十字路口帶倒計時顯示的交通紅綠燈控制系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄。1 系統(tǒng)概述11.1 應(yīng)用背景及意義11.2 設(shè)計任務(wù)11.3 設(shè)計要求12 方案論證22.1 方案比較22.2 方案選擇32.3 方案設(shè)計32.4 方案時序圖53. 硬件設(shè)計63.1 I/O分配63.2 I/O接線圖73.3 元器件選型74. 軟件設(shè)計94.1 主流程94.2 梯形圖105. 系統(tǒng)調(diào)試165.1 軟件調(diào)試：165.2 硬件調(diào)試18設(shè)計心得19參考文獻(xiàn)20附錄A：程序指令20271 系統(tǒng)概述1.1 應(yīng)用背景及意義隨著城市和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通信號燈發(fā)揮的作用越來越大，正因?yàn)橛辛私煌ㄐ盘枱?，才使車流、人流有了?guī)范，同時，減少了交通事故發(fā)生的概率。然而，交通信號燈不合理使用或設(shè)置

2、，也會影響交通的順暢。因此，在實(shí)際設(shè)計時要遵循一定的原則和要求。在十字路口，四面都懸掛著紅、黃、綠、三色交通信號燈，它是不出聲的“交通警察”。紅綠燈是國際統(tǒng)一的交通信號燈。紅燈是停止信號，綠燈是通行信號。交叉路口，幾個方向來的車都匯集在這兒，有的要直行，有的要拐彎，到底讓誰先走，這就是要聽從紅綠燈指揮。紅燈亮，禁止直行或左轉(zhuǎn)彎，在不礙行人和車輛情況下，允許車輛右轉(zhuǎn)彎；綠燈亮，準(zhǔn)許車輛直行或轉(zhuǎn)彎；黃燈亮，停在路口停止線或人行橫道線以內(nèi)，已經(jīng)繼續(xù)通行；黃燈閃爍時，警告車輛注意安全。1.2 設(shè)計任務(wù)采用PLC構(gòu)成十字路口帶倒計時顯示的南北向和東西向交通信號燈的電氣控制。系統(tǒng)上電后，交通指揮信號控制系

3、統(tǒng)由由一個3位轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1控制。SA1手柄指向左45º時，接點(diǎn)SA1-1接通，交通指揮系統(tǒng)開始按常規(guī)正常控制功能工作，按照如圖11-9所示工作時序周而復(fù)始，循環(huán)往復(fù)工作。正常運(yùn)行時，南北向及東西向均有兩位數(shù)碼管倒計時顯示牌同時顯示相應(yīng)的指示燈剩余時間值。SA1手柄指向中間0º時，接點(diǎn)SA1-2接通，交通指揮系統(tǒng)南北向綠燈常亮，東西向紅燈常亮，數(shù)碼管顯示99不變。SA1手柄指向右45º時，接點(diǎn)SA1-3接通，交通指揮系統(tǒng)東西向綠燈常亮，南北向紅燈常亮，數(shù)碼管顯示99不變。1.3 設(shè)計要求要求學(xué)生掌握一定的理論基礎(chǔ)知識，同時具備一定的實(shí)踐設(shè)計技能，并且能夠利用PLC

4、控制技術(shù)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計以及編程。在課程設(shè)計中，學(xué)生是主體，應(yīng)充分發(fā)揮他們的主動性和創(chuàng)造性。教師的主導(dǎo)作用是引導(dǎo)其掌握完成設(shè)計內(nèi)容的方法。為保證順利完成設(shè)計任務(wù)還應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：1. 在接受設(shè)計任務(wù)后，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求和應(yīng)完成的設(shè)計內(nèi)容進(jìn)度計劃，確定各階段應(yīng)完成的工作量，妥善安排時間。2. 在方案確定過程中應(yīng)主動提出問題，以取得指導(dǎo)數(shù)師的幫助，同時要廣泛討論，依據(jù)充分。在具體設(shè)計過程中要多思考，尤其是主要參數(shù)，要經(jīng)過計算論證。3. 所有電氣圖樣的繪制必須符合國家有關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，包括線條、圖型符號、項(xiàng)目代號、回路標(biāo)號、技術(shù)要求、標(biāo)題欄、元器件明細(xì)表以及圖樣的折疊和裝訂。4. 說明書要求文字

