交通燈控制系統(tǒng)

1、交通燈控制系統(tǒng)學(xué)號：B10041002姓名：劉寧日期：2013年12月3日摘 要自從交通燈誕生以來，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進(jìn)。設(shè)計方法也開始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化?？删幊炭刂破?PLC)以微處理器為核心，普遍采用依據(jù)繼電接觸器控制系統(tǒng)電氣原理圖編制的梯形圖語言進(jìn)行程序設(shè)計，編程容易，功能擴(kuò)展方便，修改靈活,而且結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)。三菱可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴(kuò)充設(shè)備，有豐富的特殊擴(kuò)展設(shè)備，其中的模擬輸入設(shè)備和通信設(shè)備更是符合交通燈控制系統(tǒng)的要求與特點(diǎn)，能夠方便地聯(lián)網(wǎng)通信。本文選擇三菱可編程控制器FX2N-48MR為核心部件，著重進(jìn)行硬件接口設(shè)計，利

2、用梯形圖和語句表進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了十字路口交通燈控制系統(tǒng)的自動化。關(guān)鍵詞: PLC；梯形圖；交通燈控制第一章 前言1.1課題背景1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。1914年，電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈

3、亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。 1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國道路交通和道路標(biāo)志信號協(xié)定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種

4、標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進(jìn)入交叉路口。1.2研究目的和意義在十字路口設(shè)置交通燈可以對交通進(jìn)行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強(qiáng)有力的保障。但是隨著社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原先的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統(tǒng)，使其適應(yīng)現(xiàn)在的交通狀況，成為研究的課題。 傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈，通常的做法是：事先經(jīng)過車輛流量的調(diào)查，運(yùn)用統(tǒng)計的方法將兩個方

5、向紅綠燈的延時預(yù)先設(shè)置好。然而，實(shí)際上車輛流量的變化往往是不確定的，有的路口在不同的時段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過長期運(yùn)行、較適用的方案，仍然會發(fā)生這樣的現(xiàn)象：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準(zhǔn)確模型的，統(tǒng)計的方法已不能適應(yīng)迅猛發(fā)展的交通現(xiàn)狀，更為現(xiàn)實(shí)的需要是能有一種能夠根據(jù)流量變化情況自適應(yīng)控制的交通燈。目前，大部分城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉(zhuǎn)換時間間隔的控制方法。由于十字路口不同時刻車輛的流量是復(fù)雜的、隨機(jī)的和不確定的，采用固定時間的控制方法，經(jīng)常造成道路有效利用時間的浪費(fèi)，出現(xiàn)空等現(xiàn)象，影響了道路的暢通。為此，采用

6、不依賴數(shù)學(xué)模型的模糊控制方法設(shè)計交通燈控制器，能較好地解決這個問題。另外隨著眾多高科技技術(shù)在日常生活的普遍應(yīng)用，城市空中各種電磁干擾日益嚴(yán)重，為保證交通控制的可靠、穩(wěn)定，選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的PLC是必要的。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，自動化程度要求越來越高，原有的交通燈裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前高度自動化的需要?？删幊炭刂破鹘煌艨刂葡到y(tǒng)集成自動控制技術(shù)、計量技術(shù)、新傳感器技術(shù)、計算機(jī)管理技術(shù)于一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品；充分利用計算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計，配置靈活、組態(tài)方便?？删幊炭?/p>

7、制器交通燈控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：脫機(jī)手動工作；聯(lián)機(jī)自動就地工作；上機(jī)控制的單周期運(yùn)行方式；由上位機(jī)通過串口向下位機(jī)送入設(shè)定配方參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動控制；自動啟動、自動停機(jī)控制方式。近年來PLC的性能價格比有較大幅度的提高，使得實(shí)際應(yīng)用成為可能。本系統(tǒng)采用PLC是基于以下四個原因：PLC具有很高的可靠性，通常的平均無故障時間都在30萬小時以上；編程能力強(qiáng)，可以將模糊化、模糊決策和解模糊都方便地用軟件來實(shí)現(xiàn)；抗干擾能力強(qiáng)，目前空中各種電磁干擾日益嚴(yán)重，為了保證交通控制的可靠穩(wěn)定，我們選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的PLC；根據(jù)交通信號燈系統(tǒng)的要求與特點(diǎn)，我們采用了日本三菱公司FX2N-48MR型PLC

