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交通灯规则及交通信号灯的模拟控制设计-论文交通灯规则及交通信号灯的模拟控制设计目 录交通信号灯的模拟控制设计(摘要) 2引 言3 第一章 设计总体概述4第二章 PLC可编程序控制器概述 5第三章 交通灯硬件设计6第四章 设计过程10第五章 调试 16结 束 语 18参考文献 19交通信号灯的模拟控制设计 【摘要】交通信号灯系统的智能化控制是近年来得到关注并广为研究的一个课题通过引入动态控制系统，描述了该系统的工作原理及控制模式，给出了一种基于PLC的交通信号灯系统的动态控制方法该系统以地感线圈为信号采集元件，以PLC为信号处理和控制装置，具有系统结构简单、投资成本较小、现场适应能力强、时间调节范围广等特点，因而在实际的交通信号控制领域有良好的应用前景。 【关键字】 PLC 交通灯 程序 模拟 设计引 言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，笔者进行了深入的研究，以下就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。我国机动车辆发展迅速，而城镇道路建设由于历史等各种原因相对滞后。道路拥挤、阻塞现象及交通事故常有发生。如何利用当今计算机与自动控制技术，有效地疏导交通，提高城镇交通路口的通行能力，提高车辆速度，减少交通事故是值得我们研究的新课题。而目前国内利用单片机实行交通管制这方面应用较少。下面分析用PIC实现交通灯控制设计方法。第一章 设计总体概述1、交通灯的设计要求和目标l使用FX2N系列PLC实现l每天早上6点自动启动运行一直到晚上12点停止l当有急救车到来时十字路口的所有信号灯均亮红灯，等急救车过去后，恢复正常运行状态。2、交通灯的系统设计 交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中： TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。 TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。 ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。790交通灯规则及交通信号灯的模拟控制设计第二章 PLC可编程序控制器概述可编程控制器（Programmable Logic Contrller）,简称PLC。它是20世纪70年代以来，在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，、国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快、除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多地采用PLC控制系统取代传统的继电-接触器控制系统。国产的小型化PLC性能也基本达到国外同类产品的技术指标。因此，作为一名电气工程技术人员，必须掌握PLC及基控制系统的基本原理与应用技术，以适应当前电气技术的发展需要。1.PLC的发展历史1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。2.PLC的市场情况国内PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿元人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。从技术创新的角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS(计算机集成制造系统)，在机械制造厂要形成FMS柔性制造系统，PLC是基础，所以PLC市场是广阔的。第三章 交通灯硬件的设计交通灯的硬件设计交通信号控制系统大体上分为三种类型：定周期的信号机、多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。具体采用哪种类型，应根据其应用场合及特点加以确定。其中，第一种类型以其成本低，设计简单，安装及维护方便等特点得到了广泛应用。本文讨论的城乡交通灯控制系统就属于该种类型。该交通灯控制系统主要由时间发生器电路、光电检测电路、控制电路等几个部分组成。如图1所示。1.1 控制电路控制电路主要由单稳态触发器、RC电路和反相器构成、电路如图2所示。该电路有两个输入端和三个输出端。当QAQBQCQD=0000时，输入端IO为低电平，此时信号将直接经O1输出给LD以进行异步置数，因此74191的0000状态持续时间很短暂。输入端I1由光电检测电路的输出信号提供，当有车辆时，输出低电平；无车辆时输出高电平。输出信号O1=I1，而输出信号O2而由I1经反相器、RC电路和一单稳态电路得来。O1的作用是当乡间道无车辆时，保持主干道绿灯亮，乡间道红灯亮。当主干道绿灯变亮并检测到乡间道有车辆（即I1=0）时 ，O2触发单稳态电路并维持主干道绿灯亮66s,即T2 = RCln3=1.16M10f=66(s)。 图2 0.25Hz矩形波发生器1.2 光电检测电路光电检测电路由光源和光电三极管构成，该电路可根据需要选择现成产品，如CP850系列的CP851，该器件的光电传感器输距离可达15m。图3 交通灯驱动路1.3 交通灯控制及驱动电路交通灯控制电路由一个D触发器、一个三输入或门和两个反相器组成， D触发器的作用是在乡间道非常繁忙时，对红绿灯的转换进行控制。三输入端或门的作用是当乡间道无车辆和主干道绿灯刚亮而乡间道就有车通过时维持主干道绿灯亮时间大于60s。由于红绿灯的功率较大（十几瓦），一般集成门电路无法驱动，因此需要设计一个特定的驱动电路，该电路可用功率管和高驱动能力的电源构成，具体电路如图3所示。功率管及电源大小可根据交通灯的功率进行计算。