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1、班 级 电气工程及其自动化2013-59 学生姓名 吕松涛 学 号 13921772 发题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日题 目 PLC十字路口交通灯控制系统 题目类型：工程设计 技术专题研究 理论研究 软硬件产品开发一、设计任务及要求1按照PLC十字路口交通灯控制系统的需求分析及总体设计方案。2PLC十字路口交通灯控制系统包括：控制系统的的需求分析、方案设计、PLC硬件系统的设计、软件系统的设计等几个方面 。3采用控制系统的设计方法，通过对PLC控制器的硬件设计和软件设计，使用体型的软件开发工具实现本需求分析所涉及的功能，保证软件能够正常使用。 二、应完成的硬件或软件实验 用PLC

2、工具开发控制系统，并进行系统测试。三、应交出的设计文件及实物（包括设计论文、程序清单或磁盘、实验装置或产品等） 毕业设计、毕业论文、含毕业设计论文和源代码的光盘 四、指导教师提供的设计资料1赵轲编著 基于PLC的多时段交通灯控制系统设计 广西轻工业 2秦宇峰编著 基于PLC的交通灯控制系统 信息技术教学与研究 3陈婷婷编著 基于PLC的城市十字路口交通灯控制系统应用研究 科技向导究出版社 五、要求学生搜集的技术资料（指出搜集资料的技术领域）1软件工程方法资料。2考试题库系统开发资料 3PLC控制系统和交通信号灯控制方案的相关资料 六、设计进度安排第一部分 熟练课题，收集、整理课题相关资料 （

3、1 周）第二部分 系统需求分析与总体设计 （ 2 周）第三部分 熟悉系统实现平台：熟练掌握PLC的使用 （ 2 周）第四部分 详细设计、编码、测试 （ 3 周）第五部分 毕业设计论文文档编写整理 （ 2 周）评阅及答辩 （ 1 周）学院审查意见：审 批 人：诚信承诺一、本设计是本人独立完成；二、本设计没有任何抄袭行为；三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消 本人答辩资格。承诺人：年月日摘 要 IIIAbstract III第1章 绪论 31.1 设计十字路口交通灯意义 31.2 我国十字路口交通灯系统的发展现状 31.3 本文研究内容 31.4 论文安排 3第2章 十字路口交通灯控制系统方案

4、设计 32.1 控制系统实现目标设计 32.2 控制系统总体方案设计 32.2.1 控制系统总体框图 32.2.2 可编程控制器（PLC） 32.2.3 检测器的选择 32.2.4 控制系统其他设备选择 3第3章 十字路口交通灯控制系统硬件设计 33.1 PLC的外部接线图 33.2 PLC的地址分配 33.3 车辆通过流量检测方式 33.3.1 电感式传感器设计 33.3.2 比较鉴别电路 33.4 车辆通过流量计数方式 33.5 PLC实现十字路口交通灯控制 33.6 强通控制 3第4章 十字路口交通灯控制系统软件设计 34.1十字路口交通灯系统的软件设计 34.2 PLC系统梯形图分析

5、3第5章 十字路口交通灯控制系统软件调试与检测 35.1 调试与检测 3总结 3致谢 3参考文献 3摘 要本设计利用电感式传感器检测各个路口通行车辆，利用计数器统计各个路口的车流量，根据预先设定的参数，在PLC中编程实现智能化判别各个交通路口的车辆停滞状况，然后对交通停滞状态进行分级处理，通过PLC智能控制系统对交通停滞级别做出相应的适当反应，具体通过调整红绿灯的读秒时间来减小交通停滞状态。本文的系统设计不但能充分地利用城市交通设施，节约交通资源，还能优先处理交通紧急状况，体现该设计的人性化。关键词：十字路口交通灯； PLC编程；强通控制；电感式传感器；AbstractIn order to

6、alleviate urban traffic congestion and take advantage of the efficiency of the existing road network .In this paper, by using PLC programming to realize intelligent traffic light control system design. Fristly, through the PLC programming to complete the traditional traffic light control, then, addi

7、ng intelligent design on the basis of it, using inductive sensors to detect the car ,using photoelectric counter to statistics each intersection traffic, and according to the preset parameters, it can intelligent judge each traffic intersection congestion. Afterwards, by grading of traffic state of

