智能交通灯

摘要随着世界各国城市化进程的加速，城市交通问题已经成为当今世界上许多城市所面临的难题之一。中国作为世界上人口最多的发展中国家，其情形也不例外，甚至情况更加严重。车辆的流量记数，交通灯的时长控制可由可编程控制器（PLC）来实现。具体如下在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。智能交通系统将对未来世界产生深刻的影响，同时也对交通运输工程学科的研究人员提出了新的挑战。比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率。关键词可编程控制器PLC智能交通灯梯形图目录第1章智能交通红绿灯控制系统设计111智能交通灯的应用112控制系统的组成113车流量的计量方式114程序的控制规律315LED交通灯3第2章智能交通控制系统硬件部分421PLC可编程序控制器4211PLC的发展历程4212PLC的构成4213PLC的主要特点5214PLC有何独特的优点5215PLC系统的其它设备622CPU的构成6221I/O模块6222电源模块7223底板或机架7第3章智能交通灯检测设计831传感器的铺设832电感式传感器8321自感式传感器9第4章智能交通灯控制系统软件部分1241PLC流程图1242PLC流程图注释1343PLC输入/输出地址表1344PLC外部接线图1445梯形图15结束语22致谢23参考文献24第1章智能交通红绿灯控制系统设计11智能交通灯的应用智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。智能交通系统是采用信息技术、计算机技术、控制技术等手段对传统交通运输系统进行改造，从而达到增强系统运行效率，提高系统的可靠性和安全性，减少能源消耗和对自然界的污染等方面的目的。12控制系统的组成车辆的流量记数，交通灯的时长控制可由可编程控制器（PLC）来实现。当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。本论文选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机，它具有高可靠性及丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便。利用PLC，可使各道口的传感器以及信号灯与之直接相连，非常方便可靠，如图11所示。图11用PLC实现智能交通灯控制原理框图13车流量的计量方式车流量的计量有多种方式（1）每股行车道的车流量通过PLC分别统计。当车辆进入路口经过第一个传感器1（见图12）时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量（动态值），可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。（2）先统计每股车道上车辆的滞留量，然后按大方向原则累加统计。如，将东西向的（见图12）左行、直行、右行道上的车辆的滞留量相加，再与其它的3方向的车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。（3）统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则（不影响行车安全的多道相行驶）累加统计。如，东、西相向的2个左行、直行、右行道上的车辆的滞留量全部相加，与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据（下面的设计就是按此种方式）。以上计算判别全部由PLC完成。图12传感器的铺设14程序的控制规律（1）当各路口的车辆滞留量达一定值溢满时（相当于比较严重的堵车），红绿灯切换采用现有的常规定时控制方式（2）当东、西向路口的车辆滞留量比南、北向路口的大时（反之亦然），该方向的通行时间最小通行定时时间自适应滞环比较增加的延时时间（是变化的），但不大于允许的最大通行时间。其中最小定时时间是为了避免红绿灯切换过快之弊；最大通行时间是为了保障公平性，不能让其它的车或行人过分久等。进一步的说明在后面的注释中。如图13所示。图13自适应调整时间的滞环特性（3）自适应滞环比较（本论文的核心控制规律）增加的时间的确定若东、西向车辆滞留量大于或等于南、北向一个偏差量（如5辆车或其它值）时，先让东、西向的左转弯车左行15S（定时控制，值可改），再让直行车直行30S（直行时间的最小值，值可再一段延时保持，直至东、西向的车辆滞留量比南、北向的车辆滞留量还要少一个偏差量，才结束该方向的通行，切换到其它路上，否则一直延时继续通行下去，直至到达最大通行时间而强制切换。滞环特性如图12所示。实际应用时偏差量的值需整定，过小则导致红绿灯切换过频，过大又不能实现适时控制。15LED交通灯LED（LIGHTEMITTINGDIODE）从二十世纪六十年代问世以来，已有30多年的发展历史。随着近几年半导体芯片技术的不断改进及封装技术的迅速提高，其光效从最初不到1LM/W，发展至今红色、黄色为100LM/W和绿色50LM/W，已大大超过了传统的白炽灯。同时，LED具有体积小、重量轻、耗能少、寿命长、响应时间短及抗震性能好等优点。因此，LED的应用已不仅仅限于信号指示光源，而已逐步从室内走向诸如交通信号灯、车灯、户外屏等室外应用领域。（1）采用领导全球碳化硅技术的美国CREE公司的超高亮度CHIP的LEDS作光源，国际工业二级防静电（ESD2000V）标准，内核耐温可达350，能耗低，寿命长，维修成本低。（2）特殊电路设计、使光线达到非常均匀的最佳效果，而且不会因有个别LED损坏而降低光强标准。