5、通順、簡練，字跡端正、整潔。5. 應(yīng)在規(guī)定的時間內(nèi)完成所有的設(shè)計任務(wù)。6. 如果條件允許，應(yīng)對自己的設(shè)計線路進(jìn)行試驗(yàn)論證，考慮進(jìn)一步改進(jìn)的可能性。2 方案論證2.1 方案比較1、基于數(shù)字電路的交通燈控制系統(tǒng)2、基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng) 3、基于PLC的交通燈控制系統(tǒng) 方案1：數(shù)字電路是最為常用的一種控制設(shè)計電路，但是數(shù)字電路涉及復(fù)雜，且設(shè)計完成后電路參數(shù)是固定的，移植性差，體積大，成本高，所以是不利于交通信號燈的設(shè)計的方案2：在單片機(jī)控制系統(tǒng)電路中需要加入A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，線路復(fù)雜，還要分配大量的中斷口地址。而且單片機(jī)控制電路易受外界環(huán)境的干擾，也具有不穩(wěn)定性。并且單

6、片機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)是基于程序設(shè)計的，維修時需要具備一定編程基礎(chǔ)的人來維修，要求較高，所以基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的交通燈控制系統(tǒng)也不是理想的選擇 方案3：PLC又稱可編程邏輯控制器，作為一種新型的自動控制設(shè)備，它采用微電子技術(shù)，用軟件代替了大量的硬件設(shè)備，不需要復(fù)雜的線路設(shè)計與連接，大大縮小了線路體積，因此它壽命長，并且具有很高的可靠性，在設(shè)計語言方面通過采用梯形圖，簡便直觀，符合電氣工人和技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣，在安裝，操作和維護(hù)也較容易，移植性較好；起程序設(shè)計和產(chǎn)品調(diào)試周期短，具有很好的經(jīng)濟(jì)效。 通過比較上述三種方案，可知方案3是最佳選擇。 2.2  方案選擇

7、0;綜上所述，我選擇第三種方案，也就是基于PLC的交通燈控制系統(tǒng)。因?yàn)樗煽啃愿?，抗干擾強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，使用、維護(hù)方便，功能強(qiáng)大，還有它的體積小，重量輕，功耗低。2.3 方案設(shè)計十字路口交通信號燈現(xiàn)場示意圖如圖2.1所示圖2.1交通信號燈現(xiàn)場示意圖依據(jù)題目內(nèi)容，知道要求如下。正?？刂茣r： 當(dāng)東西方向允許通行（綠燈）時，南北方向應(yīng)禁止通行（紅燈）；同樣，當(dāng)南北方向允許通行（綠燈）時，東西方向應(yīng)禁止通行（紅燈）。 在綠燈信號要切換為紅燈信號之前，為提醒司機(jī)提前減速并剎車，應(yīng)有明顯的提示信號：綠燈閃爍同時黃燈亮。信號燈控制系統(tǒng)啟動后應(yīng)能自動循環(huán)動作。SA1手柄指向中間0º時：接點(diǎn)SA1-2接

8、通，交通指揮系統(tǒng)南北向綠燈常亮，東西向紅燈常亮，數(shù)碼管顯示99不變SA1手柄指向右45º時:接點(diǎn)SA1-3接通，交通指揮系統(tǒng)東西向綠燈常亮，南北向紅燈常亮，數(shù)碼管顯示99不變。故設(shè)計思路如下： 以設(shè)置四個輸入X000,X001，X002，X003分別作為系統(tǒng)總開關(guān)、交通燈正常工作控制開關(guān)、南北向交通燈常綠控制開關(guān)、東西向交通燈常綠控制開關(guān)。用其他開關(guān)的常閉觸點(diǎn)設(shè)置互鎖，使三個狀態(tài)不可能同時接通。進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，東西方向紅燈亮30秒，由定時器T5實(shí)現(xiàn)，南北方向綠燈常亮25秒，由定時器T0實(shí)現(xiàn)，然后綠燈閃爍3秒，由定時器T1、T2來實(shí)現(xiàn)0.5秒振蕩，計數(shù)器C0計數(shù)3次。計數(shù)到后，C0

