3基于PLC的交通燈控制1

1、摘 要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控重要的組成部分。隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，自80年代后期,許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好城市高速道路，緩解交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。傳統(tǒng)的交通信號(hào)燈控制一般采用電子線路和繼電器實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低，故障率高,較難實(shí)現(xiàn)功能的變更。而可編程控制器(PLC)以微處理器為核心，具有可

2、靠性高，控制功能強(qiáng)，使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。特別是由PLC實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，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(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可方便地設(shè)置定時(shí)時(shí)間，編程容易，功能擴(kuò)展方便，修改靈活等，并且有完善的自診斷和顯示功能，維修工作極為簡(jiǎn)單。根據(jù)交通燈的設(shè)計(jì)要求需要有2個(gè)輸入端和46個(gè)輸出端并且需要消耗流量為200mA，在設(shè)計(jì)中選用主機(jī)CPU226，由于CPU226有16個(gè)輸出端口不夠設(shè)計(jì)所需，又使用了5個(gè)8輸出端口電流流量為50mA的EM222擴(kuò)展模塊。最終實(shí)現(xiàn)交通燈的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：CPU226，七段數(shù)碼管，繼電器，功能指令，交通燈目 錄摘 要I

3、I1 PLC的概述11.1 PLC的定義11.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)11.3 PLC的特點(diǎn)21.4 PLC工作方式32 硬件設(shè)計(jì)62.1 硬件設(shè)計(jì)步驟62.2 主機(jī)CPU及擴(kuò)展模塊選擇62.3 I/O端口分配72.4硬件設(shè)計(jì)框圖82.5 接線圖：93. 軟件設(shè)計(jì)103.1軟件設(shè)計(jì)思路103.2功能指令介紹103.3梯形圖12結(jié) 論25致 謝26參考文獻(xiàn)27附錄281 PLC的概述1.1 PLC的定義PLC(可編程控制器)是以微機(jī)技術(shù)為核心的通用工業(yè)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融于一體，具有功能強(qiáng)大、環(huán)境適應(yīng)性好、編程簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)

4、可編程序控制器主機(jī)的硬件電路由CPU、存儲(chǔ)器、基本I/O接口電路、外設(shè)接口、電源等五部分組成（1）中央處理器CPU是可編程序控制器的控制中心，在系統(tǒng)監(jiān)控下工作，承擔(dān)將外部輸入信號(hào)的狀態(tài)寫入輸入映像寄存器區(qū)域，然后將結(jié)果送到輸出映像寄存器區(qū)域。CPU常用的微處理器有通用型微處理器、單片機(jī)和位片式計(jì)算機(jī)等。小型PLC的CPU多采用單片機(jī)或?qū)Ｓ肅PU；大型PKC的CPU多采用位片式結(jié)構(gòu)，具有高速數(shù)據(jù)處理能力。（2）存儲(chǔ)器可編程序控制器的存儲(chǔ)器由只讀存儲(chǔ)器ROM和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM兩大部分構(gòu)成。只讀存儲(chǔ)器ROM用以存放系統(tǒng)程序；中間運(yùn)算數(shù)據(jù)和用戶程序存在隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM中，斷電時(shí)，中間運(yùn)算數(shù)據(jù)和用戶程序

5、保存在只讀存儲(chǔ)器EEPROM或由高能電池支持的RAM中。（3）基本I/O接口電路1.輸入接口單元PLC內(nèi)部輸入電路的作用是將PLC外部電路（如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的符合PLC輸入電路要求的電壓信號(hào)，通過光耦電路送至PLC內(nèi)部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，輸入響應(yīng)時(shí)間一般在0.1s15ms之間。多數(shù)PLC的輸入接口單元都相同，通常有兩種類型。一種是直流輸入；另一種是交流輸入。2.輸出接口單元PLC輸出電路用來將CPU運(yùn)算的結(jié)果變換成一定形式的功率輸出，驅(qū)動(dòng)被控負(fù)載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等）。PLC輸出電路結(jié)構(gòu)形式分為繼電式、晶體管式和晶閘管輸出型三種