（3）采用宽电压范围的恒流电源，可在180280V范围内正常工作，具有过压、抗浪涌电压冲击，低温度之功能。（4）与现有交通控制逻辑、灯箱结构相匹配，安装简捷。（5）LED灯严格密封，防潮，防尘，结构严紧、外型美观。第2章智能交通控制系统硬件部分21PLC可编程序控制器在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23）、粮食加工（164）、化学/制药（146）、金属/矿山（115）、纸浆/造纸（113）等行业。为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以其对各位有所帮助。211PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称PROGRAMMABLECONTROLLER（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义也在不断完善中。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在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，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040。在这期间，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预知的将来，是无法取代的。212PLC的构成从结构上分，PLC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。图21PLC的组成213PLC的主要特点（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离（2）各输入端均采用RC滤波器其滤波时间常数一般为1020MS（3）各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰（4）采用性能优良的开关电源（5）对采用的器件进行严格的筛选（6）良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高214PLC有何独特的优点PLC的独特优点有（1）高可靠性PLC的可靠性极高，平均无故障运行时间大大超过IEC（国际电工技术委员会）规定的10万小时。如日本的三菱FX系列PLC可连续运行30多年不出故障（2）编程方便、易于使用软件对于一般电气控制线路，可采用梯形图编程，直观易懂；对于较复杂的具体问题，设计了诸如步进指令、流程图（SFC）等指令系统。硬件使用PLC，无论是接线、配置都很方便，一般只用螺丝刀即可完成全部接线工作。通常，PLC系统是控制程序经实验室编程、模拟调试好后，在现场很快就能装试成功。（3）对环境要求低PLC能在温度、湿度变化较大的范围内正常工作；其抗震动抗冲击的性能好；对电源电压的稳定性要求较低；抗电磁干扰能力强，适用于恶劣的工作环境。（4）与其它装置、配置联结方便PLC的接口原则使外部接线、电平转换尽量少。PLC的输入量可以是模拟量、数字量；输出驱动外部电路有继电器、晶闸管（SCR）、晶体管等几种不同形式，可直接接各种不同类型的负载。在数据通信方面，只需用同轴电缆和普通的PS232或RS422接口即可，用户无须担心数据通信方面的技术问题。215PLC系统的其它设备（1）编程设备编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。（2）人机界面最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。（3）输入输出设备用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。22CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还需有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O量及软件容量等，因此限制着控制规模。221I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下开关量按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量按信号类型分，有电流型（420MA,020MA）、电压型（010V,05V,1010V）等，按精度分，有12BIT,14BIT,16BIT等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。222电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。223底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。第3章智能交通灯检测设计31传感器的铺设检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化，并将之转化为标准脉冲电压输出。其具体电路图由三部分组成信号源部分，检测部分，比较鉴别部分。原理框图如图12所示,输出脉冲波形见图31。图31车辆检测原理图及检测电路电压脉冲输出波形车辆记数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们采取在每个车行道上中的出口地（停车线处）以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，本论文设计以典型的十字路口为例，同一通道上的两个传感器相距的距离为该通道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。