十字路口交通灯智能控制设计

毕业论文
题目十字路口交通灯智能控制设计
班级
专业
分院
指导教师
2012年11月15日
目录
摘要 (1)
绪论 (2)
第一章 PLC 的基础知识 1.1 PLC 的概述 (3)
1.2 PLC 的特点 (3)
1.3 PLC 的工作原理和内部运作方式 (3)
1.3.1. PLC 的工作原理 (3)
1.3.2. PLC 内部运作方式 (3)
1.4 PLC 的应用 (4)
1.5 PLC 的发展趋势 (4)
第二章交通灯控制系统的硬件选择 (5)
2.1 可编程控制器 PLC 的选型 (5)
2.2 十字路口平面图 (5)
2.3 十字路口交通灯示意图 (5)
2.4 LED 灯的选择 (6)
第三章功能指令和数码管介绍 (7)
3.1 BIN 减法指令（SUB） (7)
3.2 BCD 码变换指令 (7)
3.3 七段译码指令（SEGD） (8)
3.3.1.指令格式 (8)
3.3.2.SEGD 指令的助记符功能操作数和程序步如表 3-3所示。

(8)
3.3.3指令说明 (8)
3.4 交替输出指令（ALT） (9)
3.4.1指令格式 (9)
3.4.2.指令说明 (9)
3.5 七段共阴极数码管引脚图设计 (10)
4.1 交通灯工作流程图设计 (11)
4.2 交通灯的 I/O 分配表设计 (13)
4.3 交通灯的外部接线图 (14)
4.4 梯形图设计思路 (16)
小结 (18)
致谢 (19)
参考文献 (19)
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

城市交通控制系统是用于城市交通数据监测，交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥中最重要的组成部分。

随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京，上海，南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80 年代后期，这些城市纷纷修建城市高速公路，在高速公路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。

然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。

而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路和普通道路耦合出交通状况的制约。

所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道，城区与周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。

关键词: PLC 可编程控制器、交通型号灯、可靠性高。

1918年，出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。

信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。

随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。

人多、车多、道路少的现象更加明显了。

这就迫切需要进一步提高道路的运行能力，如何提高呢，那就是进一步完善控制系统。

过去交通灯一般采用手动控制或单片机控制，在控制和维护上存在许多不足之处。

1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台可编程控制器并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动化控制。

此后日本、德国等相继引用可编程控制器，使之迅速发展起来。

20 世纪 70 年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，可编程逻辑控制器更多地具有了计算机的功能，做到了小型化和超小型化。

现今，PLC 的价格越来越合理和自动化程度越来越高，在工业自动化中应用越来越广泛。

为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。

用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，能够更高效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。

分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种较合理的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。

第一章 PLC 的基础知识
1.1 PLC 的概述
可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。

但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC,PLC 自 1966 年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。

1.2 PLC 的特点
可编程控制器之所以能够高速发展，除了顺应工业自动化的客观需要外，还由于其具有许多适合工业控制的独特优点，能较好地解决工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，其主要特点如下：（1）可靠性高，抗干扰能力强
（2）编程简单，操作方便
（3）系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便
（4）体积小，能耗低
1.3 PLC 的工作原理和内部运作方式
1.3.1. PLC 的工作原理
当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间， PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段
（2）用户程序执行阶段
（3）输出刷新阶段
1.3.
2. PLC 内部运作方式
PLC 内部并非实体上具有继电器、计时器与计数器等硬件，而是以内存与程
式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。

因此能大大减少控制器所需之硬件空间。

实际上 PLC 执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入 CPU 中并最后执行控制运作。

整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”。

1.4 PLC 的应用
目前，可编程控制器在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输以及环保等各行各业。

随着可编程控制器性价比的不断提高，其应用范围正在不断扩大，目前可编程控制器的用途大致可以归纳为以下几个方面：
（1）开关量的逻辑控制
（2）运动控制
（3）过程控制
（4）数据处理
（5）通信联网
（6）在计算机集成制造系统中的应用
1.5 PLC 的发展趋势
近年来，可编程控制器发展的明显特征是产品的集成度越来越高，工作速度越来越快，功能越来越强，使用越来越方便，工作越来越可靠，具体表现为：（1）向微型化、专业化方向发展
（2）向大型化、高速度、高性能方向发展
（3）编程语言日趋标准
（4）与其他工业控制产品更加融合
（5）与现场总线相结合
（6）通信联网能力增强
第二章交通灯控制系统的硬件选择
2.1 可编程控制器 PLC 的选型
PLC 的选型问题在系统的设计中很重要，在交通灯的设计中也同样比较重要，不管从安全、可靠，还是经济上考虑，都应该选择相匹配的型号可编程控制器去控制系统的运行。

