十字路口交通信號燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試

1、摘 要 針對近年來城市交通的擁擠現(xiàn)象，特別是駕駛員違章嚴(yán)重、交通事故頻發(fā)、車輛尾氣污染等問題，介紹集計算機、信息、電子及通訊等眾多高新技術(shù)手段于一體的智能交通指揮中心控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的安裝及使用，大大緩解了城市道路堵塞現(xiàn)象、提高了道路的通行能力。減少了駕駛員違章的次數(shù)，抑制了交通事故的發(fā)生、同時能夠減輕車輛尾氣排放，從而對降低環(huán)境污染起到了不可低估的作用1。 分析現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合城鄉(xiāng)交通的實際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡單實用的城市交通燈控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案。關(guān)鍵詞: 交通控制；交通燈；PLC 緒論隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的

2、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、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。 不同的城市有不同城市的問題，但共性就是混合交通流問題。在交叉口如何解決混合交通流中的相互影響或彼此的相互影響，就是解決問題的關(guān)鍵！隨著我國城市化建設(shè)的發(fā)展，越來越多的新興城市的出現(xiàn)，使得城市的交通成為了一個絕對主要的問題。同時隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，隨著城市機動車量的不斷增加，人民的生活水平日漸提高，越來越多的汽車進(jìn)入尋常老百姓的家庭，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國城市里的十字路口交通系統(tǒng)大都采

3、用定時來控制(不排除繁忙路段或高峰時段用交警來取代交通燈的情況)，這樣必然產(chǎn)生如下弊端:當(dāng)某條路段的車流量很大時卻要等待紅燈，而此時另一條是空道或車流量相對少得多的道卻長時間亮的是綠燈，這種多等少的尷尬現(xiàn)象是未對實際情況進(jìn)行實時監(jiān)控所造成的，不僅讓司機乘客怨聲載道，而且對人力和物力資源也是一種浪費2。 單片基控制系統(tǒng)設(shè)計時硬件和軟件均要設(shè)計，抗干擾性能差，不通用，并且需要有接口電路與之配套，價格中等，制造較難。程序的設(shè)計中，分析控制交通的多種原理，用傳統(tǒng)的方法實現(xiàn)難度較大，所以使用可編程控制器，其主要原因是因為PLC具有簡單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長等一系列的優(yōu)點。

4、 本設(shè)計介紹了應(yīng)用PLC實現(xiàn)十字路口交通信號燈的自動控制。通過對交通信號燈的控制要求分析，對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計，并通過實驗證明該系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、運行可靠，具有很高的實用價值。2 PLC概述2.1 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC已由最初一位機發(fā)展到現(xiàn)在的以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機化PC，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理。如今，PLC技術(shù)已非常成熟，不僅控制功能增強，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠(yuǎn)程I/O和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及圖象顯示的發(fā)展，使PLC向用于連續(xù)生產(chǎn)過程控制的方向發(fā)展，

5、成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一大支柱。 現(xiàn)在，世界上有200多家PLC生產(chǎn)廠家，400多品種的PLC產(chǎn)品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產(chǎn)品，各流派PLC產(chǎn)品都各具特色。其中，美國是PLC生產(chǎn)大國，有100多家PLC廠商，著名的有A-B公司、通用電氣（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。歐洲PLC產(chǎn)品主要制造商有德國的西門子（SIEMENS）公司、AEG公司、法國的TE公司。日本有許多PLC制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士等，韓國的三星（SAMSUNG）、LG等，這些生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品占有80%以上的PLC市場份額。 經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)PLC生產(chǎn)廠家約有三十家，國內(nèi)PLC應(yīng)用市場仍

6、然以國外產(chǎn)品為主。國內(nèi)公司在開展PLC業(yè)務(wù)時有較大的競爭優(yōu)勢，如：需求優(yōu)勢、產(chǎn)品定制優(yōu)勢、成本優(yōu)勢、服務(wù)優(yōu)勢、響應(yīng)速度優(yōu)勢。2.2 PLC的發(fā)展趨勢隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，PLC技術(shù)及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都在不斷改進(jìn)，功能日益強大，性價比越來越高。2.2.1 在產(chǎn)品規(guī)模方面，向兩極發(fā)展。一方面，大力發(fā)展速度更快、性價比更高的小型和超小型PLC。以適應(yīng)單機及小型自動控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技術(shù)完善的大型PLC方向發(fā)展。隨著復(fù)雜系統(tǒng)控制的要求越來越高和微處理器與計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對PLC的信息處理速度要求也越來越高，要求用戶存儲器容量也越來越大。 2.2.2 向通信網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 P