6、。3.公共端點(diǎn)通常將一組PLC輸入/輸出電路公共端與PLC內(nèi)部連在一起，以減少PLC外部接線。比如PLC一般以3、4個(gè)輸出接點(diǎn)為一組，在PLC內(nèi)部連成一個(gè)輸出公共端，公共端點(diǎn)之間是絕緣隔離的。分組后，不同組的負(fù)載可以采用不同的驅(qū)動(dòng)電源。(4) 接口電路PLC接口電路分為I/O擴(kuò)展接口電路和外設(shè)通信接口電路兩大類。1、I/O擴(kuò)展接口電路I/O擴(kuò)展電路用于連接I/O擴(kuò)展單元，可以用來擴(kuò)充開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)和增加模擬量的I/O端子。I/O擴(kuò)展接口電路采用并行接口和串行接口兩種電路形式。2、外設(shè)通信接口電路外設(shè)通信接口電路用于連接手持編程器、其他圖形編程器和文本顯示器等，并能組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。PLC

7、通過PC/PPI電纜或使用MPI卡同通過RS-485接口與電纜和計(jì)算機(jī)連接可以實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。(5) 電源PLC內(nèi)部配有一個(gè)專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電路需要的工作電源（5V直流）。當(dāng)輸入端子為非干接點(diǎn)（無源接點(diǎn)）結(jié)構(gòu)時(shí)，為外部輸入元件提供24V直流電源（僅供輸入端子使用）。1.3 PLC的特點(diǎn)（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線

8、及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的

9、增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。(4) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備

10、經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。(5) 體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。1.4 PLC工作方式 PLC雖然以微處理器為核心，具有微型計(jì)算機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微型計(jì)算機(jī)有很大的不同，微型計(jì)算機(jī)一般采用等待命令或中斷的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，當(dāng)有鍵按下或I/O動(dòng)作，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序或中斷服務(wù)程序，無鍵按下，則繼續(xù)掃描等待。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，即順序掃描，不斷循環(huán)這種工作方式是在

11、系統(tǒng)軟件控制下進(jìn)行的。當(dāng)PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶按控制要求編寫好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按序號(hào)作周期性的程序循環(huán)掃描，程序從第一條指令開始，逐條順序執(zhí)行用戶的程序直到程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，再開始下一次掃描；如此周而復(fù)始。實(shí)際上，PLC掃描工作除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成其他工作，整個(gè)工作過程分為自診斷、通訊服務(wù)、輸入處理、輸出處理、程序執(zhí)行五個(gè)階段。如圖1.1所示。 圖1.1 PLC工作掃描圖（1）自診斷 每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容包括I/O部分、存儲(chǔ)器、CPU等，并通過CPU設(shè)置定時(shí)器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定的時(shí)間，如果發(fā)現(xiàn)異常，則停機(jī)并顯示

12、出錯(cuò)。若自診斷正常，則繼續(xù)向下掃描。（2）通訊服務(wù) PLC檢查是否有與編程器、計(jì)算機(jī)等的通訊要求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理。（3）輸入處理 PLC在輸入刷新階段，首先以掃描方式按順序從輸入存儲(chǔ)器中寫入所有輸入端子的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并將其存入內(nèi)存中為其專門開辟的暫存區(qū)輸入狀態(tài)映像區(qū)中，這一過程稱為輸入采樣，隨后關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段，即使輸入端有變化，輸入映像區(qū)的內(nèi)容也不會(huì)改變。變化的輸入信號(hào)的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的輸入刷新階段被讀入。（4）輸出處理 同輸入狀態(tài)映像區(qū)一樣，PLC內(nèi)存中也有一塊專門的區(qū)域稱為輸出狀態(tài)映像區(qū)。當(dāng)程序的所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)映像區(qū)中所有輸出繼電器的狀態(tài)就在CPU

