基于PLC的十字路口交通信号灯控制系统设计毕业论文.docx

基于PLC的十字路口交通信号灯控制系统设计毕业论文 第1章绪论 1.1 引言 可编程控制器（programmable controller）属于微型计算机的一种，并且最早为工业控制应用而设计制造。由于其在最初功能上只可实现定时、计数以及逻辑控制等功能，故也被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。它具有可靠性高，功能完善，抗干扰性好、结构简单、编程方便、体积小、重量轻等优点，是一种专门用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统并且主要用来代替继电器实现逻辑控制。PLC以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、网络技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制自动化装置。随着现代技术的发展，该装置在功能及构造上己经远远超过了早期的PLC。 交通问题是现代社会发展的一个重要表现，同时也是社会发展的重要依托。交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济与生活的各个方面。无论是在古代还是现代，交通运输都具有十分重要的经济意义和战略意义。在现代经济高速发展的今天，交通问题己经被许多国家和地区提上了日程。如何高效、快捷地出行，是关乎人们生产和日常生活的重要问题。而与之相关的方方面面也就自然而然地成为了人们所研究和关注的焦点。 本课题通过深入地研究PLC的硬件结构与工作方式，成功地将PLC与十字路口交通信号灯联系起来，初步解决了交通拥堵问题。系统地设计了基于PLC的十字路口交通信号灯控制系统，对包括具体信号灯配置、硬件与软件的设计在内的控制环节进行了深刻研究，并且探索了手持式无线遥控装置对于信号灯的控制。 1.2 课题的背景 随着社会的发展和进步以及人民生活水平的提高，上路的车辆越来越多，但相应的公路设施却没有相应的改善。这就导致了城市交通拥堵问题突出，而且拥堵的地方多是十字路口等车辆汇集处。在世界各大城市，交通堵塞尤为严重，尽管人们发明了红绿灯，修建了立交桥，但是交通堵塞问题始终没有解决，使之成为世界性的难题。但城市中的交通堵塞状况严重与否还是或多或少地反映出所在城市的经济发达程度和所处的发展阶段。大多数人选择汽车的初始动机主要是为了出行快捷和节省时间，然 而由于交通堵塞所造成的出勤的低效率，往往使得人们的愿望与实际结果产生较大的差异。 目前国内城市人口密集区，机动车和非机动车数量讯速增长，严重匮乏且陈旧的道路交通设施、布局不尽合理的城市路网已经不堪重负，这些都导致了城区交通拥堵频繁、交通秩序混乱等问题。特别是早晚行车流量高峰期，道路人流、车流量基本处于饱和或超饱和状态，车辆行驶缓慢，加上小商贩占道摆摊设点、车辆随意停乱放，使得蚕食、侵占道路现象比较突出，而“行车难、停车难”已越来越成为中心城区内的一种常态，是城市交通管理的难点和热点。随着城镇人口不断增长，机动车、非机动车拥有量还会逐年递增，城市安全设施建设的滞后性凸显，交通违法事故、治安事件时有发生，城市安全防控已成为了整个社会所关注的焦点。从相关部门的事后查处的结果来看，造成这些现象其中的一个重要原因就是机动车驾驶员在交警视线外违法行驶的情况非常普遍，交通参与者的交通安全意识普遍偏低。随意违法的问题也在很大程度上反映了我区交通秩序管理缺乏科技手段给予支撑的问题，这些都成为我区道路交通事故处在多发态势的主要原因。 面对日益严重的交通拥堵问题，想要仅仅依靠行政措施是远远不够的。解决交通问题还应该利用科技力量对城市交通进行有效的管理，如何对异常的交通拥堵等交通事件进行有效的监督管理，是城市实现智能交通时需要考虑的重点之一。利用交通灯对车流进行管理，无疑是最为便捷且最为行之有效的方法。眼下一个极为迫切的问题就是如何优化目前的交通信号灯系统。 1.3课题研究的目的意义 交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济与生活的各个方面。