7、LC網(wǎng)絡(luò)控制是當(dāng)前控制系統(tǒng)和PLC技術(shù)發(fā)展的潮流。PLC與PLC之間的聯(lián)網(wǎng)通信、PLC與上位計算機的聯(lián)網(wǎng)通信已得到廣泛應(yīng)用。目前，PLC制造商都在發(fā)展自己專用的通信模塊和通信軟件以加強PLC的聯(lián)網(wǎng)能力。各PLC制造商之間也在協(xié)商指定通用的通信標(biāo)準(zhǔn)，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PLC已成為集散控制系統(tǒng)（DCS）不可缺少的組成部分。 2.2.3 向模塊化、智能化發(fā)展 為滿足工業(yè)自動化各種控制系統(tǒng)的需要，近年來，PLC廠家先后開發(fā)了不少新器件和模塊，如智能I/O模塊、溫度控制模塊和專門用于檢測PLC外部故障的專用智能模塊等，這些模塊的開發(fā)和應(yīng)用不僅增強了功能，擴(kuò)展了PLC的應(yīng)用范圍，還提高了系統(tǒng)的可靠性。

8、2.2.4 編程語言和編程工具的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化多種編程語言的并存、互補與發(fā)展是PLC軟件進(jìn)步的一種趨勢。 PLC廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時，日益向MAP(制造自動化協(xié)議)靠攏，使PLC的基本部件，包括輸入輸出模塊、通信協(xié)議、編程語言和編程工具等方面的技術(shù)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。2.2.5 PLC應(yīng)用中存在的問題 PLC的正常運行是工業(yè)自動化生產(chǎn)流程的保障。盡管PLC的使用非常簡便，但對于工業(yè)生產(chǎn)的很多特種環(huán)境來講，是會對PLC的工作產(chǎn)生一定影響的，從而妨礙工業(yè)生產(chǎn)的正常運行。 （1）溫度PLC有自身的工作溫度限制，溫度上限為55，下限不低于0，因此在PLC的安裝過程中要充

9、分考慮到散熱性要求，并盡可能原理發(fā)熱量大的電器元件，防止陽光直射。如果周圍工作環(huán)境溫度大于55時，還要考慮安裝通風(fēng)或制冷裝置，來降低工作溫度，從而保證PLC工作的溫度要求。 （2）濕度元器件的絕緣性能與環(huán)境中的水汽含量有關(guān)，濕度控制是PLc元件穩(wěn)定性的保證，要始終將濕度范圍控制在85%以下。 （3）震動PLC對防震也有一定的要求，盡可能的遠(yuǎn)離強烈的震動裝置，防止振動頻率為1055Hz的頻繁或連續(xù)振動，必要時可以采取減震措施來減輕震動帶來的危害。 （4）軟PLC應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)中需要解決一些重要的問題，其中主要有：以PC為基礎(chǔ)的控制引擎的實時性問題。軟PLC首選的操作系統(tǒng)是Windows NT，微軟

10、發(fā)布的Windows NT系統(tǒng)是可靠性較高的編輯開發(fā)平臺，非常適合軟實時控制，它并不是一個硬實時的操作系統(tǒng)。另外，Windows CE等操作系統(tǒng)具有了NT在硬實時性方面所不具備的特性。在實際開發(fā)中也可使用其他的操作系統(tǒng)作為平臺。設(shè)備在惡劣條件下的可靠性低：即不能在高溫、震動、溫差大、多灰塵等惡劣環(huán)境下保持正常工作。只有以上關(guān)鍵技術(shù)得到解決后，軟PLC才能真正用于工業(yè)控制領(lǐng)域。2.3 PLC的特點2.3.1 可靠性高，抗干擾能力強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。由于PLC模塊均采用大