13、的控制下被一次集中送至輸出鎖存器中，并通過一定的輸出方式輸出，推動(dòng)外部的相應(yīng)執(zhí)行器件工作，這就是PLC輸出刷新階段。(5) 程序執(zhí)行 PLC在程序執(zhí)行階段，按用戶程序順序掃描執(zhí)行每條指令。從輸入狀態(tài)映像區(qū)讀出輸入信號(hào)的狀態(tài)，經(jīng)過相應(yīng)的運(yùn)算處理等，將結(jié)果寫入輸出狀態(tài)映像區(qū)。通常將自診斷和通訊服務(wù)合稱為監(jiān)視服務(wù)。輸入刷新和輸出刷新稱為I/O刷新?？梢钥闯觯琍LC在一個(gè)掃描周期內(nèi)，對(duì)輸入狀態(tài)的掃描只是在輸入采樣階段進(jìn)行，對(duì)輸出賦的值也只有在輸出刷新階段才能被送出，而在程序執(zhí)行階段輸入、輸出會(huì)被封鎖。這種方式稱做集中采樣、集中輸出。 2 硬件設(shè)計(jì)2.1 硬件設(shè)計(jì)步驟根據(jù)可編程控制器設(shè)計(jì)交通燈硬件部分的

14、設(shè)計(jì)步驟，本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)步驟如下所示：（1）PLC的選型；（2）輸入、輸出點(diǎn)的估算；（3）主機(jī)型號(hào)的選擇；（4）模塊的擴(kuò)展及I/O編址；（5）輸入、輸出端子的分配；（6）畫出I/O接線圖。2.2 主機(jī)CPU及擴(kuò)展模塊選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，有開始按鈕和停止按鈕2個(gè)輸入端及46個(gè)輸出端的需要，由主機(jī)類型表2.1，設(shè)計(jì)中主機(jī)選用了為CPU226。CPU226的輸入輸出點(diǎn)比較多，共有I0.0-共16個(gè)輸出點(diǎn)。CPU226的24個(gè)輸入點(diǎn)可以滿足本設(shè)計(jì)中2個(gè)輸入點(diǎn)的需求，但是16個(gè)輸出點(diǎn)不能滿足本設(shè)計(jì)46個(gè)輸出點(diǎn)的需求，因此需要擴(kuò)展5個(gè)EM222擴(kuò)展模塊，Q2.0-Q2.6，Q3.0-Q3.6，Q4.0-Q

15、4.7，Q5.0-Q5.7，Q6.0和Q6.1共32個(gè)輸出端口。表2.1 主機(jī)類型表型號(hào)主機(jī)輸入點(diǎn)數(shù)主機(jī)輸出點(diǎn)數(shù)可擴(kuò)展模塊數(shù)最大擴(kuò)展電流/mACPU22164無0CPU222862340CPU22414107660CPU226241671000根據(jù)本設(shè)計(jì)輸出端口及電流流量的需求，可選擴(kuò)展模塊如表2.2 ，經(jīng)比較后在設(shè)計(jì)中選用了5個(gè)8輸出端口 電流為50mA的EM222擴(kuò)展模塊。表2.2 擴(kuò)展模塊表分類型號(hào)I/O規(guī)格功能及用途數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM221DI8*直流24V8路數(shù)字量24V直流輸入EM222DO8*直流24V8路數(shù)字量24V直流輸出（固態(tài)MOSFET）DO8*繼電器8路數(shù)字量繼電器輸出

16、EM223DI4/DO4*直流24V4路數(shù)字量24V直流輸入、輸出（固態(tài)）DI4/DO4*直流24V繼電器4路數(shù)字量24V直流輸入4路數(shù)字量繼電器輸出DI8/DO8*直流24V8路數(shù)字量24V直流輸入、輸出（固態(tài)）DI8/DO8*直流24V繼電器8路數(shù)字量24V直流輸入8路數(shù)字量繼電器輸出DI16/DO16*直流24V16路數(shù)字量24V直流輸入、輸出（固態(tài)）DI16/DO16*直流24V繼電器16路數(shù)字量24V直流輸入16路數(shù)字量繼電器輸出2.3 I/O端口分配輸入端口：I0.0 接啟動(dòng)按鈕，I0.2接停止按鈕。輸出端口分配如表2.3 和表2.4表2.3 七段數(shù)碼管輸出端口分配表東西向南北向Q

