1、 二一三届学生毕业论文（设计） 存档编号： _ 江 汉 大 学 毕 业 论 文（设计） 论 文 题 目 智能交通灯设计 (英 文 ) the design of intelligent traffic lights 学 院： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师 ： 2013 年 05 月 26 日 智能交通灯设计 I 摘 要 PLC 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程
2、控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一， PLC、机器人、 CAD/CAM 将成为工业生产的三大支柱。由于 PLC 具有对使用环境适应性强的特性，同时 其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的 “ 渐进式 ” 信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将 PLC 应用于交通灯系统中。同时， PLC 本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。 关键字： 交通灯 PLC 通讯 科学管理 渐进式 智能交通灯设计 II Abstract The programmable pref
3、ace in PLC controller is a kind of new industry controls the device,it regard microprocessor as the foundation, synthesizing the calculator technique, automatic control technique to develop with the communication technique .It has the construction simple, the plait distance is convenient, high etc.
4、in dependable advantage, already extensive used for the industry process with the automatic control of the position inside.According to the covariance, the programmable controller is a kind of equipments that industry automate to equip the inside the application at most.The expert thinks, the progra
5、mmable controller will become the main means that aftertime industry control with the one of the important foundation equipmentses, the PLC, robot, CAD/ CAM will become three major of pillar that industry produce.Because the PLC has to the strong characteristic in adaptability in environment in usag
6、e, its inner part settles at the same time the machine resources is abundant very, can to current widespread usage of“ enter the type gradually“ the signal beacon proceeds the precision controls, special the oscular control in a many branch roads can realizes expediently.So that is applied the PLC m
7、ore and more now in transportation light system inside.At the same time, PLC still have the communication internet function, constitute the same of the signal beacon on the road a the bureau area net proceeds to unify to adjust a management, can shorten the vehicle go through waiting time, realizing
8、 scientific management. Keywords: The transportation light， PLC , Communication， scientific management， enter the type gradually 智能交通灯设计 目 录 第一章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 智能交通灯系统的发展背景 1 1.3 本课题的主要研究内容 2 第二章 PLC的功能介绍 4 2.1 PLC 的基本概念和基本结构 4 2.2 PLC 的特点和应用领域 6 2.3 PLC 的工作原理 7 2.4 PLC 的性能指标和软件系统 9 第三章 基于 PLC的智能
