plc智能信号灯剖析.docx
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plc智能信号灯剖析
AnhuiVocactional&TechnicalCollegeofIndustry&Trade
毕业论文
PLC智能信号灯
Plcintelligentsignallamp
所在系院：
电气与电子工程系
专业班级：
15级机电一体化技术（3）
学生学号：
2015350301
学生姓名：
毕智健
指导教师：
崔璨
2018年5月20日
安徽工贸职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
系（院）电汽与电子工程系专业机电一体化班级机电三班
学生姓名毕智健学号2015350301
一、题目：
PLC智能信号灯
二、内容与要求：
内容：
1.设计梯形图控制程序。
2.分析花式喷泉的工作方式。
要求：
1.将花式喷泉用PLC进行控制。
2.能够读懂PLC控制程序。
3.能够看懂花式喷泉的工作原理。
三、设计（论文）起止日期：
任务下达日期：
2017年5月25日
完成日期：
2018年5月20日
指导教师签名：
年月日
四、教研室审查意见：
教研室负责人签名：
年月日
安徽工贸职业技术学院
毕业设计（论文）指导教师、评阅人评语
专业、班级机电一体化三班学生姓名毕智健完成日期2018.5.20
题目：
PLC智能信号灯
毕业设计（论文）共页，其中：
图幅，表个
指导教师评语：
建议成绩指导教师（签名）：
年月日
评阅人评语：
建议成绩评阅人（签名）：
年月日
安徽工贸职业技术学院
毕业设计（论文）成绩评定
专业、班级机电一体化三班学生姓名毕智健完成日期2018.5.20
题目：
PLC智能信号灯
毕业设计（论文）共页，其中：
图幅，表个
毕业设计（论文）指导小组评定意见：
毕业论文成绩的评定：
指导教师审阅成绩（70%）
评阅教师评阅成绩（30%）
总分
系（院）负责人签名：
年月日
PLC智能信号灯
摘 要：
交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车辆的流量，提高交叉路口车辆的通行力，减少交通事故。
在城镇街道的十交叉字路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红黄绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该道路禁止通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。
交通灯控制电路自动控制十字路口两组红黄绿交通灯的状态转换，指挥车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。
本文介绍交通信号灯的基本工作原理，基本组成，设计步骤及方法，电路说明等。
着重强调了设计的原理和方法，并附以电路说明，从更深层次的把交通灯的设计原理展现给大家。
它结合模拟电子技术和数字电子技术的基本研究方法并根据实际情况进行设计电路，并最终实现指挥交通。
本文的思路基于智能交通灯设计方案，并进行简单改进。
着重从数字电子的方向研究问题，把与非门和RS密码锁等方面的知识运用到实际的设计中，并发挥实际作用，最终实现红黄绿的三个灯的交替自动变换。
关键词：
555定时电路；交通信号灯；计数器；译码置数电路
PLCintelligentsignallamp
Abstractto：
Trafficlightsareoftenusedatintersections,whichareusedtocontroltheflowofvehicles,improvethetrafficcapacityofintersectionsandreducetrafficaccidents.InthetenCrossTownStreetintersection,trafficandpedestriansinordertoguaranteethesafety,generallyoneachroadhaveagroupofredyellowandgreentrafficlights,theredlight,saidtheroadclosedtotraffic;greenlightthattheroadtoallowpassage.Thetrafficlightcontrolcircuitautomaticallycontrolsthestatetransitionofthetwogroupsofred,yellowandgreentrafficlightsatthecrossroads,directingthesafepassageofvehiclesandpedestrians,andrealizingtheautomationoftrafficmanagementatthecrossroads.Thispaperintroducesthebasicworkingprinciple,trafficlightsbasiccomposition,designstepsandmethods,circuitdescriptionetc..Emphasisonthedesignoftheprinciplesandmethods,andattachedtothecircuitdescription,fromadeeperleveloftrafficlightstoshowtheprinciplesofdesign.Itcombinesthebasicresearchmethodsofanalogelectronictechnologyanddigitalelectronictechnologyanddesignsthecircuitaccordingtotheactualsituation.Theideaofthispaperisbasedonthedesignofintelligenttrafficlights,andasimpleimprovement.Mainlyfromthedirectionofresearchondigitalelectronics,theNANDandRSlocketc.knowledgetopracticaluseinthedesign,andplayapracticalrole,andultimatelytransformalternatingautomaticthreelightsofredyellowandgreen.