11、規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，所以的I/O接口電路均采用光電隔離;在結(jié)構(gòu)上對、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮;在硬件上采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施;在軟件上采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施。以上這些使PLC具有較高的抗干擾能力。2.3.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強在PLC控制系統(tǒng)中，只需要在PLC輸入/輸出端子上接入相應(yīng)的信號線即可，不需要連接如繼電器之類的低壓電器和大量而又復(fù)雜的硬件接線線路 ，大大簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。PLC的輸入/輸出可直接與交流220V、直流24V等強電相連，并且具有較強的帶負(fù)載能力。2.3.3 編程方便，易于使用PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的

12、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現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。2.3.4 功能完善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。在PLC內(nèi)部具備許多控制功能，如：邏輯控制、定時控制

13、、計數(shù)控制、步進(jìn)控制、PID控制、數(shù)據(jù)控制、通信和聯(lián)網(wǎng)，還有其他特殊功能模塊。2.3.5 設(shè)計、施工、調(diào)試的周期短PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(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)場合。2.3.6 體積小，維護(hù)操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝，不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。2.4 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理

14、2.4.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)在種類繁多的PLC中，其組成結(jié)構(gòu)和工作原理都基本相同。用PLC實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入/輸出轉(zhuǎn)換，并將這個轉(zhuǎn)換給予物理實現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計，采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，它主要由CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入輸出接口電路等組成，如圖1（1）中央處理器(CPU)中央處理器(CPU)一般由控制器運算器和寄存器組成。它們都集成在一個芯片內(nèi)，CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元輸入/輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC有條不序地進(jìn)行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存

15、入存儲器中，當(dāng)PLC處于運行方式時，CPU按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。CPU的主要任務(wù)如下：A 按PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器輸入用戶程序和數(shù)據(jù)。B用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。C診斷電源或PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。D在PLC進(jìn)入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶，程序經(jīng)過命令解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去啟、閉有關(guān)控制電路，分時地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較、變換等動作。完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運算或算術(shù)運算等任務(wù)。根據(jù)運算結(jié)果更換有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸入映像寄存器的內(nèi)容，實現(xiàn)輸出、制表、打印或

16、數(shù)據(jù)通信等控制。（2）存儲器PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩個部分。A系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器是指用來存放PLC的系統(tǒng)程序的存儲器。它由PLC生產(chǎn)廠家編寫并固化在ROM內(nèi)，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設(shè)計者規(guī)定的各項工作。其主要內(nèi)容包括3個部分：系統(tǒng)管理程序、 用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)試。B用戶存儲器用戶存儲器由用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分組成，其主要任務(wù)作用是用來存放用戶針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。PLC使用的存儲器有3種類型：隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和可擦除可編程只讀存儲器(EEPR

17、O)。 （3）輸入/輸出接口單元PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出接口單元從廣義上可分為2個部分：一部分是與被控制設(shè)備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 （4）擴(kuò)展接口和通信接口PLC具有擴(kuò)展接口和通信接口的能力，其作用如下：A擴(kuò)展接口的作用是將擴(kuò)展單元和功能模塊與基本單元相連，是PLC的配置更加靈活以滿足不同控制的系統(tǒng)需求。B通信接口的作用是通過這些通信接口可以與監(jiān)視器打印機和其他的，PLC或計算機相連從而實現(xiàn)”人-機”或”機-機”之間的對話。 （5）電源部分PLC一般使用220交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源位PLC的中央處理器、存儲器等。電路提供5

18、V、+-12V、24V等直流電源使PLC能正常工作。 （6）編程設(shè)備編程設(shè)備的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。（7）其他部件有些PLC還可以有ERROM寫入器、存儲器卡等其他外部設(shè)備，用于增強PLC的存儲容量和擴(kuò)展功能。 圖1 PLC的基本結(jié)構(gòu)2.4.2 PLC循環(huán)采樣的3個工作階段當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段三個階段完成。上述3個階段即為一個周期。在整個運行期間PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個階段。（1）輸入采樣階段PLC。在輸入采樣階段，先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態(tài)存入對應(yīng)的輸入元件映像寄存器。此時，

19、輸入元件映像寄存器被刷新，接著進(jìn)入用戶程序執(zhí)行階段。在用戶程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器與外界隔離，無論輸入端子信號如何變化，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新內(nèi)容重新寫入。（2）用戶程序執(zhí)行階段。根據(jù)PLC梯形圖程序掃描規(guī)則，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句掃描。當(dāng)指令中涉及輸入/輸出時，PLC從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應(yīng)輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運算，運算結(jié)果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說，每一個元件的狀態(tài)會隨程序的執(zhí)行過程而變化。（3）輸出刷新階段。在所有