9、交通灯控制系统设计 11 3.1 PLC 型号的选定以及可行性分析 11 3.2 光 电计数器与选型 11 3.3 光电计数器的铺设 12 3.4设计思路 13 3.5 I/O 地址的分配 17 3.6 交通灯各种情况的时序分析 18 3.7 主程序的设计 19 3.8 运行与调试 30 第四章 总结与展望 31 参 考文献 32 致谢 33智能交通灯设计 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 引言 交通灯控制系统的发展有着悠久的历史，伴随着人类工业文明的发展，汽车以及其他各种交通工具呈现出一片欣欣向荣的景象。各种交通工具的大量使用使得人们的出行更加方便，但随之而来的是交通的压 力越来越大，各个
10、路口对于对于交通指挥系统的需求大量增加。早在 1868 年，全世界第一台煤气是红绿两色照明灯由英国工程师 纳伊特 安装在了伦敦 威斯特敏斯特街口 ，它可以控制车辆的通行，但是不久，这种交通灯便消身匿迹了，原因是由于一场爆炸事故。盗了1914 年左右，交通灯又重新出现了， 美国的克利夫兰 制造了一款由电力驱动的交通灯，它被安装在了纽约和芝加哥等地，这种交通灯的概念已经和现在大致相同。 1926 年，自动化控制的交通灯得到利用，这为现代城市交通奠定了基础。1968 年，联合国道路交通和道路标志信号协定 对交通灯的各种 意义做出了明确的规定 ， 绿灯行，绿灯车道的车辆可直行可左拐可右拐，如果前面有禁
11、止标志的则除外。并且左右拐弯的车辆必须让直行车辆和行人先行。红灯停，红灯车道的车辆不准超过人行道。黄灯等一等，黄灯车道的车辆必须减速， 但车辆已 十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口 。交通灯的使用大大缓解了交通压力，使得城市的拥堵显现得到了一定程度的缓解，使人们的出行现状得到了改善。但是随着当今经济的飞速发展，汽车的拥有量不断上升，传统的交通灯系统已经越来越不能满足交通压力的需求。在这样的背景下，本次论文设计的任务主要是设计一 款能根据路面车流量的变化，进而调整交通灯读秒时间的交通灯系统，从而改善路面交通压力，同时也可以节约交通资源。 1.2 智能交通灯系统的发展背景 1.2.1
12、英国 TRANSYT 路面交通控制系统 英国道路研究所花费了十几年的时间，在大量的实验和经验的基础之上，研制出了 TRANSYT 路面交通控制 系统 。被全球 400 多个车市广泛采用，可以说TRANSYT 系统 的成功是显而易见的。 TRANSYT 内部通过有线来经行通信。采用静态模式来控制交通信号灯，这种控制方案中通过数学模型来控制绿信比和相位差。但是这种交通控制系统还是存在 一定的缺陷，例如它无法优化周期，而且想要获得最优的整体分配方案是相当困难的。如果想要经行离线优化，必须采用大量的路网几何和交通数据流。 智能交通灯设计 - 2 - 1.2.2 澳大利亚 SCAT 路面控制系统 70
13、年代末期，澳大利亚开发了 SCAT 路面控制 系统 。 SCAT 采用分层递阶的计算机形式，这是一种较为先进的计算机网络控制技术。 SCAT 通过有线来通信。在地区联机，在中央即采用联机也采用脱机模式。在控制的过程中， SCAT 会预先设定几个参数，在对路面情况经行分析的基础之上，根据实际的情况来选定具体采用那个数据。计算机结构好改变，控制方案好 变换，而 SCAT 系统充分的利用了计算机的这些优点。但是，由于 SCAT 对于硬件的要求高，这也就限制了它的移植能力，以及信息的无即时反馈性。 1.2.3 英国 SCOOT 路面控制系统 在 TRANSYT 系统 改进和改良的基础之上，通过 8 年
14、的研究，英国道路交通研究所又设计出了一款自适应的 SCOOT 路面控制 系统 ，其全名为动态交通控制系统。由于采用动态的交通控制方式，其性能各个方面都要优于以静态为核心的路面交通控制系统。这种交通控制方式同样被许多国家大量的采用。 SCOOT 路面控制 系统 以有线的方式进行通信。通过联机的方式来 控制各个路口的交通信号灯，这与传统的控制方式来比，其效率大大提高。但是 SCOOT 路面控制 系统 依然有他的缺点，其一它的相位一旦确定之后就不能自动的增减了，其二他对于固定的路口只有固定的相序，其三它的安装困难度也过高。 1.2.4 日本城市路面控制系统 日本设计的路面控制系统有交通控制中心和 V
15、ICS 中心 ，交通控制中心主要在东京等地区运营，它极具代表意义，在控制一般城市路面交通的同时有着显著的高效性。通过收集，处理和发布交通信息，控制中心不仅可以对交通信号进行控制还可以进行信息交流等。通过对超声波、雷达、红外检测器 、直升机、摄像机等信息收集系统收集来的信息进行分析，该控制系统可以利用后台许许多多的计算机网络进行高速的运算，通过这种流量分析以及提前的预定方案的选择，可以实时的指挥路面各个交通灯路口的红绿灯情况。在指挥的同时，他还会以各种方式将车流量、堵塞情况等信息通过各种方式向社会发布。 1.3 本课题的主要研究内容 此次设计的主要内容是在传统的交通灯基础之上，通过 PLC 进行
16、编程，设计出一款能够根据车流量的变化来智能化调整交通灯读秒时间的交通灯控制系统。要实现预期目的的初期设想是在十字路口东西南北各个方向上安装光电计 数器，以此来统计各个路口的车流量，再将数据输入计算机中央控制系统对数据经行分智能交通灯设计 - 3 - 析，根据预先设定的参数，智能化的判断各个交通路口的拥堵情况，从而通过PLC 控制系统来适当的调整红绿灯的读秒时间。并且在此基础之上，若交通灯路口遇到特殊车辆或者紧急情况，该系统也能切换到人工控制模式，实现强通控制，从而保证路面交通的正常运行。此系统不仅成本低，维护方便，而且能在最大程度上缓解交通压力，节约交通资源。 智能交通灯设计 - 4 - 第二
17、章 PLC 的功能介绍 2.1 PLC 的基本概念和基本结构 2.1.1 PLC 的基本概念 早期的可编程控制器主要是用来代替继电器控制系统的，因此功能较为简单，只能进行开关逻辑控制，称为可编程控制器（ programmable logic controller） ,简称 PLC。随着微电子技术，计算机技术和通行技术的快速发展，20 世纪 70 年代后期微处理器被用作可编程控制器的中央处理器，从而较大的扩展了可编程控制器的功能，可编程控制器有开关逻辑，模拟量控制，高速计数，PID 贿赂调节，远程 I/O 和网络通信等功能。 1980 年，美国电气制造协会正式将其命名为可编程控制器，简称 PC。