Keywords:
555timingcircuittrafficsignallamp;counter;decodingsetcircuit
目录
第1章引言
1.1城市交通现状2
1.2智能交通的国内外发展状况2
1.3交通信号灯控制的研究现状3
1.4本文的主要工作4
第2章十字路口信号控制的基本理论和方法5
2.1交通信号灯5
2.2信号灯的设置5
2.3交通信号的控制方式6
2.4城市道路智能交通信号控制系统7
2.4.1智能交通信号控制系统的基本组成7
2.4.2智能交通信号控制的核心7
2.4.3智能交通信号控制系统的基本设计步骤7
第3章交通灯系统的设计9
3.1交通系统的发展趋势9
3.2选择VHDL硬件描述语言设计的优势9
3.3红绿灯交通信号系统功能描述9
3.4红绿灯交通信号系统的VHDL模块10
3.4.2计数秒数选择电路11
3.4.3倒计时控制电路12
3.4.4红绿灯信号控制电路12
3.4.5建立程序包12
3.5本章小结13
结论17
致谢18
参考文献 19
第1章引言
1.1城市交通现状
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。
以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时12公里。
用这个目标速度代入欧美标准计算，广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值:
每年耗费1.5亿小时，减少生产总值117亿元。
相当于该市整个生产总值的7%!
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。
中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，北京、上海、广州三大城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。
从我国目前各大城市的交通结构看，普遍存在常规公共交通系统发展不足，快速轨道交通系统发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发展势头强劲的不协调现象。
因此，要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服务范围，充分发挥各种交通方式的优点，使其合理分工，才能发挥整个交通系统的效率。
1.2智能交通的国内外发展状况
城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，解决这个问题最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。
智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通网络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。
智能交通系统将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间;除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成部分经济损失。
在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列。
在北京召开的“第二届国际智能交通系统技术研讨暨技术与产品展览会”上透露。
我国将投资20亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭州、中山10个城市进行交通智能化改造，到2010年，这10个城市将全部实现交通的智能化。
目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何种角度出发，有一点是共同的:
智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效率，增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。
日本、欧洲等众多国家和地区在智能交通系统方面都取得了相当大的进展，对当地交通运输效率的提高起了关键性的作用。
从各国的发展来看，智能交通系统能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量;同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会及经济效益。
它不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。
1.3交通信号灯控制的研究现状
城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。
近多年来，随着众多研究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。
本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。
1.静态多段配时控制
静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。
它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。
但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。
因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。
这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境，颇受交通工程人员欢迎。