8、stagnation, the PLC control system would appropriate adjust the traffic lights seconds time to alleviate traffic pressure, to ensure the normal operation of the roads. Finally, to embody the human needs of modern society, this paper designs the adaptive traffic emergency lights response procedures t

9、o make sure that in special circumstances the system can switch to manual control mode and achieve better control, so that the goal of making this system can realize intelligent traffic light running ,making the most of the city has some traffic facilities, improving the utilization rate of road net

10、work, reducing traffic congestion and saving transportation resources can be realized.Keywords: PLCprogramming; intelligenttrafficlight; inductance type transducer; urgentcontrol第1章 绪论本章简要介绍当今交通特点以及发展十字路口交通灯的必要性，然后介绍十字路口交通灯的发展现状以及应用现状。最后介绍本次研究的主要内容和论文安排。1.1 设计十字路口交通灯意义现在城市交通路口一般均设置控制车辆通行的交通灯控制系统，普通的

11、定时限红黄绿灯循环控制系统更是随处可见，这种路口通用的交通灯作用机理是：首先对该路口的车辆流量进行调研统计，根据该路口的调查报告数据对该路口两个方向的红绿灯的延时时间进行合理设置，该延时时间为固定时限。然后设计根据这个时间延时循环运行的交通灯控制系统，使得该路口的车辆在所设定的红绿灯延时控制系统下能保证通畅运行。上述这种路口通用交通灯控制系统采用定时限控制方法对红绿灯转换进行控制，虽然实施与操作过程简单易懂，因此，现实生活中我们常常会遇到这样的现象：某一路口某一方向几乎没有什么车辆通行，而其对面方向的路口中却正有大量车辆在排队等候通行。严重影响了道路设施的有效利用，严重浪费了人类宝贵的时间，造

12、成了严重的社会资源浪费。通过上述现实现象可知，通过对某一路口车流量统计建立的固定模式的交通灯控制系统，不能满足实现生活中人类行为规律要求，因此，改善现如今固定时限的交通灯控制循环系统，使之能够充分满足现实生活的交通需求，已然成为当今研究的热门话题。如今，科学技术日新月异不断发展，我们对机械智能化程度以及社会生活人性化要求也越来越高，根据古老的统计学方法建立的交通灯定时限循环作用的交通控制系统已经不能满足如今人类的社会生活需求。十字路口交通灯系统在此基础上逐渐发展起来，它将自动控制、计量、新传感器以及计算机管理技术于一身，利用可编程控制器实现交通灯智能化控制。十字路口交通灯控制系统能够使道路交通

13、基础设施发挥其最大效能，它不但能够能有效缓解交通停滞状况，而且可以充分利用社会有效经济资源。1.2 我国十字路口交通灯系统的发展现状随着交通理论、自动控制技术、优化理论的逐步完善，以及交通基础设施的人性化需求，促使我国也越来越重视交通控制系统的设计与实施，该交通灯控制系统采用固定时间间隔的循环控制系统；在此之后国产的十字路口交通灯控制系统率先南京市同济大学开发成功；还没有应用于实际的交通设施中；将十字路口交通灯控制系统首次应用于实际工程中的是 2000-2002年吉林大学研究开发一套自适应信号交通灯控制系统，它不但适合我国城市混合交通特点，还纳入了对自行车交通流量的检测，在实际工程应用中取得了

14、良好的应用效果1。如今最先进的智能交通控制系统大是在PLC技术上发展起来的，它不但考虑车辆在交通路口的通行，在路口的两个方向安装红外线车流量检测器，光电开关就会受到汽车车体的阻碍使信号阻断或发生变化，系统并将这电信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，利用PLC进行累积计数，然后按车流量自动调节红绿灯的延时以缓解交通阻滞。1.3 本文研究内容为了有效的缓解城市交通拥挤堵塞现象，本文利用PLC编程实现十字路口交通灯控制系统的设计运行。本文首先选择能够在恶劣电磁干扰环境下正常工作的PLC控制系统，通过PLC编程实现普通的定时限交通灯循环控制功能，在此基础上综合考虑现实生活中车辆流动不确定