32电感式传感器电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线（特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋）。当有高频电流通过电感时，公路满上就会形成如图31（A）中虚线所形成的高频磁场。当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正好在该感应线圈的正下方时，该感应线圈的电感减到最小值。当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅（本论文所设计的检测工作方式）的相位发生变化，因此，在环状绝缘电线的始端连接上检测相位或振幅变化，就可得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。电感式传感器的高频电流频率为60KHZ，尺寸为23M，电感约为100UH，这种传感器可检测的电感变化率在03以上1，2。电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑，它是理想的传感器。传感器最好选用防潮性能好的原材料。电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。321自感式传感器自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。1变间隙型电感传感器传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的将引空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化变间隙型电感传感器的结构示意图如图32（1）所示。1线圈2铁芯3衔铁图321变间隙型电感传感器2变面积型电感传感器由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见图32（2）。1衔铁2铁芯3线圈图32（2）变面积型电感传感器（3）螺管型电感式传感器当传感器的衔铁随被测对象移动时，将引起线圈磁力线径上的磁阻发生变化，从而导致线圈电感量随之变化，这种形式称之为螺管型电感式传感器。其结构示意图见图32（3）。图32（3）螺管型电感式传感器通过以上三种形式的电感式传感器的分析，可以得出以下几点结论。1）变间隙型灵敏度高，但非线性较好，且制作装配比较困难。2）变面积型灵敏度较前者小，但线性较好，量程较大，使用比较广泛。3）螺管型灵敏度较低，但量程大,结构简单且易于制作和批量生产，常用于测量要求不太高的场合。（4）差分式电感传感器在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差分式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。图32（4）是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差分式电感传感器。1线圈2铁芯3衔铁4导杆图32（4）差分式电感传感器差分式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。差分式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。第4章智能交通灯控制系统软件部分41PLC流程图42PLC流程图注释（1）流程图中的15S、30S、75S等时间分别为交管部门定的车辆左转弯时间、直行最小时间、允许的最大通行时间；Q为车流量的偏差量。以上值及其4个路口车流量的满溢值均可在程序初始化中任意更改。（2）车辆左转弯是造成交通堵塞很重要的一个方面，应加以适当限制，故车辆左转弯始终采用最小定时控制，以减小系统的复杂程度，提高可靠性。（3）车辆通行的时间中包含绿、黄灯闪烁的时间，红、黄、绿各灯的切换与现用的方式相同，不再赘述。（4）人行道的红绿灯接线与现用的方式相同，其绿灯点亮的时刻与该方向车辆直行绿灯点亮的时刻同步一致，但要叫车辆直行绿灯提前熄灭，采用定时控制，如绿灯定时亮18S。其目的是不让右转弯车辆过分受人行道灯的限制。若人车分流，右转弯车辆不受限制。较简单，流程图中略。（5）车流量的计量是不间断的，与控制呈并行关系，该系统属多任务处理。43PLC输入/输出地址表输出元件输入元件LED绿黄红东向检测车辆输入X1检测车辆输出X2东西向左行Y1Y2Y3南向检测车辆输入X3检测车辆输出X4东西向直行Y11Y12Y13西向检测车辆输入X11检测车辆输出X12东西向右行Y21Y22Y23北向检测车辆输入X13检测车辆输出X14南北向左行Y4Y5Y6南北向直行Y14Y15Y16南北向右行Y24Y25Y2644PLC外部接线图45梯形图结束语经过一个多月的艰苦奋斗，设计成果终于要出来了，我才松了一口气，俗话说“万事开头难。”这话一点也不假，回想当初确定这个，还是挺茫然的。不知怎下手。最后采用了先采集资料、进行实际考察后设计的方法。查找资料也是一件繁琐的事情，虽说网上有资料但要找到一些真正有用的资料也不是一件容易的事，需要耐心查找。好了终于到了设计的时候了，花了整整十几天，终于完成了设计，不过调试的时候却发现结果和想的有所不同，通过监控和修改才得出了需要的设计。这次的设计让我们增长了实践技能，还增加了有关交通知识，这些对于我们真是受益匪浅。最后，我们觉得，不见风雨，怎么能见彩虹呢我