9、的常開觸點(diǎn)閉合，可以用來控制使南北方向的黃燈亮，并用T3計時2秒。T3計時到后南北紅燈亮30秒，由定時器T4實(shí)現(xiàn)，東西方向綠燈常亮25秒，由定時器T6實(shí)現(xiàn)，然后閃爍3秒，有定時器T7、T8來實(shí)現(xiàn)0.5秒振蕩，計數(shù)器C1計數(shù)3次。計數(shù)到后，C1的常開觸點(diǎn)閉合，可以用來控制使東西方向的黃燈亮，并用T9計時2秒。由于在各個方向三種信號燈亮的同時還要利用數(shù)碼管顯示相應(yīng)指示燈的剩余時間，因此可以利用七段碼譯碼指令SEGD。七段碼譯碼指令SEGD是驅(qū)動七段顯示器的指令，可以顯示一位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。源操作數(shù)S存儲待顯示數(shù)據(jù)，該單元低4位(只用低4位)所確定的十六進(jìn)制數(shù)0-F經(jīng)解碼后存于指定的目的操作數(shù)D的低8

10、位，高8位保持不變。源操作數(shù)可為K、H、KnM、KnX等。由于譯碼時只對低位進(jìn)行譯碼，所以一般取。使用譯碼指令輸出為十六進(jìn)制數(shù)，而我們所用到的倒計時顯示只是十進(jìn)制數(shù)，使用SEGD譯碼指令需要在其自減到0時進(jìn)行人為賦值使其變?yōu)?，否則將顯示F?？梢娭皇褂肧EGD指令將使程序變得十分復(fù)雜。我們可以采用數(shù)據(jù)變換指令中的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼并傳送BCD指令。BCD變換指令將源元件中的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼并送到目標(biāo)元件中。PLC內(nèi)部的算術(shù)運(yùn)算用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行，可以用BCD指令將二進(jìn)制數(shù)變換為BCD數(shù)后輸出到七段數(shù)碼管顯示，可以實(shí)現(xiàn)倒計時。南北方向數(shù)碼管顯示綠燈28秒倒計時時，可以在東西紅燈亮且南北黃燈

11、不亮?xí)r，每遇到東西紅燈的上升沿，給數(shù)據(jù)寄存器賦值28，通過BCD指令轉(zhuǎn)換成BCD碼，存入八位中間繼電器K2M，低4位中間繼電器中的值經(jīng)譯碼指令由一個數(shù)碼管輸出，高4位中間繼電器中的值經(jīng)譯碼指令SEGD由另一個數(shù)碼管輸出。上升沿過后，數(shù)據(jù)寄存器D中的值每秒通過DEC指令自減1，并輸出，實(shí)現(xiàn)倒計時，其中1秒時間可由1秒的時鐘M8013的下降沿來實(shí)現(xiàn)，也可以用定時器T的0.5秒振蕩電路實(shí)現(xiàn)。由于采用M8013可能第一秒有時間誤差，因此此程序采用了振蕩電路。南北黃燈2秒倒計時可以在黃燈上升沿時賦值，黃燈亮?xí)r自減。數(shù)碼管輸出顯示方法與前面綠燈時類似。南北方向紅燈30秒倒計時在紅燈上升沿時賦值，紅燈亮?xí)r自

12、減，數(shù)碼管顯示方法同上。東西方向的倒計時顯示思路與南北方向相同。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1的手柄指向中間0°時，X002的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開，交通燈系統(tǒng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行南北綠燈常亮，東西紅燈常亮的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1的手柄指向右45°時，X003的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開，交通燈系統(tǒng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行東西綠燈常亮，南北紅燈常亮的運(yùn)行狀態(tài)。3. 硬件設(shè)計3.1 I/O分配I/O地址I/O名稱功能說明說明備注X000SB1交通燈系統(tǒng)總開關(guān)常開X001SA1-1交通燈正常工作控制開關(guān)常開X002SA1-2南北向交通燈常綠控制開關(guān)常開X003SA1-3東西向交通燈常綠控制開關(guān)常開Y000H1南

13、北向綠燈指示通有效Y001H2南北向黃燈指示通有效Y002H3南北向紅燈指示通有效Y003H4東西向綠燈指示通有效Y004H5東西向黃燈指示通有效Y005H6東西向紅燈指示通有效Y010-Y017H11南北向個位七段數(shù)碼顯示管通有效Y020-Y027H12南北向十位七段數(shù)碼顯示管通有效Y030-Y037H13東西向個位七段數(shù)碼顯示管通有效Y040-Y047H14東西向十位七段數(shù)碼顯示管通有效表3.1交通控制燈I/O地址定義表3.2 I/O接線圖根據(jù)信號燈控制要求，I/O分配及接線圖如圖3.1所示。圖3.1 I/O接線圖3.3 元件選型選型設(shè)備如圖所示：設(shè)備名稱表示符號數(shù)量直流電源24VDC1轉(zhuǎn)