15、性问题，为系统设计添加智能化控制模块，充分利用传感器技术对车流量的过程进行统计、监视，判断完毕车流停滞量级别后通过PLC控制系统适当调整交通红绿灯的读秒时间，最后，使该系统在特殊情况下能切换到人工控制模式，实现强通控制。1.4 论文安排根据上述的描述本论文的安排主要分为原理、硬件电路、软件设计以及软硬件调试四部分。原理部分：第1章主要介绍了十字路口交通灯的设计理念和PLC运行机理。普通交通灯设计部分：第2章主要对交通灯进行初步设计，在PLC软件中实现普通交通灯定时限循环控制。交通灯智能化设计：第3章详细介绍了十字路口交通灯应实现的功能与硬件部分电感式传感器检测车辆、累积计数，并在普通交通灯控制

16、系统基础上实现智能化模块设计与添加，并实现车辆紧急情况下的强通控制。总结：第4章对基于PLC的十字路口交通灯做了总结。第2章 十字路口交通灯控制系统方案设计本章主要介绍十字路口交通灯控制系统实现目标及方案设计，包括交通灯控制系统设备选择的介绍和选择、介绍和可编程控制器PLC基本组成及工作原理、系统的实现目标及控制系统的总体设计方案。2.1 控制系统实现目标设计在进行论述中，借助可编程控制器对交通等进行管控，同时结合该设置的基本设计理念，从实践的视角出发进行具体实验把控，并在具体实践中验证了该程序不仅能够起到预期交通管控效果，同时在具体操作层面上也相对简单易行。因此采用该编程方式来进行控制系统设

17、计具有一定的可行性。而且结合具体的交通管控情况，对该编程是脚下的交通灯管控系统进行了具体的分析，并基于此提出一种有效的设计模式：1.首先对启动模块进行设计，促使模块启动后能够正式开始交通灯的实际管控。系统启动后，南北方向的红灯以及东西方向的绿灯是处于开启状态。2. 倘若南北绿（红）灯和东西绿（红）灯能同时亮时，系统自动关闭运行并报警。倘若所有信号灯均熄灭时，则系统自动关闭运行。3.首先南北红灯亮维持25s。4.南北绿灯亮20s。5.周而复始。2.2 控制系统总体方案设计2.2.1 控制系统总体框图本文的设计框图如图2-1所示。图2-1智能控制系统框图2.2.2 可编程控制器（PLC） 本节主要

18、是介绍控制系统的总体设计方案，其中包括智能系统控制器的选择、可编程控制器PLC的概述和选择、智能控制系统车辆通过流量检测方式的介绍和系统的总体设计。1、基本组成PLC又称可编程序控制器，英文名是Programmable Logic Controller，是一项综合型的技术，基于多门学科背景下研发出的可编程序控制器，不仅在使用方面十分便捷，而且从适用性视角讲也具有十分突出的表现。所以该编程可以广泛的应用在多个领域。在交通领域的应用表现方面，其不但可对目前普遍使用的交通灯达到精确控制，也可对多岔路口系统实现准确方便控制。借助可编程序控制器，不仅可以实现对许多复杂的设备提供可靠的控制方案，特别是为循

19、环控制系统提供主战场，这与它的基本结构构成与功能是分不开的。从结构上分，可编程序控制器可分为固定式和组合式两种模式，其中固定式可编程序控制器包括5大板块元素。1.中央处理器（CPU）CPU元件是整个控制器的核心构成，也是整个控制器设计的主要原价。借助CPU元件，可以帮助可编程序控制器更稳定的运行，同时也满足多方面的需求，诸如对数据的收发、存储等。其功能包括了：（1）用户基本数据信息的收发功能CPU可以更精准的完成数据搜集功能，并将获取的数据信息送入CPU事先预定的寄存器进行数据的存储；（2）对电源情况进行判定 借助CPU，不仅可以保证系统的稳定运行，同时也对程序的具体运作情况，运作过程中出现的