17、0.0Q0.6七段數(shù)碼管（個(gè)位）Q2.0Q2.6七段數(shù)碼管（個(gè)位）Q1.0Q1.6七段數(shù)碼管（十位）Q3.0Q3.6七段數(shù)碼管（十位）表2.4 交通燈輸出端口分配表方向顏色東西向南北向紅燈Q4.0Q4.3Q4.6Q5.1Q5.4Q5.7綠燈Q4.1Q4.4Q4.7Q5.2Q5.5Q6.0黃燈Q4.2Q4.5Q5.0Q5.3Q5.6Q6.12.4硬件設(shè)計(jì)框圖 圖2.1 硬件設(shè)計(jì)框圖2.5 接線圖：根據(jù)設(shè)計(jì)要求所需4個(gè)七段數(shù)碼管和18個(gè)指示燈，在東西和南北方向的指示燈各有三組，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行。而且每組指示燈都有紅、綠、黃三種顏色。而數(shù)碼管有共陰和共陽(yáng)兩種接法，見附錄，而我在本設(shè)計(jì)中選用的是共陰極

18、接法。接線圖如圖2.2所示。圖2.2 接線圖3 軟件設(shè)計(jì)3.1軟件設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)編程中有三種方法，如下：（1） 基本指令法；（2） 順序控制法；（3）功能指令法。在這三種方法中，最簡(jiǎn)單易懂的就是第（1）種 即基本指令法，此設(shè)計(jì)我采用基本指令法來編寫交通指示燈的程序，在這種方法中，最重要的就是要先將結(jié)果預(yù)置于中間繼電器線圈中，從而利用中間繼電器的常開觸點(diǎn)來達(dá)到自己的控制要求，在控制燈的時(shí)候，我們只需要將中間繼電器的線圈并上定時(shí)器便可以實(shí)現(xiàn)定一定的時(shí)間，從而使交通燈的發(fā)光二極管亮、熄不同的時(shí)間，而在倒計(jì)顯示中，用功能指令實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管在不同階段所要顯示的數(shù)字，終實(shí)現(xiàn)交通燈的設(shè)計(jì)。3.2功能指令介紹在設(shè)計(jì)

19、中我所使用的功能指令有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令、七段顯示譯碼指令、字節(jié)與字整數(shù)之間的轉(zhuǎn)換、TON定時(shí)器、循環(huán)右移指令、 減計(jì)數(shù)器（CTD）具體如下。圖3.1 BCD碼轉(zhuǎn)換指令（1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令 功能指令圖如圖3.1所示，此指令作用是當(dāng)使能輸入有效時(shí)，將整數(shù)輸入數(shù)據(jù)IN轉(zhuǎn)換成BCD碼類型，并將結(jié)果送到OUT輸出。圖3.2 七段顯示譯碼指令（2）七段顯示譯碼指令 功能指令圖如圖3.2所示，此指令作用是當(dāng)使能輸入有效時(shí)，將字節(jié)型輸入數(shù)據(jù)IN的低四位有效數(shù)字產(chǎn)生相應(yīng)的七段顯示碼，并將其輸出到OUT指定的單元。圖3.3 字節(jié)與字整數(shù)轉(zhuǎn)換指令（3）字節(jié)與字整數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 功能指令圖如圖3.3所示，此指令作用當(dāng)使能輸入有效時(shí)，將字整數(shù)輸入數(shù)據(jù)IN轉(zhuǎn)換成字節(jié)類型，并將結(jié)果送到OUT輸出。圖3.4 通電延時(shí)型定時(shí)器（4）TON定時(shí)器 功能指令圖如圖3.4所示，此指令作用IN端為輸入端，用于連接驅(qū)動(dòng)定時(shí)器線圈的信號(hào)；PT端為設(shè)定端，用于標(biāo)定定時(shí)器的設(shè)定值。當(dāng)連接于IN端的觸點(diǎn)閉合時(shí)，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)前值逐漸增長(zhǎng)；當(dāng)累積時(shí)間達(dá)到設(shè)定值PT時(shí)，定時(shí)器的狀態(tài)被置1（線圈得電），動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，當(dāng)連接于IN端的觸點(diǎn)斷開時(shí)，狀態(tài)置0（線圈失電）。圖3.5 循環(huán)右移指令（5）循環(huán)右移指令 功能指令圖如圖3.5所示，此指令作用當(dāng)使能輸入有效時(shí)，字節(jié)、字、或雙字節(jié)IN數(shù)據(jù)循環(huán)右移N個(gè)位后，將其結(jié)果輸