在世界范围内，随着人口密度高速增长，城市化的脚步不断加快，交通问题日渐严重。龙其在国际性大都市，拥挤的交通己经造成了巨大的能源损失和环境污染，同时也给人们的生活带来了巨大的困扰。在我国这个情况尤为突出。 这就说明了交通路口的车辆指挥工作是极为重要的一环，而疏导交通的主要工具.交通信号灯的性能就更为重要。以往的交通灯大都采用继电器或单片机来实现，虽然简单可控成本低，但同时也存在着功能少，可靠性较差，维护量很大等缺点。 目前我国的交通信号灯主要靠单片机甚至是更初级的控制方式。该控制方式虽然简单易行，但由于单片机工作稳定性差、易受外界干扰、可实现功能少且联网性差，己越来越不能适应现代化都市对于交通控制的需求。而国内外到目前为止尚无完善的 解决方案，这就为PLC的研发应用提供了广阔的空间。PLC控制的信号灯的出现使得该问题迎刃而解。 和单片机控制的十字路口信号灯相比，用PLC进行控制主要是考虑PLC具有很强的环境适应性，同时其内部定时器资源非常丰富，可对交通灯进行精确控制。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、网络技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制自动化装置。可靠性高，功能完善，抗干扰性好、具有结构简单、编程方便、体积小、重量轻等优点，是一种专门用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统。 PLC对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源丰富，可实现精确控制，且具有通讯联网功能，可以将相关路口统一调度管理。并且由于PLC内部均配有实时时钟，因此通过PLC控制可对交通灯实施全天候无人化管理。另外因为PLC具有通信联网功能，所以可以将同一条道路上的交通灯组成局域网进行的统一调度管理，这样就可以缩短车辆等候时间，进而实现科学化管理。该课题的提出和研究有利于填补国内外PLC应用领域的空白和不足，充分发挥PLC 在现代工业控制中的优越性。 也正是因为如此，如何充分地利用PLC系统的控制优势，使其适应现在的交通状况，成为竞相研究的课题。 1.4 国内外现状及未来发展趋势 1.4.1 国外发展现状 在交通信号灯的控制方面，国外尤其是欧美等发达国家，PLC控制的交通信号灯在大中城市甚至是小城填也早己数见不鲜。在日常出行中，高质量的交通信号无疑也对车的智能控制和减少交通拥堵上起到了至关重要的作用。而且由于PLC具有高可靠性和超长寿命的优点，平时并不需要人工维护，这在人力资源奇缺的西方发达国家来说，是节约劳动力的最好方式。 目前，世界上大约有200家PLC生产厂商，400多品种的PLC产品，按地域来说可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品也都各具自己的特色。如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC设计先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位,以PLC为基础的红绿灯在各大城市并不少见，各个PLC生产公司也因此大获其利。就这一角度来说，以PLC控制的信号灯将极具竞争力。 PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其在应用方面受到了限制。但近十多年以来，PLC的应用面却越来越广。究其原因，主要是一方面由于微处理器芯片有关的元件价格大为下降，这使得PLC的成本迅速下降；另一方面PLC的功能大大增强，也能够解决复杂的计算以及通信问题。PLC的应用范围通常可分成5种类型，它们分别是：顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理和通信网络。 在工业自动化领域中，国外的PLC己经成为大多数自动化系统的设备基础，由于综合了计算机和自动化技术，PLC的发展更是日新月异，现在己经很大程度地超过了其刚刚出现时的技术水平。 