电路仿真时，可用一小灯泡直接接在门电路的后面。控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如图4所示。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1 00状态时，如果TL 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项X表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。 图4 74LS163的外引线排列图1.4定时器定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163的外引线排列图如图4所示，是低电平有效的同步清零输入端， 是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTT是计交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0D3是并行数据输入端，Q0Q 3是数据输出端。由两片74LS163级联组成的定时器电路如图5所示交通灯规则及交通信号灯的模拟控制设计1.5译码器 译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如图5所示。实现上述关系的译码电路请读者自行设计。第四章 设计过程一、总体设计框图1、主程序及中断服务程序的流程图主程序 2、有急救车的中断服务程序 二、交通信号灯控制系统1、实际交通灯的变化规律:假设一个双干线路口为东西南北走向。初始状态0为东西红灯，南北红灯。然后转状态1南北红灯，东西绿灯通车。过一段时间转状态2，东西绿灯闪几次转亮黄灯，延时几秒，南北仍然红灯。再转状态3，南北绿灯通车，东西红灯。过一段时间转状态4，南北绿灯闪几次转亮黄灯，延时几秒，东西仍然红灯。最后循环至状态1。2、控制要求十字路口交通信号灯变换规律南北方向灯绿灯Y1亮绿灯闪3次黄灯Y3亮红灯Y5亮时间（s）553260东西方向灯红灯Y6亮绿灯Y2亮绿灯闪黄灯Y4亮时间（s）605532表5 十字路口交通信号灯变换规律3、设计思路交通信号灯是日常生活中遇到的一个普通实例，它的控制也颇具典型和实用价值。由于交通路口的形状和规模不一，所采用的信号灯的数量、控制要求不一，控制的复杂程度也就不一样，这里以十字路口中等规模的交通信号灯控制为例。十字路口的各方向设有通行指示灯、右转弯指示灯、左转弯指示灯及人行道指示灯。当东西方向的红灯亮60s期间，南北方向的绿灯亮55s，后闪3次，共s，然后绿灯灭，接着南北方向的黄灯亮s。 完成了半个循环，再转换成南北方向的红灯亮60s,在此期间，东西方向的绿灯亮55s,后闪三次，共s，然后绿灯灭，接着东西方向的黄灯s。完成一个周期，进入下一个循环。在红灯亮60s中需划分出55s、58s,因此考虑用个时间继电器（T0、T1、T2）。因为东西与南北方向的红、绿、黄灯的亮、熄的规律相同，所以成为对称控制电路，但需要用中间继电器（0）来分辨。4、I/O分配 输入 输出 启动 X0 东西绿灯 Y1 南北红灯 Y5 停止 X1 东西黄灯 Y2 南北绿灯 Y6 东西红灯 Y3 南北黄灯 Y75、交通信号灯的控制梯形图和指令表根据控制要求，I/O分配表可画出信号灯的控制梯形图如图6所示。三、PLC与上位计算机组态王软件的通讯 PLC与上位计算机的通讯可以利用高级语言编程来实现，但是用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通讯协议，严格的按照通讯协议规定为计算机编写通讯程序，其对用户要求较高，而采用工控组态软件实现PLC与上位计算机之间的通讯，则相对简单因为工控组态软件中一般都提供了相关设备的通讯驱动程序。 交通灯规则及交通信号灯的模拟控制设计 图6 交通信号灯控制梯形图指令表LD X000OR T5OR MOANI X001ANI T0OUT M0LD M0OUT T0 K560LD T0 OR M1ANI T3OUT M1LD M1OUT T3 K20LD M1ANI T2OUT T1 K4LD T1OUT M2OUT T2 K4LD M0OR M2OUT Y001 LD T3OR Y002ANI T4OUT Y002LD Y002OUT T4 K20LD T4OR Y003ANI T5OUT Y003END 交通灯规则及交通信号灯的模拟控制设计第五章 调试一、设备连接 利用PLC与计算机专用的F2-232CAB型RS232C电缆，将PLC通过编程口与上位计算机串口（口）连接，进行串行通讯。串行通讯方式使用组态王计算机的串口，I/O设备通过RS-232串行通讯电缆连接到组态王计算机的串口。二、设备配置 在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击设备大纲项下PLC与上位计算机所连串口（口），进行参数设置。 FX系列PLC编程口的通讯口参数设置： 然后在组态王浏览器目录内容显示区内双击所设口对应的新建图标，会弹出设备配置向导对话框。在此对话框中完成与组态王通讯的设备的设置。 利用设备配置向导就可以完成串行通讯方式的I/O设备安装，安装过程简单、方便。在配置过程中，用户需选择I/O设备的生产厂家、设备型号、连接方式，为设备指定一个逻辑设备名，设定设备地址（FX系列PLC在使用编程口进行通讯时，不需要设备地址）三、构造数据库 数据库是组态王软件的核心部分，在工程管理器中，选择数据库数据词典，双击新建图标，弹出变量属性对话框。定义FX-0N-60MR PLC相应寄存器： 斜体字dddo、dddd、ddd等表示格式中可变部分，d表示十进制数，o表示八进制数，变化范围列于取值范围中。组态王按照寄存器名称来读取下位机相应的数据。组态王中定义的寄存器与下位机所有的寄存器相对应。如定义非法寄存器，将不