2.准动态多段配时控制
准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。
交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。
被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。
准动态多段配时控制是一闭环控制系统。
由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统。
1.4本文的主要工作
近年来，国内外许多专家致力于开发新的交通信号控制方法，人工智能是新的研究方向之一，这是因为人工智能在复杂系统的定性建模和控制上卓有成效。
由于交通流量是时变的、非线性的，具有较大的随机性，并且很难建立精确的数学模型，所以本文设计了一种根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统，其主要内容如下:
（l）对十字路口交通信号灯控制问题、控制系统组成等进行描述
（2）设计两级模糊控制系统
（3）在PLC上编程实现此模糊控制系统
第2章十字路口信号控制的基本理论和方法
2.1交通信号灯
在道路上用来传递具有法定意义指挥交通流通行或停止的光、声、手势等，都是交通信号。
交通信号是在空间上无法实现分离原则的地方，主要在平面交叉口上，用来在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措施。
交通信号灯用轮流显示不同灯色来指挥交通的通行或停止。
随着信号灯的发展，各国使用的信号灯存在不同的差别，各自给信号灯赋予不同的含义。
我国目前使用的信号灯基本上与国际规定一致，具体含义如下:
（l）绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行的行人通行。
（2）黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行通道的行人，可以继续通行。
（3）红灯亮时，不准车辆、行人通行。
（4）绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。
（5）黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。
（6）右转弯车辆和T形交叉口右边无人行横道的直行车辆，遇黄灯或红灯时，在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下可以通行。
2.2信号灯的设置
当交叉路口的交通量接近路口的通行能力时，考虑在交叉路口设置交通信号控制。
信号灯设得合理、正确，能较充分地发挥道路的交通效益，如设置不当，非但浪费了设备和资金，并且会对交通造成不良后果。
如有些不合理信号控制的路口，由于主要道路上驾驶员遇红灯而停车，但他在相当长的时间内并未看到次要道路上有车通行，往往会引起有意或无意的闯红灯。
因此，信号控制交叉口的交通事故，多发生在交通量较低的交叉口上或交通量较低的时间内。
在吸取国外信号灯设置经验的基础上，结合我国目前具体的交通状况，路口信号灯的设置与改进要运用交通工程学理论作指导，根据路口的地形特点、车流状况，作好车辆与行人交通流量的调查，进口道上车辆行驶速度的调查，交通事故及违章调查，车辆可穿越的空当及延误调查等，具体问题具体分析，制定优化的信号配时，保证现代交通高效、节能、低公害运行。
交叉路口交通信号灯安装方式有两种，一种是安装在伸向交叉路口中央上空型臂上;一种是安装在路口边或中央的灯柱上。
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。
这种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;二是可使患有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1O0m以外能看清。
2.3交通信号的控制方式
根据所采用的控制装置的不同，交通信号一般有三种控制方式：
1、周期式信号。
这种信号的周期长、相位、绿灯时间、转换时间等都是事先确定的。
信号通过规定的周期运行，每个周期的周期长和相位都恒定不变。
依靠所提供的设备，可用几种预定配时方案，每一种都在一天规定的时间中交替使用。
2、半感应式信号。
这种信号保证主干路总保持绿灯直到设在次干路上的检测器探到有车辆到达。
这时信号经过一个适当的转换间隔后，立刻为次干路显示绿灯，该绿灯就维持到次干路上的车辆全部通过路口或持续到预定的最大绿灯时间为止。
在绿波信号系统中，分配给次干路的绿灯时间必须限制在预定的时间内。
该系统的周期长和绿灯时间可根据需要随时进行调整。
当次干路没有车辆时，主干路总是保持绿灯，事实上分配到次干路的绿灯时间可充分利用，所有“多余的”绿灯时间则都分配给主干路。
3、全感应式信号。
该信号的所有相位全由传动检测器来控制。
一般每个相位都要规定最小与最大绿灯时间。
这种控制方式的周期长度和绿灯时间可根据需要作很大的变动。
周期中的某些相位是可以任意选择使用的，当检测器未测出交通量时，该时刻的相位可自动取消。
目前，许多信号系统都实现了计算机控制，使用计算机系统控制的地理交叉口，其信号一般采用预定周期式控制。
有些城市还部分地实现了交替信号的线或面的联动控制，在这样的系统中，计算机充当了主控机和监视器的角色。
此时，信号的联动不仅对提高单个信号交叉口的通行能力和服务水平有很大作用，而且还对提高整条道路或整个路网的通行能力发挥着极其重要的作用。
2.4城市道路智能交通信号控制系统
智能交通信号控制系统是城市道路交通管理系统中对交叉路口、行人过街，以及环路出入口采用信号控制的子系统。