20、指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態(tài)在（通/斷）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅(qū)動外部負(fù)載。對于小型PLC，I/O點數(shù)較少，用戶程序較短，用集中采樣集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。2.4.3 可編程控制器的結(jié)構(gòu)分類(1)按硬件的結(jié)構(gòu)類型分類：編程控制器是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計的。為了便于在工業(yè)現(xiàn)場安裝，便于擴(kuò)展，方便接線，其結(jié)構(gòu)與普通計算機有很大區(qū)別，常見的有箱體式，模塊式，及疊裝式三種結(jié)構(gòu)。箱體式PLC一般用于規(guī)模小，輸入輸出點數(shù)固定，不需要擴(kuò)展的場合。模塊式PLC一般用于規(guī)模較大

21、，輸入輸出點數(shù)多，輸入輸出點數(shù)比例靈活的場合。疊裝式PLC具有二者的優(yōu)點。(2)按應(yīng)用規(guī)模及功能分類：為了適應(yīng)不同工業(yè)生產(chǎn)過程的應(yīng)用要求，PLC能夠處理的輸入信號數(shù)量是不一樣的。一般將一路信號稱作一個店，將輸入輸出點數(shù)的總和稱為機器的點。按照點數(shù)的多少，可將PLC分為超小，小，中，打，超大等五類型如下表1所示： 表1 PLC按規(guī)模分類超小型 小型 中型 大型 超大型 64點以下 64-128點 128-512點 512-8192點 8192以上3 十字路口交通燈PLC系統(tǒng)設(shè)計方案3.1 十字路口交通燈設(shè)計背景和意義3.1.1 設(shè)計背景 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

22、的機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遇紅燈時按一下嗽叭就使紅燈變?yōu)榫G

23、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

24、口。 3.1.2研究目的和意義 （1）隨著社會經(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、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。 隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運行的情況因此自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期它們也曾有效地改善了交通狀況。然而隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用，而城市高速道路在構(gòu)造上的特點也

25、決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以如何采用合適的控制方法最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。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。 （2）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)查運用統(tǒng)計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預(yù)先設(shè)置好。然而實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

26、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。 （3）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出現(xiàn)空等現(xiàn)象影響了道路的暢通。為此采用不依賴數(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。 （

27、4）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)、計算機管理技術(shù)于一體的機電一體化產(chǎn)品充分利用計算機技術(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。 3.2 十字路口交通燈總體方案設(shè)計3.2.1 單片機的控制方案單片機是在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM存儲器、I/O接口等而構(gòu)成的微型計算機。因為它主要應(yīng)用于工業(yè)測控領(lǐng)域，因此單片機在出現(xiàn)時，intel公司就給單片機取名為嵌入式微控制

28、器。單片機是以工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點出發(fā)向著增強控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性方向發(fā)展。主要特點如下：（1）種類多，型號全。很多單片機廠家逐年擴(kuò)大適應(yīng)各種需要，有針對性地推出一系列型號產(chǎn)品，使系統(tǒng)開發(fā)工程師有很大的選擇余地。大部分產(chǎn)品有較好的兼容性，保證了已開發(fā)產(chǎn)品能順利移植，較容易地使產(chǎn)品進(jìn)行升級換代（2）提高性能，擴(kuò)大容量，性能價格比高。集成度已經(jīng)達(dá)到300萬個晶體管以上，總線速度達(dá)到數(shù)十微妙到幾百納秒，指令執(zhí)行周期已經(jīng)達(dá)到幾微妙到數(shù)十納秒，以往片外XRAM現(xiàn)已在物理上存入片內(nèi)，ROM容量已經(jīng)擴(kuò)充達(dá)32K，64K，128K以致更大的空間。價格從幾百到幾元不等。（3）增加控制功能，向