8、。三菱PLC有小型化、高速度、高性能等特點(diǎn)，是FX2N系列中最高檔次的超小型程序裝置。三菱可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴(kuò)充設(shè)備，有豐富的特殊擴(kuò)展設(shè)備，其中的模擬輸入設(shè)備和通信設(shè)備是系統(tǒng)所必需的，能夠方便地聯(lián)網(wǎng)通信。本系統(tǒng)就是應(yīng)用可編程序控制器(PLC)對十字路口交通控制燈實(shí)現(xiàn)控制。第2章PLC控制交通燈總體設(shè)計方案21 方案概述狀態(tài)1：118S73S車道：東西：左轉(zhuǎn)直行綠燈，右轉(zhuǎn)綠燈亮 南北：左轉(zhuǎn)直行紅燈，右轉(zhuǎn)綠燈亮人行道：東西向綠燈亮，南北向紅燈亮72S70S東西左轉(zhuǎn)直行黃燈，閃爍3S狀態(tài)2：69S33S車道：東西：左轉(zhuǎn)直行紅燈，右轉(zhuǎn)綠燈 南北：左轉(zhuǎn)紅燈,直行綠燈，右轉(zhuǎn)綠燈 人

9、行道：東西紅燈，南北綠燈 32S30S南北直行黃燈，閃爍3S狀態(tài)3：29S-3S車道：東西：左轉(zhuǎn)直行紅燈,右轉(zhuǎn)綠燈亮 南北：左轉(zhuǎn)綠燈,直行紅燈，右轉(zhuǎn)綠燈亮 人行道：東西紅燈，南北綠燈亮 2S0S南北左轉(zhuǎn)黃燈，閃爍3S22 方案論證狀態(tài)1：狀態(tài)2：狀態(tài)3：備注：車道交通燈由上向下為：紅黃綠。人行道交通燈雙圓環(huán)表示：綠燈亮。第3章 硬件設(shè)計3.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和模塊式兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/

10、O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖圖3-1 PLC的結(jié)構(gòu)圖3.2 控制要求（1）要求具有啟動和結(jié)束開關(guān)，另外還有緊急停止開關(guān)；（2）車道為東西方向和南北方向，每個方向都為車道，各有紅黃綠三種控制狀態(tài);（3）根據(jù)人流量控制交通燈時長；（4）夜間23時至次日5時為黃燈。3.3 硬件選型3.3.1 PLC選型及信號分析（1）輸入輸出信號分析及I/O分配如表3-1所示： 表3-1 輸入輸出信號分析及I/O分配器件端口用途SB1X0啟動按鈕SB2X1結(jié)束按鈕SB3X2急停按鈕Y0東西右轉(zhuǎn)綠燈 南北右轉(zhuǎn)綠燈Y1東西左轉(zhuǎn)直行綠燈Y2東西右轉(zhuǎn)紅燈 南

11、北右轉(zhuǎn)紅燈Y3東西左轉(zhuǎn)直行紅燈Y4東西左轉(zhuǎn)直行黃燈Y5東西右轉(zhuǎn)黃燈 南北右轉(zhuǎn)黃燈Y6南北左轉(zhuǎn)綠燈Y7南北直行綠燈Y10南北左轉(zhuǎn)紅燈Y11南北直行紅燈Y12南北直行黃燈Y13南北左轉(zhuǎn)黃燈Y14東西人行綠燈Y15南北人行綠燈Y16東西人行紅燈Y17南北人行紅燈（2）PLC選型：根據(jù)輸入輸出端所選PLC型號為：FX2N-48MR。繼電器輸出,輸入24點(diǎn),輸出24點(diǎn)，交流電源，24V直流輸入類型。FX2N是FX系列中功能最強(qiáng)、速度最高的微型PLC，內(nèi)置用戶存儲器8K步，可擴(kuò)展到16K步，最大可擴(kuò)展到256個I/O點(diǎn)，可有多種特殊功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多種特殊控制功能（PID、高速計數(shù)、A/D、D/A、等）。有

12、功能很強(qiáng)的數(shù)學(xué)指令集。通過通信擴(kuò)展板或特殊適配器可實(shí)現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)鏈接。3.3.2信號燈(1)車行道交通燈型號：JD300-2-35-1 產(chǎn)品光強(qiáng)度的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)：1) 發(fā)光單元大于600CD LED芯片為四元素技術(shù)制造2) 發(fā)光單元使用的LED基準(zhǔn)波長為：紅色 6255nm 綠色5052nm3) 標(biāo)準(zhǔn)電壓AC50HZ,220V,滿足+20%的變化范圍（2）人行道交通燈型號: RX300-3 發(fā)光亮度4000cd100cd 工作電壓AC220V40V 50HZ5HZ 主要特點(diǎn)： 1）超薄設(shè)計，重量輕，結(jié)構(gòu)新穎，外形美觀； 2）防水,防塵,防高溫,耐振動,低功耗,壽命長; 3)顯示直觀醒目.顯