如何选择相匹配的可编程控制器呢？大概应该从以下几点来考虑、选择：
（1）可编程控制器的结构
（2）I/O 点数
（3）用户存储器的容量
（4）电源、接地等
综上所述，这次交通灯的设计选择 PLC 的型号为：
三菱 FX2N-80MR-001型PLC，再加10个左右扩展单元输出点数。

2.2 十字路口平面图
每个地方十字路口的平面图都有不同之处，我这次设计交通灯十字路口的平面图是六车道的。

我个人认为比较合理，每个车道都可以独立通行，互不影响。

路口平面图如图 2-1 所示。

图 2-1 十字路口平面图(上北下南) 图2-2交通灯示意图
2.3 十字路口交通灯示意图
本次设计交通灯的布局是每个方向从左到右分别是：向左、向前、向右和 LED 数码管计时器。

再加上每个方向人行道两头的人行红绿灯。

具体如图 2-2 所示：
2.4 LED 灯的选择
本次设计的交通灯共用到两种型号的 LED 灯。

一种是红绿双色三引脚变色 LED 灯，另一种是红绿黄三色四引脚变色 LED 灯。

具体选择如表 2-1 所示。

第三章功能指令和数码管介绍
3.1 BIN 减法指令（SUB）
二进制减法指令：FNC21 SUB [S1·] [S2·] [D·]。

其中[S1·]、[S2·]为被减数和减数源元件，[D·]为差目元件。

功能：将指定两个源软元件中有符数，进行二进制代数减法，相减结果差送入指定的目元件中。

二进制减法指令概要如表 3-1。

SUB指令进行的是二进制有符数减法代数运算，减法指令影响标志位：
①相减结果为 0，零标志位 M8020=1；
②相减发生借位，借位标志 M8021=1；
③若相减发生进位，进位标志M8022=1。

若将浮点数标志位M8023置1，则可以进行浮点数减法运算。

图 3-1 为减法指令 SUB 的示例梯形图，对应的指令为：SUB Kl0 D10 D20.
在图 3-2 中，如 X010 接通，执行减法运算，将 10 与 D10 中的内容相减，结果送入 D20 中，并根据运算的结果使相应的标志位置 1。

SUB 指令的32 位脉冲操作格式为：（D） SUB （P）[S·] [D·]，这时，指令中给出的是源、目软元件的首地址。

3.2 BCD 码变换指令
BCD 码变换指令： FNC18 BCD [S·] [D·]。

其中[S·]为被转换的软元件， [D·]为目标软元件。

功能：将指定软元件的内容转换成 BCD 码并送到指
定的目软元件中去。

再译成 7 段码，就能输出驱动 LED。

BCD 码变换指令概要如表 3-2。

如果指令进行 16 位操作时，执行结果超出 0～9999 范围将会出错；当指令进行 32 位操作时，执行结果超过 0～99999999 范围也将出错。

PLC 中内部的运算为二进制运算，可用 BCD 指令将二进制数变换为 BCD 码输出到七段显示器。

BCD 指令常用于将 PLC 中的二进制数变换成 BCD 码输出以驱动 LED 显示器。

3.3 七段译码指令（SEGD）
3.3.1.指令格式
3.3.2.SEGD 指令的助记符功能操作数和程序步如表 3-3所示。

7段译码指令 SEGD 将源操作数指定的元件的低 4 位中的十六进制数译码后送给 7 段显示器显示，译码信号存于目标操作数指定的元件中，输出时要占用 7 个输出点。

3.3.3指令说明
七段码译码指令（SEGD）用于控制一位七段数码管，如图 3-2 所示。

3.4 交替输出指令（ALT）
3.4.1指令格式
3.4.2.指令说明
交替输出指令（ALT）相当于前面讲过的而分频电路或单按钮起动停止电路。

如图 3-6 所示，在 X0 的上升沿，M0 的状态发生翻转，由 0 变为 1，或由1变为 0.
3.5 七段共阴极数码管引脚图设计
本次设计共用红绿双色三引脚和红绿黄三色四引脚两种 LED 数码管。

