十字路口交通灯控制模拟

目录
1. 概述 (1)
2. 硬件设计 (2)
2.1.控制要求 (2)
2.2. PLC介绍 (3)
2.2.1 PLC的基本概念 (3)
2.2.2 PLC的主要特点 (4)
2.2.3 PLC的结构及其工作原理 (4)
2.4.I/O分配表 (7)
2.5.I/O接线图 (8)
3. 软件设计 (9)
3.1设计梯形图 (9)
3.2设计指令表 (12)
4. 调试 (15)
4.1 . 编程思想 (15)
4.2. 控制系统的程序调试步骤 (15)
4.3. 调试过程遇到的问题及解决方法 (15)
5. 结束语 (16)
6.参考文献 (17)
1.
1. 概述
十字路口交通指示灯在日常生活中随处可见，设计安全可靠的交通灯在正常生活中起着重要作用。

应用PLC设计满足要求实际要求的十字路口指示灯是一个非常重要的手段。

PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术.半导体技术.自动控制技术.数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。

PLC以其可靠性高.灵活性强.使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。

本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。

通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。

2.硬件设计
2.1.控制要求
在十字路口南北方向以及东西方向均设有红，黄，绿3只信号灯，6只信号灯依一定的时序循环往复工作。

信号灯受电源总开关控制，接通电源，信号灯系统开始工作；关闭电源所有的信号灯都熄灭，程序自动关闭。

在晚上车辆稀少时，要求交通灯处于下班工作状态，即两个方向的黄灯一直闪烁。

在信号灯工作期间，东西以及南北方向的红灯亮维持30秒，在红灯亮时的最后2s，东西以及南北方向的黄灯同时闪烁，时间为2s，东西以及南北方向的绿灯为长亮25s，然后闪烁3s。

下图为交通灯示意图
2.2.总体思路
上表显示了交通灯控制具体要求
启动I0.0 东西绿灯Q4.0 东西黄灯Q4.1 东西红灯Q4.2
南北绿灯Q4.3 南北黄灯Q4.4 南北红灯Q4.5
30s 25s 3s 2s 此图为交通灯时序图
2.2. PLC 介绍
2.2.1 PLC 的基本概念
可编程控制器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。

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。

国际电工委员会（IEC ）先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年2 月通过了对它的定义:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业
东西方向 信号灯
绿灯亮 绿灯闪亮 黄灯亮 红灯亮 黄灯亮
信号时间 25s 3s 2s 2s 30s
南北时间 信号灯 红灯亮 绿灯亮 绿灯闪亮 黄灯亮
黄灯亮
信号时间 2s 25s 3s 2s
环境应用而设计的。

它采用一种可编程的存储器，用于存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时以及计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式I/O 控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。

2.2.2 PLC 的主要特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

2.控制系统结构简单，通用性强
在PLC 控制系统中，只需要在PLC 输入/输出端子上接入相应的信号线即可，不需要连接如继电器之类的低压电器和大量而又复杂的硬件接线线路，大大简化了控制系统的结构。

3.编程方便，易于使用
PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

4.体积小，维护操作方便
PLC 体积小，质量轻，便于安装，不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

2.2.3 PLC 的结构及其工作原理 1. PLC 的基本结构
主机
电源
微处理器(CPU)
运算器控制器
输入单元
存储器
EPROM (系统程序)RAM (用户程序)外设I/O 接口I/O
扩展接口用户输入设备
输出单元
用户输出设备
I/O 扩展接口
EPROM 写入器打印机
盒式磁带机
编程器
外部设备
PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。

1.中央处理器(CPU)
中央处理器(CPU)一般由控制器运算器和寄存器组成。

它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。

用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。

2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。

(1)系统存储器
系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器，它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。

(2)用户存储器
用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。

3.输入/输出接口单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。

4.扩展接口和通信接口
PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：
(1)扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。

(2)通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。

5.电源部分
PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位于PLC的中央处理器、存储器等中。

电路提供5V、12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。

6.编程设备
编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

7.其他部件
有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展功能。

2. 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
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2.用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

3.输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU 按照I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时才是PLC 的真正输出。

2.3.系统设计流程示意图
Y
N
Y
N
2.4.I/O 分配表
输入设备 输入继电器
代号 功能 SB1 工作按钮 I0.0 SB2 停止按钮 I0.1 SB3 下班按钮 I0.2 HL 2G
东西绿灯
Q4.0 停止运行 启动运行 指示灯按白天设定要求指示 指示灯按夜间设定
要求闪亮
东西.南北红灯亮均亮
切换夜间按
钮ON ？
故障?
HL2Y东西黄灯Q4.1
HL2R东西红灯Q4.2
HL1G南北绿灯Q4.3
HL1Y南北黄灯Q4.4
HL1R南北红灯Q4.5
HL 故障指示
2.5.I/O接线图
4L Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5
4M I0.0 I0.1 I0.2
SB1 SB2 SB3
3.软件设计3.1设计梯形图
3.2设计指令表
4.调试
4.1 . 编程思想
本设计是用PLC控制十字路口交通灯，用PLC控制可以实现更多功能，同时也比较简单。

由于现在越来越多的人拥有自己的汽车，从而使交通变得很繁忙，而白天晚上交通的流量有所不同，同时也为了适应不同路段的交通繁忙程度，所以本设计了白天时段和晚上时段可以切换的程序，从而是本设计的实用性更强。

4.2. 控制系统的程序调试步骤
1）对于比较复杂的控制系统，需要绘制系统流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。

由于本控制系统简单就可以省略这一步。

2）设计梯形图。

这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。

要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。

3）将程序输入到PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。

4）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。

4.3. 调试过程遇到的问题及解决方法
1）在起初情况，按下转换开关，根据设计的要求,应该亮的灯有“南北红灯”、“东西绿灯”，由于设计中未考虑周全，当按下转换开关时，不仅“南北红灯”、“东西绿灯”亮，而且“南北绿灯”、“东西红灯”也亮，断电后，对程序进行检查，发现把程序转换到高峰时段后，没有对定时器终止，所以才会出现灯亮混乱的情况。

2）设计中，当程序处在早上八点之后的正常时段时，程序运行了一个周期后，就不再循环了。

断电后对程序进行检查，发现程序执行完一个周期后，定时器没有被复位，检查得知是因为分段控制不当。

对程序进行修改后，调试后都正常。

5.结束语
我趁着做课程设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

经过两个星期的设计里，过程曲折可谓一语难尽,每个图亲手绘制起来真的好费劲，花了很多心思，但还是有好多地方不规范，请老师谅解。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

6.参考文献
［1］张立科《PLC应用开发技术与工程实践》人民邮电出版社［2］夏辛明《可编程控制器技术及应用》北京理工大学出版社［3］石建华《PLC应用技术》电子工业出版社［4］钟肇新彭侃《可编程序控制器原理及应用》华南理工大学出版社［5］戴仙金《西门子S7-200系列PLC应用与开发》中国水利水电出版社［6］罗宇航《流行PLC实用程序及设计》西安电子科技大学出版社。