14、換開關(guān)SA211按鈕SB1限流電阻R32七段數(shù)碼管H4PLCFX2N-80MR-0011表3.1選型設(shè)備表直流電源24V：通過購買獲得，可以選擇香港雅慶電子有限公司的AD24V15A型號的直流電源。限流電阻選擇：電源電壓為24V, 通常的數(shù)碼管是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，發(fā)光二極管的壓降是比較固定的，通常紅色為1.6V左右,工作電流通常10mA左右，限流電阻R=（Vcc-1.6V）/10mA=2.24K，故電阻選擇為2.3K。PLC選型原則：1輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算I/O點(diǎn)數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根據(jù)統(tǒng)計的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加5%-20%左右的備用I/O點(diǎn)數(shù)，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。

15、本設(shè)計輸入點(diǎn)數(shù)為4個，輸出點(diǎn)數(shù)為38個。故PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)可為40個。2存儲器容量的估算存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。本設(shè)計程序較為簡單，程序容量不大，因此一般的小型機(jī)種，即存儲容量4-8KB的PLC即可滿足。3安裝形式的選擇常用的PLC結(jié)構(gòu)由單元式和模塊式，還有兩者的結(jié)合體。一般小型控制系統(tǒng)選擇單元式，結(jié)構(gòu)緊湊，可以直接安裝在控制柜內(nèi)，而大型控制系統(tǒng)一般選擇模塊式。因?yàn)楸究刂葡到y(tǒng)屬于小型控制系統(tǒng)，故采用單元式安裝形式。4.輸入輸出接口電路形式的選擇輸入形式采用直流輸入形式，輸出型是采

16、用繼電器輸出。5PLC供電方式的選擇本設(shè)計采用交流作為PLC的供電方式。6PLC型號的選擇通過對輸入/輸出點(diǎn)的選擇、對存儲量的選擇，對I/O響應(yīng)時間的選擇輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型的分許。該控制系統(tǒng)選用三菱公司FX2N系列的PLC。它體積小，重量輕，使用壽命長，編程和維護(hù)方便，故障率低，通過擴(kuò)展模塊的鏈接，可以增加輸入/輸出點(diǎn)數(shù)。因此選用型號為三菱FX1N-80MR-001的PLC，輸入輸出點(diǎn)數(shù)為40，且內(nèi)置8K容量的RAM存儲器，最大可以擴(kuò)展到16K。7. PLC擴(kuò)展型號的選擇本設(shè)計過程中不需要擴(kuò)展模塊的擴(kuò)展。3.4電氣安裝布置圖表3.2電氣安裝布置圖圖中的紅綠燈只是為指示燈，并非真正的交通信號燈，

17、交通信號紅綠燈位于電線桿橫軸下部，電器元件放在一個長寬分別為60cm，80cm的小箱子中，用到了6個直徑為15mm的十字槽螺絲固定，紅綠燈控制箱放在電線桿底部即與地面接觸的地方。4. 軟件設(shè)計4.1 主流程圖4.1主程序流程圖設(shè)計流程如上圖4.1所示通電后，PLC進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)指向左45°的時候，交通信號燈正常工作，南北紅燈亮25s閃3s，數(shù)碼管28s倒計時剩2s后南北黃燈亮，之后南北紅燈亮，進(jìn)入30s倒計時。同時東西紅燈亮，進(jìn)入30s倒計時，計時完成后東西綠燈亮25s閃3s，最后東西黃燈2s倒計時。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)指向中間位置即0°位置，南北綠燈東西紅燈亮，數(shù)碼管顯示

18、99不變。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)指向右45°時，東西綠燈南北紅燈亮，數(shù)碼管顯示99不變。4.2 梯形圖  5. 系統(tǒng)調(diào)試5.1 軟件調(diào)試：1. 啟動GX Developer編程軟件，進(jìn)入GX Developer程序編制環(huán)境2. 創(chuàng)建工程文件，單擊菜單“工程創(chuàng)建新工程”彈出創(chuàng)建工程對話框，選擇PLC系列，PLC類型，程序類型分別為FXCPU，F(xiàn)X2N(C),梯形圖邏輯，單擊“確定”進(jìn)入梯形圖編輯界面，如圖5.1，圖5.23. 編輯梯形圖程序，輸入梯形圖程序4. 變換梯形圖程序，在梯形圖寫入模式下，編輯完P(guān)LC程序化需要將梯形圖轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部的格式。單擊菜單中的”變換變換”進(jìn)行