具体如图 3-4 所示。

第四章交通灯控制系统设计
4.1 交通灯工作流程图设计
说明：顺序为先南北方向开始计时，相应的绿灯方向通行；45 秒后，东西方向开始计时，相应的绿灯方向通行，再过45后，一个运行周期结束，开始下一个周期运行，循环运行。

工作流程图如图 4-1 所示。

4.2 交通灯的 I/O 分配表设计
本次交通灯的设计共用启动、停止两个输入按钮；用 22 个发光二极管控制红绿灯， 14 个发光二极管控制 LED 数码管,还有两个红绿公共用的输出接点。

具体如表 4-1 所示：
4.3 交通灯的外部接线图
在本次设计中，用 X0、X1 两个 PLC 输入点作总的启动和总的停止用；用Y2～Y7、 Y10～Y17、Y20～Y27 共 22 个 PLC 输出点控制十字路口红绿灯工作；用 Y0、Y1、Y30～ Y36、Y40～Y46 共 16 个 PLC 输出点控制南北东西方向七段数码管倒序计时；用 PLC 的 COM0～COM9 共 10COM 端。

具体如图 4-2、4-3 所示。

图4-2中的 Y0、Y1，Y30～Y36、Y40～Y46分别接图4-3对应的接口。

4.4 梯形图设计思路
当启动按钮 X0 接通，交通灯系统开始工作，七段数码管开始倒序计时，先南北道左转、右转和东西道右转绿灯亮，南北道直行、人行红灯亮，东西道左转、直行、人行红灯亮；
15秒后，南北道左转、右转和东西道右转绿灯开始闪烁，南北道直行、人行红灯亮，东西道左转、直行、人行红灯继续亮；
18秒后，南北道左转、右转和东西道右转绿灯闪烁停止黄灯亮，南北道直行、人行红灯亮，东西道左转、直行、人行红灯继续亮；
20秒后，南北道右转、左转黄灯熄灭红灯亮，南北道直行、人行绿灯亮，东西道右转黄灯熄灭红灯亮，东西道左转、直行、人行红灯继续亮；
40秒后，南北道直行、人行绿灯开始闪烁，南北道左转、右转红灯继续亮，东西道左转、右行、直行、人行红灯继续亮；
42秒后，南北道直行、人行绿灯继续闪烁，东西道人行红灯开始闪烁，东西道左转、直行红灯熄灭黄灯亮，东西道右转红灯开始闪烁，南北道左转、右转红灯继续亮；
43秒后，南北道直行绿灯闪烁停止黄灯亮，东西道右转红灯继续闪烁，南北道人行绿灯继续闪烁，南北道左转、右转红灯继续亮，东西道人行红灯开始闪烁；
45秒后，通过交替功能指令再去执行东西方向控制，循环控制；当按下停止按钮 X1 时,交通灯控制系统停止运行。

本系统是采用基本逻辑指令和部分功能指令进行编程的。

对于这次城市十字路口智能交通灯的控制系统设计，其核心之处就在于如何设计程序。

通过将近一个月的毕业设计，让我学到了很多，使我与“现实”更加接近。

这次毕业设计我设计的是城市十字路口带LED 倒序计时器交通灯控制系统。

刚开始我试着用我们学过的基本指令来编写程序。

但在调试中发现用基本指令编写的程序需要PLC的输出点太多。

对于本来就比较贵的 PLC 来说就更不实用、更不合理了。

后来有开始试着用步进指令来编写程序，但也没能解决输出点比较多的问题。

而且还遇到了一些新的问题，如每步与每步之间的联系等问题。

最后，用交替（ALTP）功能指令和辅助继电器(M)解决了红绿灯控制输出点多的问题;用减法（SUB）、BCD 代码、七段译码（SEGD）功能指令解决了LED七段数码管输出点多的问题。

通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。

使我在 PLC 基本原理、PLC 应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈进一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。

设计至此，算是告一段落。

这次设计要感谢我的设计指导老师林卓彬老师，每次遇
最后祝愿我们学校以后发展的越来越好！祝愿每位老师身体健康，工作顺利！
参考文献
【1】孙振强.可编程控制器原理及应用教程（第 2 版）.清华大学出版社，2008.
【2】王阿根.电气可编程控制原理与应用.清华大学出版社，2007. 【3】廖常初.PLC 基础及应用.机械工程出版社，2003.
【4】丁骏一.机械制图教程（CAD）.机械工业出版社,1998.
【5】王永华：现代电气及可编程技术，机械工业出社。