29、真正意義上的“單片”機發(fā)展。把原本是外圍接口芯片的功能集成到一塊芯片內(nèi)，在一片芯片中構(gòu)造了一個完整的功能強大的微處理應(yīng)用系統(tǒng)。（4）低功耗?，F(xiàn)在新型單片機的功耗越來越小，供電電壓從5V降低到了3.2V，甚至1V，工作電流從mA降到A級，gz2頻率從十幾兆可編程到幾十千赫茲。特別是很多單片機都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待，暫停，睡眠，空閑，節(jié)電等。（5）C語言開發(fā)環(huán)境，友好的人機互交環(huán)境。大多數(shù)單片機都提供基于C語言開發(fā)平臺，并提供大量的函數(shù)供使用，這使產(chǎn)品的開發(fā)周期、代碼可讀性、可移植性都大為提高。3.2.2 微機的控制方案電子計算機通常按體積、性能和價格分為巨型機、大型機、中型機

30、、小型機和微型機五類。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本工作原理上說，微型機和其他幾類計算機并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，所不同的是微型機廣泛采用了集成度相當(dāng)高的器件和部件，因此帶來以下一系列特點： 體積小，重量輕；價格低；可靠性高，結(jié)構(gòu)靈活；應(yīng)用面廣；功能強，性能優(yōu)越。但在小型機械加工中不如PLC實用。3.2.3 PLC的控制方案 （1）靠性高，抗干擾能力強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。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達(dá)30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC

31、的機外電路來說，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，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(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功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。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，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 （2）功能完善，適用性強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?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。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

32、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通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 （3）編程容易PLC作為通用工業(yè)控制計算機，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現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 （4）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

33、械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。不同控制方案比較如下見表2：表2 不同交通燈設(shè)計方案比較方 案 PLC 單片機 微機 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模塊式 整體式 整體式 接口 一般不需要接口 需要制作接口電路 需要制作接口電路測試 測試項目優(yōu)良 優(yōu)良 優(yōu)良穩(wěn)定性 優(yōu)良 優(yōu)良 優(yōu)良工作環(huán)境要求 要求低 要求較低 要求較高硬件擴(kuò)展性 易擴(kuò)展 不易擴(kuò)展 不易擴(kuò)展軟件擴(kuò)展性 較好 易擴(kuò)展 易擴(kuò)展通訊 好 好 好結(jié)論 適合 較適合 較適合 基于以上各設(shè)計方案優(yōu)缺點，選擇PLC進(jìn)行設(shè)計有一定的優(yōu)勢。3.3 顯示方式3.3.1 LED顯示方式LED顯示可靠性高，成本低，制作簡單，但是顯示方法不具有預(yù)判性，機動車駕駛?cè)?/p>

34、不容易判斷后面出現(xiàn)的情況。3.3.2 LED+數(shù)碼管顯示方式 此方式不僅成本較低，而且制作相對簡單，并且機動車駕駛?cè)祟A(yù)判性好。3.3.3 LCD液晶顯示屏方式 液晶顯示屏顯示效果較好，穩(wěn)定性高，但由于制作工藝復(fù)雜，制作成本較高故不宜選用。4 十字路口交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 設(shè)計內(nèi)容及要求4.1.1 控制設(shè)備 系統(tǒng)工作受開關(guān)控制，起動開關(guān) ON 則系統(tǒng)工作；起動開關(guān) OFF 則系統(tǒng)停止工作。4.1.2 控制對象有八個東西方向紅燈兩個 , 南北方向紅燈兩個，東西方向黃燈兩個 , 南北方向黃燈兩個，東西方向綠燈兩個 , 南北方向綠燈兩個，東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個，南北方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個。4.1.3

35、 控制規(guī)律（1）高峰時段、正常時段及晚上時段的時序分配按圖2運行。 圖2 各時段運行分配時序圖 （2）高峰時段按圖3運行 圖3 高峰時段運行時序圖（3）正常時段按圖4運行 圖4 正常時段運行時序圖（4）晚上時段按提示警告方式運行，規(guī)律為： 東、南、西、北四個黃燈全部閃亮，其余燈全部熄滅，黃燈閃亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的規(guī)律反復(fù)循環(huán)。4.2 十字路口交通燈的原理4.2.1 十字路口交通燈的原理分析及示意圖如圖5是十字路口交通信號燈示意圖，本系統(tǒng)的控制對象有八個，分別為東西方向紅燈兩個，南北方向紅燈兩個，東西方向黃燈兩個，南北方向黃燈兩個，東西方向綠燈兩個，南北方向綠燈兩個，東西方向左轉(zhuǎn)