13、示部分采用超高亮度發(fā)光二極管,性能穩(wěn)定,亮度均勻,顯示效果理想: 4)具有多種安裝方式,適應(yīng)不同的安裝環(huán)境,施工安裝極為方便: 5)采用模塊化方式組裝，維修及更換部件異?？旖荨?.3.3按鈕性能指示按鈕性能指示表如表3-2所示：表3-2 按鈕性能指示表允許操作頻率機(jī)械 60次min電氣20次min絕緣電阻100MW以上（DC500V兆歐表）接觸電阻15mW以上（初始值）耐壓同極端子間AC1,000V 50/60HZ 1min帶金屬部位與地線之間AC1,500V 50/60HZ 1min壽命機(jī)械100萬次以上電氣10萬次以上重量約48-62g防觸電保護(hù)等級classIIPTI(漏電特性)1753

14、.3.4 熔斷器此熔斷器型號為：RT14本系列熔斷器適用于交流50HZ，額定電壓至220V,額定電流至63A,主要作為電氣線路的過載和短路保護(hù)；還可派生為半導(dǎo)體器件及其成套裝置的短路保護(hù)以及電動機(jī)短路保護(hù)。3.3.5電源開關(guān)開關(guān)型號為：DZ47-60 ； 額定電流范圍：1-63A； 具有過載和短路保護(hù)，正常情況下作為線路的不頻繁操作轉(zhuǎn)換用，具有隔離功能； 額定短路分?jǐn)嗄芰Γ?0A ,60A；電氣壽命4000次，機(jī)械壽命10000次。3.3.6元器件明細(xì)表:元器件明細(xì)表如表3-3所示：表3-3 元器件明細(xì)表:元件 型號數(shù)量（個）可編程控制器FX2N48MR1 按鈕開關(guān)OF3電源開關(guān)ZD47601

15、 人行道交通燈RX30038車行道交通燈JD300235110熔斷器RT141第4章 系統(tǒng)設(shè)計4.1 編寫程序流程圖 程序控制流程如圖4-1所示： 結(jié)束東西黃燈閃南北黃燈閃南北左轉(zhuǎn)東西左轉(zhuǎn)東西直行南北黃燈閃南北直行東西紅燈亮啟動開關(guān) 60S 27S東西黃燈閃 27S 3S 63S 3S 27S 3S 27S圖4-1 程序控制流程圖4.2程序設(shè)計 4.2.1硬件接線圖：硬件連接圖如圖4-1所示： 圖4-1 硬件連接圖4.3.3 梯形圖: 梯形圖如4-1所示： 圖4-2 梯形圖4.3.4 指令語句表:指令語句表如表4-4所示： 表4-4 指令語句表0LDX030K460LDT01ORM031LDC

16、061OUTC42ANIX132SETS2162K83OUTM033STLS2163LDC44LDX234RSTM264SETS255ORM135RSTC065STLS256ANIX136LDT066OUTY47OUTM137OUTC167OUTY58OUTY238K468OUTY129OUTY339LDC169OUTY1310OUTY840SETS2270OUTY1411OUTY1141STLS2271OUTY1512OUTY1642SETM272RSTS013OUTY1743RSTC173RSTS2614RSTS044LDT074RSTS2715RSTS2645OUTC275RSTS281

17、6RSTS2746K1676RSTS2917RSTS2847LDC277RSTS3018RSTS2948SETS2378RSTC419RSTS3049STLS2379LDT020LDM050RSTM280OUTC521SETS051RSTC281K1222ANIT052LDT082LDC523OUTT053OUTC383OUTS024K1800054K484RET25STLS055LDC385STLS026SETM256SETS2486OUTY027RSTC557STLS2487OUTY128LDT058SETM288OUTY1029OUTC059RSTC389OUTY1190OUTY1412

18、0LDIM2150SETS3091OUTY17121OUTT5151STLS3092LDM2122K470152OUTY1693OUTT1123LDT4153OUTT1194K450124ORT5154K3095LDIM2125SETS28155LDM396OUTT2126STLS28156OUTY1397K400127OUTY15157OUTY1598LDT1128OUTT6158LDT999ORT2129K30159OUTS0100SETS26130OUTY16160RET101STLS26131LDM3161LDM0102OUTY17132OUTY12162ANIT11103OUTT3133LDT6163OUTT10104K30134SETS