18、 1987 年 2 月 ，国际电工委会对 PLC 的具体含义做出了明确的定义：在工业环境的背景之下，一种常用来做数字运算操作的电子系统。它既可以进行逻辑运算、顺序控制，也可以进行定时、计数、数学运算等操作。虽然它中间的运算是采用的数字模式，但是它的输入和输出还是采用模拟的信号。这种可编程的控制器，可以控制各类生产的过程。 2.1.2 PLC 的基本结构 1.中央处理器（ CPU） CPU 是 PLC 的核心部件， CPU 模块在 PLC 中相当于大脑和心脏，是整个 PLC控制系统的神经中枢。它的主要功能如下： 接受和储存用户程序和数据 扫描现场设 备的数据和状态，存入数据区 检测和诊断电源，
19、PLC 内部电路工作状态和程序中的语法错误 从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后，去开启或关闭相关控制电路，完成相关的逻辑运算和算术运算。 根据数据处理的结果，刷新相关标识位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。 PLC 中采用的 CPU 一般有三大类：通用处理器、单片机芯片和微处理器。其中小中型 PLC 一般采用微处理器或单片机，而大型的 PLC 大多采用高速位片式处理器。档次越高， PLC 的位次也越多，运行的速度越快，功能也 会更强大。 2.存储器 存储器一般分两种：系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程智能交通灯设计 - 5 - 序，
20、它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改， PLC 要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源， I/O 寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。常用的存储器类型有 CMOS RAM、 EPROM、 EEPROM.由于系统程序用来管理 PLC 系统，用户不能直接存储，因此 PLC 产品中所说的存储类型及其容量，是指用户程序存储器而言。 PLC 中所配用的用户存储器的容量大小有较大 差别，小型的在 8K 以下，大型的可以达到 256K. 3.输入输出（ I/O）模块 输入模块和输出模块简称 I/O 模块，他是联系外部设备和 CPU 模
21、块的桥梁。PLC 的对外功能，主要是通过各种 I/O 接口模块与外界联系的，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。 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。输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来送出 PLC 运算后得出的控制信息，并通过机外 的执行机构完成工业现场的各类控制。 PLC 有多重 I/O 模块，常见的有数字 I/O 模块、模拟量 I/O 模块、快速响应模块，高速计数模块和 PID 控制模块等。 4.电源 PLC 配有
22、开关式稳压电源，用来将外部供电电源转换成供 PLC 内部的 CPU、存储器和 I/O 接口等电路工作所需的直流电源。 PLC 使用 AC 220V 电源或 DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。小型的 PLC 可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供 DC 24V 电源，驱动 PLC 负载的直流电源一般由用户提供。小型 PLC 的电源往往和 CPU 单元合为一体，大中型PLC 都有专门的外部电源部件，驱动 PLC 负载的直流电源一般由用户提供。为防止 PLC 内部重要数据的丢失， PLC 还带有锂电池作为后备电源。 5.编程器 编程器用来生成用户程序，一般
23、分为手持式编程器和图形编程器。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型的 PLC 编程，或者用与现场调试和维护。图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可联机编程，又可脱机编程，操作方便、功能强。 现在，很多 PLC 都可以用计算机作为编程工具，在计算机上直接生成和编辑智能交通灯设计 - 6 - 梯形图或指令表，并可以实现其转换。最重要的是这种程序可以存盘或者打印，也可通过网络远程传送。 6.其他外部设备 PLC 还包含有一些其他的外部设备，如合适磁带机、打印机、 EPROM 写入器等。 打印机
24、 计算机 盒式磁带机 条码扫描仪 输出设备 输入设备 图 2-1 PLC 的基本结构 2.2 PLC 的特点和应用领域 2.2.1 PLC 的特点 1.编程方法简单易学。 PLC 采用一种面向控制过程、面向问题的梯形图语言。梯形图和继电器原理图相似，易学易懂，一般工程师或者工艺人员都可以在短时间内学会。 2.功能完善、适应性强。 PLC 产品已经标准化、系列化、模块化，具有逻辑运算、计时、计数、 A/D 转化、网络通信和生产监控等功能。若工艺条件发 生改变，修改相应的用户程序既可满足要求。 3.安装、设计、调试的工作量少。大量中间继电器、时间继电器、计数器的使用使得安装、设计、接线的工作大大减少。并且 PLC 具有完善的自诊断和显示功能，故障率很低。 4.可靠性高、抗干扰能力强。由于采用微电子技术和大量的无触点半导体电路来控制开关动作，其可靠性比使用机械触电的继电器高很多。 PLC 的输入输出外 设 接 口 输 入 接 口 CPU 电源 I/O 扩 展 接 口 输 出 接 口 编程器 I/O 扩展 单元 指示灯 电磁线圈 . 电磁阀 按钮触点 . 行程开关 存储器 系统 用户 数 程序 程序 据