20、问题，以及工作电路的运行状态等进行检测和问题的诊断；（3）读取用户程序和数据（4）刷新输出状态2.存储器可编程序控制器要在系统程序的管理下运行，系统存储器是就用来存储的是系统程序的，它是由厂家研发并进行固定设定的模块，因此用户无法对其进行更改。而用户存储器的作用是对用户信息，用户编辑的程序以及相关的数据资源进行存储和管理等。由于系统程序存于系统存储器中，用户不能直接存储，它用来管理PLC整个系统，是不可更改的，常用的存储器（用户程序存储器）类型有CMOSRAM、EPROM、EEPROM等，它们的容量大小有较大差别，大型的存储器可以达到256K，小型的存储器在8K以下3。3.输入输出（I/O）模

21、块PLC程序运行结果一般是通过控制外部电路实现的，因此PLC需要与外部硬件电气回路的信号传输交换的连接接口，这个接口就是输入输出模块即I/O接口。在具体程序编程过程中，可以依据编程人员的需求实现对I/O模块的数量选择。I/O模块数量是依据CPU管理配置能力来进行确定的。I/O输入模块主要用来采集或接收信号并输入CPU中，I/O输出模块主要用来送出用户程序执行信息或CPU控制器输出的控制信息。图2-2 PLC外部接口端口4.编程器主要用来生成用户程序，输入编辑指令程序。一般可编程序控制器都利用计算机作为编程工具，直接在计算机上编辑梯形图或指令表，并且在计算机中实现梯形图或指令表的转换。5.其他外

22、部设备可编程序控制器还可连接有一些其他的外部设备并实现相应功能，如EPROM写入器、磁带机和打印机等4。2、工作原理用户在可编程序控制器中输入编写的控制程序并校对无误后，点击运行按钮可编程序控制器便开始逐步执行输入采样数据、程序执行与输出控制三步。具体的运行流程如下： 1 输入采样阶段通过对目标数据或者信息的扫描，CPU可以完成数据的读取工作，并将这些数据存储到设定好的I/O映象区的对应单元中。完成数据的收集后，则程序则依据相应指令需求进行具体的管控功能实现。2 用户程序执行阶段在该流程中，程序运算的基本规则是：由上而下、由左到右。，可编程序控制器能够根据逻辑运算的结果，不断刷新该输出结果在I

23、/O映象区中对应位的状态。3 输出刷新阶段进入输出刷新阶段， CPU依据数据信息进行输出锁存电路的刷新工作，并依据刷新结果进行相应的外设驱动，以达成预期管控目标5。可编程序控制器扫描过程如图2-2所示。图2-2 PLC扫描流程图2.2.3 检测器的选择目前，世界在智能控制交通控制领域的理论研究上已经取得不少成果，少数先进国家已经实现将智能交通控制系统应用于实际工程中。但是GPS全球定位系统复杂、费用高，因此本文利用传感器来探测车辆流量，不仅便捷，且作用效果也较好。利用传感器探测车辆是否在该路口机理是：在该路口的入口附近铺设地下感应线圈，将该感应线圈通入高频电流，同时内部会有涡流损耗发生，借助这

24、种方式去感知汽车的通行情况。汽车离开后，则内部的感应线圈电感则会恢复到之前状态，通过检测器即可探测出电感线圈这一变化，也就可以对汽车的靠近或者远离进行具体的判定。而且借助这种原理，可以促使在汽车靠近时将涡流电感转换为标准的脉冲信号，该信号即可作为控制输入信号输入到可编程控制器中，将进入与走出该路口的车辆计数相减即可得到该路口车辆停滞量6。图2-3 电感式传感器作用机理图对汽车是否经过的检测实现方式为：通过检测器的连接，实现对感应线圈的工作驱动，并将其对车体经过的感应电流进行转换，从而实现对汽车靠近、远离的信息获取，输出脉冲操作电路图如图2-4所示：图2-4 电感式传感器输出脉冲波图2.2.4

25、控制系统其他设备选择本设计的LPC交通灯控制系统其他设备有：LED交通信号灯及LED数码管和电源。1、LED交通信号灯：用于显示输出的控制结果，是PLC交通控制系统的重要组成部分。LED灯的工作电压一般为1V。2、电源：采用24V、400mA直流电源。第3章 十字路口交通灯控制系统硬件设计本章主要介绍普通交通灯控制系统基础上进行智能化、人性化改进设计，使系统能通过车流停滞量多少自动调整交通灯延时时间，以达到疏通交通车辆，节约交通资源的目的。最后，对该系统添加强通控制模块，使系统能满足急车优先通行的需要。3.1 PLC的外部接线图根据以上交通灯功能设计硬件连接图如3-1所示：图3-1 交通灯控制