主要包括交通工程设计、车辆信息采集、数据传输与处理、控制模型算法与仿真分析、优化控制信号调整交通流等。
国内外各大中城市己有的交通信号控制系统就是根据不同环境条件，基于各自城市道路的规划和发展水平建立起来的。
2.4.1智能交通信号控制系统的基本组成
智能交通信号控制系统的基本组成是：
主控中心、路口交通信号控制机以及数据传输设备。
其中主控中心包括操作平台、交互式数据库、效益指标优化模型、数据（图像）分析处理等。
2.4.2智能交通信号控制的核心
智能交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，体现着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。
目前，国内外已应用的信号控制系统大多是以优化定周期方案、优化路口绿信号配比以及协调相关路口通行能力为基础的，是根据历史数据和自动检测到的车流量信息，通过设置的控制模型算法选取适当的信号配比控制方案，是被动的控制策略。
随着网络技术的发展，交互式控制策略使信号控制由感控到诱导实现了真正的智能，交通信号控制系统不仅可以检测到车流量等交通信息参数，调控路口绿信号配比，变化交通限行、禁行等指路标志，还可以根据系统联接的数据库完成与交通参与者之间的信息交换，向交通参与者显示道路交通信息、停车场信息，提供给交通参与者合理的行驶线路，以达到均衡道路交通负荷的主动的控制策略。
尤其重要的是计算机网络技术和数字化使数据传输和信息利用得到了可靠保证。
可以说，城市道路智能交通信号控制系统是城市道路交通管理随着信息产业技术迅猛发展的综合产物。
2.4.3智能交通信号控制系统的基本设计步骤
根据路口交通现状和预测进行交通渠化设计分析原始交通流数据，通过仿真模型效验，确定控制模式，进行交通参数设定根据交通渠化设计及控制模式的设计要求完成交通工程设计（包括车辆检测器的检测区定位）根据各个路口配备设备的相关性，完成协调设计确定系统和单点控制的优化目标函数，得出最优信号控制方案配置路口信号控制机的固化基础参量，配置主控中心数据库与数据传输设置。
第3章交通灯系统的设计
3.1交通系统的发展趋势
交通系统未来的发展趋势就是要提高通行能力，加强环境保护，开展智能化运输和环保专项技术的研究，并且要做到以人为本，重点开展交通安全技术的研究，在这个过程中要确定经济合理的目标，促进新材料的广泛应用和开发。
3.2选择VHDL硬件描述语言设计的优势
首先，简单地介绍一下什么是VHDL硬件描述语言。
VHDL的英文全称是VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）HardwareDescriptionLanguage。
是EDA设计中使用最多的语言之一，它具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大地简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性。
其次，这次设计选用VHDL硬件描述语言的优势就在于传统的用原理图设计电路的方法具有直观形象的优点，但如果所设计系统的规模比较大，或者设计软件不能提供设计者所需的库单元时，这种方法就显得很受限制了。
而且用原理图表示的设计，通用性、可移植性也比较弱，所以在现代的设计中，越来越多地采用了基于硬件描述语言的设计方式。
利用硬件描述语言来设计电路，使探测各种设计方案变成一件很容易的事，因为只需要对描述语言进行修改，这比更改电路原理图要容易实现得多。
3.3红绿灯交通信号系统功能描述
在交通信号灯的设计中，外部硬件电路方面主要包括：
两组红绿灯、两组LED显示器（见图1）。
软件方面包括：
（1）电路合成模块的概念：
将交通灯信号系统划分成若干个小电路，编写每一个模块的VHDL程序代码，并将各个小电路相连接。
这样可以增加程序的调试速度，同时也能够将工作细分，以提高编程速度（见图2、图3）。
（2）参数化的概念：
针对不同时段的交通流量，可以调整红绿灯电路（增加或者减少电路的计数时间），以增加程序的灵活性。
图2交通信号灯系统结构图
由交通信号灯系统结构图（见图2）可知，该系统由4个子电路组成。
其中包括：
（1）时钟发生电路；
（2）计数秒数选择电路；
（3）倒计时控制电路；
（4）红绿灯信号控制电路。
图3交通信号灯系统模块图
由图3可以看出系统大体的工作程序是：
首先由时钟发生电路产生稳定的时钟信号，为下面三个子电路提供同步工作信号。
接收到时钟信号的红绿灯信号控制电路开始工作，并将产生的重新计数的输出使能控制信号发送给计数秒数选择电路和倒计时控制电路，同时还会将目前电路产生的状态信号发送给前者。
接收到重新计数的信号后计数秒数选择电路就会负责产生计数器所需要的计数值，并将这一数值发送给倒计时控制电路，由它利用发光二极管显示倒计时的状态。
当计数器计时完毕，倒计时控制器就会负责产生一个脉冲信号发送给红绿灯信号控制电路进入下一个状态，之后循环这一过程。
3.4红绿灯交通信号系统的VHDL模块
在红绿灯交通信号系统中，大多数的情况是通过自动控制的方式指挥交通的。
因此，为了避免意外事件的发生，电路必须给出一个稳定的时钟（clock）才能让系统正常的工作。
因此，hld1时钟发生电路（见图4）最主要的功能就是产生一些稳定的输出信号，并将其用做后面几个电路的使能控制与同步信号。
系统输入信号：
clk：
由外部信号发生器提供1kHZ的时钟信号；
reset：
系统内部自复位信号。
系统输出信号：
ena_scan：
将外部的时钟信号进行分频处理；
ena_1hz：
产生每秒一个的脉冲信号；
flash_1hz：
产生每秒一个脉冲的时钟信号。
当外部信号发生器提供了1kHZ的时钟信号后，系统输出信号ena_scan就将时钟信号进行了4分频。
从图6又可以看出，当加
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