36、彎綠燈兩個，南北方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個。本控制系統(tǒng)律分為高峰時段和正常時段進(jìn)行控制，晚上時段按提示敬告方式運行。 圖5 十字路口交通信號燈的示意圖 4.2.2 時序分析正常時段(6:30-7:00；8:15-16:30；19:00-21:00)：南北綠燈亮維持25秒，閃爍5秒后南北黃燈亮5秒，然后熄滅，同時南北紅燈亮，東西左轉(zhuǎn)彎綠燈亮5秒閃爍5秒后，東西方向綠燈亮，同時東西方向紅燈熄滅，25秒后東西方向綠燈閃爍5秒后熄滅，東西黃燈亮5秒后熄滅，同時東西方向紅燈亮，南北方向左轉(zhuǎn)彎燈亮同時南北方向紅燈亮，南北方向左轉(zhuǎn)彎燈亮5秒閃爍5秒后熄滅，同時南北綠燈亮。高峰時段（7:00-8:15；16:30-1

37、9:00）：南北綠燈亮維持30秒，閃爍5秒后南北黃燈亮5秒，然后熄滅，同時南北紅燈亮，東西左轉(zhuǎn)彎綠燈亮5秒閃爍5秒后，東西方向綠燈亮，同時東西方向紅燈熄滅，20秒后東西方向綠燈閃爍5秒后熄滅，東西黃燈亮5秒后熄滅，同時東西方向紅燈亮，南北方向左轉(zhuǎn)彎燈亮同時南北方向紅燈亮，南北方向左轉(zhuǎn)彎燈亮5秒閃爍5秒后熄滅，同時南北綠燈亮。 晚間時段（21:00-6:30）：東、南、西、北四個黃燈全部閃亮，其余燈全部熄滅，黃燈閃亮按亮0.4秒，暗0.6秒的規(guī)律反復(fù)循環(huán)4.3 十字路口交通燈PLC控制系統(tǒng)控制流程圖如圖6： 圖6 PLC控制十字路口交通燈流程圖4.4 十字路口交通燈PLC控制系統(tǒng)I/O分配表如表

38、3：表3 十字路口交通燈PLC控制系統(tǒng)I/O分配表輸入器件 功能 輸出器件 功能 X000(SB1) 啟動按鈕 Y000(HL1、HL2) 東西方向紅燈X001(SB2) 停止按鈕 Y001(HL15、HL16) 南北方向左轉(zhuǎn)綠燈 Y002(HL13、HL14) 南北方向綠燈 Y003(HL11、HL12) 南北方向黃燈 Y004(HL9、HL10) 南北方向紅燈 Y005(HL7、HL8) 東西方向左轉(zhuǎn)綠燈 Y006(HL5、HL6) 東西方向綠燈 Y007(HL3、HL4) 東西方向黃燈4.5 十字路口交通燈PLC控制系統(tǒng)其他器件分配表如表4：表4 十字路口交通燈PLC控制系統(tǒng)I/O分配表

39、器件名稱 功能 數(shù)據(jù)寄存器D（D200） 存放修改數(shù)據(jù)300/250 數(shù)據(jù)寄存器D（D201） 存放修改數(shù)據(jù)200/250數(shù)據(jù)寄存器D（D3 D4 D5） 存放讀入的時分秒數(shù)據(jù)寄存器D（D20 D21） 預(yù)存6:30數(shù)據(jù)寄存器D（D30 D31） 預(yù)存7:00數(shù)據(jù)寄存器D（D40 D41） 預(yù)存8:15數(shù)據(jù)寄存器D（D50 D51） 預(yù)存16:30數(shù)據(jù)寄存器D（D60 D61） 預(yù)存19:00數(shù)據(jù)寄存器D（D70 D71） 預(yù)存21:00中間輔助繼電器M（M3 M1） 統(tǒng)計出兩段晚間期中間輔助繼電器M（M6 M9） 統(tǒng)計出兩段高峰期中間輔助繼電器M（M4 M7 M1） 統(tǒng)計出三段正常期中間輔助