1.4.2 国内发展现状 虽然PLC在国外的研究己得到了长足的进步，但我国工业企业的自动化程度还普遍较低，不仅PLC产品应用范围有限，生产PLC的厂家也是凤毛麟角，如机械行业80%以上的设备仍然采用传统的继电器和接触器进行控制。PLC在我国的应用潜力远远没有得到充分发挥，PLC产品还有着很大的应用空间。虽然我国大中型企业普遍采用了先进的自动化系统对生产过程进行控制，但绝大部分的小型企业还尚未应用自动化系统和产品对生产过程进行控制。对于交通灯这种技术要求不太高的控制，与PLC有关的研究更是无人问津。 近几年来，随着上路的车辆越来越多，与此同时城市交通拥堵问题日益突出，城市交通问题己成为了关乎人民正常生活与否的重要一环。合理的交通控制方法能有效的缓解交通拥挤、减少尾气排放及能源消耗、缩短出行延时，改善我国独有的交通问题，所以对交通信号控制方法的研究具有重大意义。 当前我国的十字路口信号灯还主要靠单片机控制，该控制方式虽然简单易行，但由于单片机工作稳定性差、易受外界干扰、可实现功能少且联网性差，己越来越不适应现代化都市对于交通的需求。本文要研究的由PLC控制十字路口交通信号灯正是为了解决上述问题运应而生。PLC凭借其高精度、高可靠性及长寿命为其在交通信号灯的控制上提供了巨大的发展空间。 我国在“十五”规划中就已明确提出了“用信息化带动工业化”的发展计划，大量传统产业的自动化改造将为PLC控制。我国的工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，按目前的经济形势分析，我国将迎来一个PLC市场高速增长的时期。 1.4.3 未来发展趋势 和单片机控制的十字路口信号灯相比，用PLC进行控制主要是考虑PLC具有很强的环境适应性，同时其内部定时器资源非常丰富，可对交通灯进行精确控制。由于PLC 内部均配有实时时钟，因此通过PLC控制可对交通灯实施全天候无人化管理。另外因为PLC具有通信联网功能，所以可以将同一条道路上的交通灯组成局域网进行的统一调度管理，这样就可以缩短车辆等候时间，进而实现科学化管理。正是由于PLC较之单片机及其它控制的种种优点，以PLC取代城市现有的交通灯控制方法是势在必行的。 城市的交通系统是一种时刻变化且非线性的系统。以往的交通控制方面的研究多倾向于实际操作的考虑而非基于理论控制的方法。近年来，随着众多研究控制理论的学者教授的参与，城市交通的自动控制领域方面的研究出现了新的思路和方法，人工智能是新的研究方法之一。 人工智能是将PLC控制与智能化计算机结合，利用模糊控制与神经网络控制的技术进行十字路口交通信号灯控制能够取得比定时控制更为有效的结果。这是今后的交通信号灯的主要研究方向。将模糊控制和神经网络控制两者结合起来用于十字路口交通信号灯的控制将很有可能成为今后交通信号灯控制研究的重点，所以对其进行一次系统全面的研究是十分必要的。 1.5 课题研究的主要内容 本设计主要研究了基于PLC的十字路口交通信号灯控制。十字路口信号灯系统的具体构成元素包括：东、西、南、北方向装有主干道直行“红绿黄”灯和左转“红绿黄”灯，人行道红、绿灯和四个数码管倒计时显示装置以及手持式无线控制器。 1.信号灯的设计 PLC系统的信号灯的设计主要是各个方向的红、黄、绿灯信号。对于南北方向上某一行车方向的信号灯输出，本设计共设置了三组信号灯，其中两组车信号灯，分为直行红、黄、绿灯和左转红、黄、绿灯，另外一组是人行道上的红、绿灯。南北向和东西向灯均以120s为一个循环周期，以南北向红黄绿灯来说 （1）直行红黄绿灯，该组信号灯的3个灯以绿灯（35s）黄灯(5s) 红灯（80s）依次循环。 （2）左转红黄绿灯，该组信号灯的3个灯以红灯（35s）绿灯（15s）黄灯(5s) 红灯（60s）依次循环。 （3）人行道红绿灯，各自以红灯（35s）绿灯（85s）依次循环，并且与直 行方向与左转方向绿灯状态相反。 东西方向信号灯与南北向配置相同，但亮、灭状态相反。即在某一方向为绿灯时，另一方向为红灯或黄灯。 2.倒计时数码显示的设计 数码显示主要是为了显示各个信号灯的倒计时时间，由于系统对于信号灯倒计时的显示并无特殊要求，故本设计采用了七段数码管。对于普通七段数码管，其供电电压为24V时即可正常工作，故电源采用外部接入直流24V供电。数码管一端接外部电源，一端接PLC的COM口。 