26、硬件连接图在图3-1硬件接线图中，SB1为启动按钮，SB2为停止按钮；硬件设计有两个输入口I0.0和I0.1；输入口I0.0接收启动按钮SB1的输入；硬件设计有六个输出口Q0.0- Q0.6，其中输出口Q0.0控制东绿灯（HL5-1）和西绿灯（HL5-2），输出口Q0.2控制东红灯（HL7-1）和西红灯（HL7-2），输出Q0.3控制报警灯（HL4），输出口Q0.6控制南红灯（HL3 -1）和北红灯（HL3-2）。在进行极性打造方面，24V DC可满足需求。而输入端子是1M、2M，输出端是1L、2L。3.2 PLC的地址分配 按照系统控制要求，分析上述交通灯控制系统思想，实现以上交通灯控制功能

27、具体做法如下：当南北方向道路交通灯亮红灯时，如果东西方向禁止通行，则南北方向设置为可以通行。如果两个方向同时是绿灯或者是红灯亮，则系统会进行报警。每个方向有红黄绿三个交通灯，所以在一个十字路口至少要有12个信号灯的设置。控制时分组进行控制，南北、 东西为一组，报警信号驱动的报警灯为单独一组7。3.3 车辆通过流量检测方式3.3.1 电感式传感器设计电感式传感器设计的目的是感应车辆流通，其感应线圈电流检测电路如图3-2所示：图3-2 信号检测电路图结合电感式传感器在进行车流量检测需求，本文在进行管控系统建设过程中使用的是单相半控桥式来进行整体的设计。借助二极管和晶体管的搭配应用完成设计。同时在单

28、相半控桥式整流电路的输出方面，其充分满足了连续平滑控制的需求。当电源U2正半波时， Wt=a（a小于90度）时触发二极管VT1后，流通电路的电流由电源提供，由于检测电路中VT1，VD2导通，因此电流通路为：VT1一1一r一VD2；当Wt为90度时，二极管VD2电流换给VD1，电流iVD2及i2终止，在Wt =Pi-（Pi+a）区间内时电流由电感释放电能提供；当Wt为90（Pi）度之后，电源电压U2经零变负，但源于感应电势，电流并没有消失，而是处于逐步减弱的状态。此时其借r一VD1一VT1回路放电。为了防止这种失控现象，仍须在半控式电路中加上续流二极管8。图3-3感应线圈电流检测电路图3.3.2

29、 比较鉴别电路本文中采用电压比较器来输出脉冲信号，当U大于u+时电路输出-Uom信号，反之当U小于u+时电路输出+Uom信号，正负Uom组成脉冲信号。电压比较器如下图所示：图3-4 比较鉴别电路图3.4 车辆通过流量计数方式利用上述感应机制，通过PLC分别统计东西南北道路的的车流量，每个方向当车辆进入路口经过第一个传感器（入口）时，利用计数器统计计数加1，当经过第二个传感器（出口）时，使利用计数器统计计数加减1，两计数器差值为该方向车道上车辆的滞留量，明显此滞留量为动态值，此差值可与其他车道上检测的车辆滞留量的值进行比较，此可作为调整红绿灯时长的依据。在进行统计时，需要对不同方向车道的车流情况

30、，以及汽车滞留情况进行综合分析，结合分析数据进行通行原则的制定。原则上是充分保障车流通行的顺畅性，尽可能减少车辆滞留的情况。根据以上判别，在PLC中编程实现车流量计数统计。3.5 PLC实现十字路口交通灯控制东西车道交通量可如表3-1所示：表3-1 东西车道交通量表东车道车流规模东西西车车道车道车流流规模小中大实现十字路口交通灯控制，利用PLC，将传感器测得的车流停滞量与各道口的信号灯直接相连，如图3-5所示：图3-5 十字路口交通灯模块连接图首先按启动按钮后，十字路口交通灯控制系统开始运行，达到路口满溢设定值。若检测路口满溢时，先判断满溢值在大（d以上）、中（z以上，d以下）、小（x以上，z以下）哪个级别，根据级别来控绿灯制延时。