40、繼電器M（M20） 控制晚間期中間輔助繼電器M（M21） 控制正常期中間輔助繼電器M（M22） 控制高峰期中間輔助繼電器M（M100） 控制子程序開啟定時器T（T0/T1、T2） 東西方向左轉(zhuǎn)綠燈5S/閃5S定時器T（T0/T1、T2） 東西方向綠燈D200S/閃5S定時器T（T6） 東西方向紅燈/黃燈亮5S定時器T（T7/T8、T9） 南北方向左轉(zhuǎn)綠燈5S/閃5S定時器T（T10/T11、T12） 南北方向綠燈D201S/閃5S定時器T（T13） 南北方向黃燈亮5S定時器T（T14/T15） 晚間0.4/0.6閃爍4.6 十字路口交通燈PLC控制系統(tǒng)器件選擇4.4.1 機型選擇 由于實驗室中

41、三菱FX2N型號PLC居多，擴(kuò)展性及向下兼容性較好，故選擇FX2N系列PLC。4.4.2 輸入輸出模塊或輸入輸出點數(shù)選擇 輸出端口要求大于等于22個，LED功率為1w，需要PLC輸出的最大功率為4*1w=4w，繼電器燈負(fù)載輸出最大值為100w，晶閘管燈負(fù)載最大輸出功率為30w，晶體管燈負(fù)載最大直流輸出功率為1.5w，此處選用繼電器輸出類型。4.4.3 存儲器類型及容量估算方法 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)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之

42、后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的1015倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。 系統(tǒng)所用的存儲器基本上由、-及三種類型組成，存儲容量則隨機器的大小變化，一般小型機的最大存儲能力低于，中型機的最大存儲能力可達(dá)，大型機的最大存儲能力可上兆字節(jié)。使用時可以根據(jù)程序及數(shù)據(jù)的存儲需要來選用合適的機型，必要時也可專門進(jìn)行存儲器的擴(kuò)充設(shè)計。的存儲器容量選擇和計算的第一種方法是：根據(jù)編程使用的節(jié)點數(shù)精確

43、計算存儲器的實際使用容量。第二種為估算法，根據(jù)控制規(guī)模和應(yīng)用目的，按照表5的公式來估算。一般應(yīng)留有的裕量，獲取存儲容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每條指令所用的字?jǐn)?shù)，便可確定準(zhǔn)確的存儲容量。表5 存儲器容量的估算方法控制方式 公式原始樣1） M=Km（10DI+5D0） 模擬量控制1） M=Km(10DI+5Do+100AI) 多路采樣控制1） M=Km10DI+5Do+100AI+(1+采樣點0.25 注：DI為數(shù)字（開關(guān)）量輸入信號；Do為數(shù)字（開關(guān)）量輸出信號；AI為模擬量輸入信號；Km為每個接點所占存儲器字節(jié)數(shù)；M為存儲器容量。 綜合上述多項指標(biāo)，故選擇FX2N-48MR-

44、001型PLC。4.5 十字路口交通燈時間判斷（1）本段程序為時段的判斷程序，通過運用時鐘讀取指令，將時間參數(shù)讀到以D0開始的8個字節(jié)中，其中字節(jié)D3所代表的是小時，D4代表的是分鐘，運用比較指令將不同的時間段進(jìn)行分類，并通過置位M20、M21、M22進(jìn)行標(biāo)注，其中M20代表夜間時序，M21代表正常時序,M22代表高峰時序。具體程序如圖7。 圖7 時間判斷梯形圖（2）正常時序程序及高峰時序程序，對比實驗要求中的正常和高峰時序圖，可知正常時段的交通燈時序與高峰時段相比各個等的亮滅順序一致，僅時間存在差別，所以只需對個別參數(shù)進(jìn)行修改，接下來以正常時序為例進(jìn)行說明。參照正常時序圖，可將整個過程看做由多個90s的大周期組成，每個周期內(nèi)又有6個小的時間段，根據(jù)需要滿足的亮燈時間段條件進(jìn)行亮燈控制。在編程過程中需要用到多個定時器對時間進(jìn)行分段，以每個定時器的開關(guān)狀態(tài)作為相關(guān)交通燈的控制條件。具體程序如圖9。圖8 正常時序程序梯形圖（3）晚間時序程序，此過程主要控制東西方向與南北方向的黃燈閃爍，定時器T15控制周期內(nèi)黃燈亮的時間0.4s，定時器T14控制閃爍0.6s。具體程序如圖9。圖9 晚間時序程序梯形圖4.7 十