关信号的电平转换成PLC内部信号电平。
直流输入模块操作电压一般是DC24V，交流输入模块的操作电压为AC120V或AC230V。
用电容隔离掉输入信号中的直流成分，交流信号经桥式整流电路转换成直流电流。
（2）数字量输出模块
数字量输出模块将PLC内部信号电平转换为控制过程所需要的外部信号电平，同时有隔离和功率放大作用。
可直接用于驱动电磁阀、接触器、继电器、灯和电动机启动器等负载。
按负载回路的电源不同分为：
直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块。
按输出量开关器件的种类又可分为：
晶体管输出方式、双向晶闸管输出方式和继电器输出方式。
晶体管方式的模块，只能带直流负载，属于直流输出模块；双向晶闸管输出模块属于交流输出模块；继电器触点输出模块属于交直流输出模块。
三种输出形式中，晶体管型输出响应速度最快，继电器输出响应速度最慢。
继电器输出模块的负载电压范围宽，承受瞬时过电压和过电流的能力强，但开关频率不能太快适用于动作频率不高（低于20HZ）的负载。
（3）模拟量输入模块
模拟量输入模块用于接受来这生产过程的连续变化的模拟量信号。
如温度、压力、流量、液位等非电量；电压、电流、有功功率、无功功率等电量。
传感器检测的模拟量信号通过相应的变送器转换成标准的直流电压和电流信号。
模拟量输入模块将来自变送器的模拟信号转换成CPU处理的数字信号，即A/D转换。
模拟量输入模块SM331中也有直接不带附加放大器的温度传感器，如热电偶或热电阻。
（4）模拟量输出模块
模拟量输出模块的作用将PLC输出的数字量信号转换为模拟量信号（电压、电流）区别控制执行机构，其主要组成部分是D
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