本设计中四个方向数码管共设置了四组，分别是南北方向和东西方向，每一方向各设两组，且每一方向的两组数码管显示示内容完全相同，所以其对应的输入端共用一个输入信号。对于某一组数码管，又分为了个位数字显示和十位显示。每组数码管分别用来显示直行、左转灯当中的绿、黄灯倒计时时间以及处于绿、黄灯间隔中的红灯的倒计时时间。 3.手动无线强通的设计 对于手动无线强通的设计，本文主要是通过AT89SC052单片机来实现的。本设计在南北方向和东西方向车道上各配置了一个点动按键式红外遥控器，通过单片机的发射发出红外信号并通过接收端接收后译码，并将信号送至PLC输入端，从而起到开关的作用。 对于无急车时，按照正常循环时序控制。当有急车来时，打开急车强通开关，不管原先信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止。当断开强通开关时，PLC即复位，以正常时序时进行控制。急车强通控制只能响应一条路上来的控制信号，基两条交叉路均有信号到来，则先响应先来的一方，再响应另外一方。 遥控接收器是根据接收到的不同频率的红外光信号，由CPU转化为相应的控制方法进而对控制电路实施控制。无线遥控系统就其组成来说，主要分为发射电路、接收电路及外围控制电路等部分。最后通过接收电路的输出端与PLC输入端相连以完成控制功能。该设计的特点是对于紧急通过的车辆，可以进行人性化管理，确保该车顺利通过，最大限度地利用PLC的现代控制优势，充分发挥信号灯应有的作用。本设计的研究技术路线如图1.1所示： 第2章控制系统总体方案与技术要求 2.1系统的基本要求 2.1.1 信号灯的基本构成 十字路口交通的具体的交通灯分布如图2.1所示，在十字路口的东、西、南、北方向装有主干道直行“红绿黄”灯和左转“红绿黄”灯，人行道红、绿灯和四个计数器以及手持式无线控制器。 图2.1交通灯分布 1.南北主干道 南北主干道的交通灯有6个，分别是左转红灯、左转绿灯、左转黄灯、直行红灯、直行绿灯和直行黄灯。 2.东西主干道 东西主干道的交通灯也是6个，分别是左转红灯、左转绿灯、左转黄灯、直行红灯、直行绿灯和直行黄灯。 3.人行道 南北向人行道和东西向人行道各2个，分别是红灯和绿灯。 4.计时器 分为南北向和东西向计时器，分别显示南北和东西方向的倒计时时间。 5.无线控制器 可以实现人工对某一方向信号灯的强通控制。 2.1.2 基本控制要求 交通信号灯控制系统的要求是能够实现“正常循环运行”和“无线手动强通控制”两种控制方式。 1.正常循环运行 交通信号灯的正常循环运行逻辑流程图如图2.1所示，具体控制要求如下： （1）按下启动按钮后，交通信号灯系统开始工作。先亮南北方向绿灯和东西方向的红灯，再亮东西方向绿灯和南北方向红灯，然后再亮南北方向绿灯和东西方向的红灯，如此一直循环运行。 （2）南北向主干道直行绿灯先亮35s，再亮直行黄灯5s，然后是直行红灯亮80s；同时南北向左转红灯先亮40s，其次左转绿灯亮15s，然后是左转黄灯亮5s。 （3）东西主干道直行红灯先亮60s，其次是直行绿灯亮35s，最后是直行黄灯亮5s；同时东西向左转红灯亮100s,其次是左转绿灯亮15s，最后是左转黄灯亮5s后转至左转红灯，依次循环。 （4）南北向和东西向人行道均设有红灯、黄灯、绿灯。人行道上的红、黄、绿灯与同方向主干道上的直行红、黄、绿灯运行方式相同。 图2.2交通灯正常循环运行流程图 2.无线手动强通控制 无线手动强通控制是为了适应警车、救护车等急车所设计的，它可以实现对某一方向灯的开关控制，其逻辑流程图如图2.3所示。具体控制要求如下： （1）强通控制受无线遥控开关控制。无急车时，按照正常循环时序控制。当有急车来时，打开急车强通开关，不管原先信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止。当断开强通开关时，PLC即复位，以正常时序时进行控制。 （2）急车强通控制只能响应一条路上来的控制信号，基两条交叉路均有信号到来，则先响应先来的一方，再响应另外一方。 （3）当无线强通停止按钮按下后，该信号将原先的强通电路关闭，同时PLC复位，各个通路以初始状态为起始点开始循环运行，进入原先的运行状态之中，道路恢复通车。由于该过程对时间的要求并无限制，所以该系统同时还可以作为交通故障及道路施工时关闭交通来用。