19、梯形圖的變換，變換后梯形圖背景由灰色變成白色，如果有錯誤進(jìn)行修改5. 用戶程序的保存，單擊菜單“工程”下的“保存工程”，輸入工程名和標(biāo)題6. 下載用戶程序，單擊菜單的”在線傳輸設(shè)置”彈出傳輸設(shè)置對話框，雙擊“串口”進(jìn)行串口設(shè)置。通信設(shè)置后，單擊菜單“在線PLC寫入”彈出“PLC寫入對話框，選擇“文件選擇頁”，選擇”MAIN“程序，單擊”執(zhí)行“，寫入PLC用戶程序7. 運(yùn)行用戶程序8. 監(jiān)控調(diào)試用戶程序。計算器進(jìn)入監(jiān)控模式，觀察PLC運(yùn)行時的相應(yīng)的觸電和線圈的狀態(tài)，藍(lán)框表示ON的狀態(tài)圖5.1創(chuàng)建新工程窗口圖5.2梯形圖編輯界面5.2 硬件調(diào)試系統(tǒng)上電后，交通指揮信號控制系統(tǒng)由由一個3位轉(zhuǎn)換開關(guān)S

20、A1控制。SA1手柄指向左45º時，接點(diǎn)SA1-1接通，交通指揮系統(tǒng)開始按常規(guī)正?？刂乒δ芄ぷ鳎凑杖鐖D所示工作時序周而復(fù)始，循環(huán)往復(fù)工作。正常運(yùn)行時，南北向及東西向均有兩位數(shù)碼管倒計時顯示牌同時顯示相應(yīng)的指示燈剩余時間值。SA1手柄指向中間0º時，接點(diǎn)SA1-2接通，交通指揮系統(tǒng)南北向綠燈常亮，東西向紅燈常亮，數(shù)碼管顯示99不變。SA1手柄指向右45º時，接點(diǎn)SA1-3接通，交通指揮系統(tǒng)東西向綠燈常亮，南北向紅燈常亮，數(shù)碼管顯示99不變。設(shè)計心得本次課程設(shè)計收獲了很多東西，一方面鞏固了以前所學(xué)過的知識，另一方面學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。使自己在理論知

21、識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面水平均有所提高。途中當(dāng)然遇到了很多困難，但也增強(qiáng)了查閱書籍，手冊，圖表和文獻(xiàn)資料的能力，同時通過獨(dú)立思考，深入研究有關(guān)問題，學(xué)會自己分析解決問題的方法解決了一些問題。在這次課程設(shè)計中我充分感受到理論和實(shí)踐的差距，一個人光有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在進(jìn)行實(shí)踐的時候才能認(rèn)識到自己的不足。課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。對于知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計之后，一定要把以前所學(xué)過的知識認(rèn)真復(fù)習(xí)一下。 總之，本次的課程設(shè)計大大的鍛煉了我多方面的能力，增強(qiáng)了我的動手能力

22、，使我獲益匪淺。參考文獻(xiàn)1任勝杰，電氣控制與PLC系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社 2013年2王鑫、李威，PLC機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計技術(shù)（第2版）電子工業(yè)出版社,2010年3月3高南、周樂挺，PLC控制系統(tǒng)編程與實(shí)現(xiàn)任務(wù)解析北京郵電大學(xué)出版社，2008年12月4王永華，現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)（第2版），北京航空航天大學(xué)出版社，2008年附錄A：程序指令LD M8002AND X000SET S0STL S0LD X001ANI X002ANI X003SET S21SET S31LDI X001AND X002ANI X003SET S41LDI X001ANI X002AND X003SET S5

23、1STL S21OUT Y000OUT T0 K250LDP Y000MOV K25 D10LDF M8013DEC D10LD Y000SEGD K1M0 K2Y010LD Y000SEGD K1M4 K2Y020LD T0SET S22SET S23STL S22OUT M0LDP M0MOV K3 D10LD M0SEGD D10 K2Y010LDF M8013DEC D10STL S23OUT T1 K5LD T1SET S24STL S24OUT Y000OUT C0 K3OUT T2 K5LD C0ANI T2SET S23STL S22STL S24LD T2AND C0SET S25STL S25OUT Y001RST C0OUT T3 K20LDP Y001MOV K2 D10LD Y001SEGD D10 K2Y010LDF M8013 DEC D10LD T3SET S26STL S26OUT Y002OUT T4 K300LDP Y002MOV K30 D10LDF M8013DEC D10LD Y002BCD D10 K1M0LD Y002SEGD K1M0 K1Y010LD Y002SEGD K1M4 K1Y020STL S31OUT