PLC十字路口带倒计时显示的交通红绿灯控制系统设计

电气控制与PLC课程设计说明书题 目：十字路口带倒计时显示的交通红绿灯控制系统设计 专业班级： 自动化F1203 姓 名： 郭梦诗 学 号： 201223910429 指导教师： 任胜杰 评语：成绩：指导老师签名： 日期： 目 录1 系统概述22 方案论证3 2.1 系统总体方案设计3 2.2 采用PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制3 2.3 交通信号灯的控制要求4 2.4 信号灯的控制原则5 2.5 交通信号灯的控制时序53 硬件设计7 3.1 系统的原理方框图7 3.2 I/O分配 7 3.3 I/O接线图 8 3.4 元器件选 104 软件设计 11 4.1 主流程 11 4.2 梯形图 125 系统调试 15设计心得16 参考文献171 系统概述当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。本文介绍了一个智能交通灯系统的设计。该智能交通灯控制系统可以实现的功能有：对某市区的四个主要交通路口进行监控；各路口有固定的工作周期，并且在道路拥挤时中控中心能改变其周期；对路口违章的机动车能够即时拍照，并提取车牌号。在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题，也是当今计算机应用中空前活跃的领域。本文主要从单片机的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理，用以控制过往车辆的正常运作。本文将利用PLC来设计一个十字路口带倒计时显示的交通红绿灯控制系统设计. 本次课设将要实现的目标是：采用PLC构成十字路口带倒计时显示的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。系统上电后，交通指挥信号控制系统由一个3位转换开关SA控制。SA手柄指向左45时，交通灯正常工作。正常运行时，南北及东西向均有两位数码管倒计时显示相应指示灯剩余时间值。当SA打向中间位置时，南北绿灯常亮，显示时间为99并保持不变，当SA打向右边位置时，东西绿灯常亮，显示时间为99并保持不变。2 方案论证2.1系统总体方案设计 交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯。交通灯控制示意图如图2.4所示。正常控制时：它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的，置1表示信号灯点亮。SA1手柄指向左45时，接点SA1-1接通，东西向红灯亮30s，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁3s，然后熄灭。在绿灯熄灭的同时，南北向黄灯亮2s，然后熄灭。在该灯熄灭的同时，南北向红灯亮及东西向绿灯亮，以下的变化规律与上述相同。到南北向绿灯亮，东西向红灯亮开始第二个循环，以后周而复始地循环动作。同时南北向及东西向均有两位数码管倒计时显示相应指示灯的剩余时间值。非正常控制时：SA1手柄指向中间0时，接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，数码管显示99不变。SA1手柄指向右45时，接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，数码管显示99不变。2.2 采用 PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制 采用PLC构成十字路口带倒计时显示的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA控制。SA手柄指向左45时，接点SA-1接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图2.1所示工作时序周而复始，循环往复工作。正常运行时，南北向及东西向均有两位数码管倒计时显示牌同时显示相应的指示灯剩余时间值，SA手柄指向中间0时。接点SA-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，数码管显示99不变。SA手柄指向右45时，接点SA-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，数码管显示99不变。转换开关示意图如图2.1所示：图2.1 转换开关2.3交通信号灯的控制要求 随着城市和经济的发展，交通信号灯发挥的作用越来越大，正因为有了交通信号灯，才使车流、人流有了规范，同时，减少了交通事故发生的概率。然而，交通信号灯不合理使用或设置，也会影响交通的顺畅。因此，在实际设计时要遵循一定的原则和要求交通信号灯由红灯，黄灯，绿灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。交通信号灯分为机动车信号灯，非机动车信号灯，人行横道信号灯，车道信号灯，方向指示信号灯，闪光警告信号灯，道路与铁路平面交叉道口信号灯。交通信号灯用于道路平面交叉道口，通过对车辆行人发出行进或停止的指令，使各个同时到达的人，车交通流尽可能减少相关干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口畅通和安全。 在本设计中，我们仅以机动车信号灯为例，来说明它的控制要求。一般的十字路口交通信号灯现场示意图如图2.2所示：图2.2 十字路口交通信号灯现场示意图2.4 交通信号灯的控制原则 其南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯，为确保交通安全，对其控制系统的要求如下。 1) 当东西方向允许通行（绿灯）时，南北方向应禁止通行（红灯）；同样，当南北方向允许通行（绿灯）时，东西方向应禁止通行（红灯）。2) 在绿灯信号要切换为红灯信号之前，为提醒司机提前减速并刹车，应有明显的提示信号：绿灯闪烁。3) 信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。2.5 交通信号灯的控制时序 交通信号灯的控制时序如图2.3所示，它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的，置1表示信号灯点亮，置0表示信号灯点灭.图2.3 交通信号灯的控制时序图3 硬件设计3.1系统的原理方框图 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU主板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU 模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合装配。采用 PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制的系统的原理方框图如图3.1所示：图3.1 系统原理方框图3.2 I/O分配 根据信号灯控制要求，I/O分配图如表3.2所示输入输入文字符号说明文字符号说明SA-1交通灯正常工作控制开关Y0（HL1）南北向绿灯指示SA-2南北向交通灯常绿控制开关Y1(HL2)南北向黄灯指示SA-3东西向交通灯常绿控制开关Y2(HL3)南北向红灯指示Y3(HL4)东西向绿灯指示Y4(HL5)东西向黄灯指示Y5(HL6)东西向红灯指示H11 H12南北向2位七段数码显示管H13 H14东西向2位七段数码显示管表3.2 电路I/O分配图3.3 I/O接线 端子上，另一端接至驱动电源；驱动电源一端与负载相连，另一端则与COM接线方法：各个外部输入元件的一端接X输入接口端子，另一端接至PLC的COM端。FX2N2系列PLC输入电流为DC24V（7mA），X010以后是24V（5mA），即当接入信号为“ON”时，输入接口通入电流需在4.5mA以上，输入信号为“OFF”时，通入电流需小于1.5mA。PLC内部输出继电器线圈和接口端子之间、PLC内部电路与外部负载电路之间均有电隔离。负载接线时一端接在Y输出接口接口端子相连。由于PLC内部输出电路中无保护环节，所以驱动电源与COM接口端子间应设熔断器。 如图3.3所示图3.3电路的 I/O接线图3.4 元器件选型 在对PLC控制系统进行硬件结构设计时，首先，要了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；其次，要分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；再次，要确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等。根据上述原则，我们要选择适合的PLC机型及外设，完成相应的PLC硬件结构配置。因此，PLC的选型是设计中至关重要的一步。 目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种可达数百个，其性能各有特点。所以，在设计时首先要尽可能考虑采用便于学习、掌握、维护方便、备品配件通用性强的PLC。 我国市场上流行的PLC产品有以下几家： 1) 德国西门子(Siemens)公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品； 2) 美国罗克韦尔(Rockwell)公司所属的AB(Allen&Bradly)公司的产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品； 3） GE-Fanuc公司的产品； 4) 法国施耐德(Schneider)公司的产品； 5) 日本三菱、欧姆龙等公司产品。 本次设计的交通信号灯控制系统的主要任务和内容集中在程序编写和梯形图的绘制，由于在本设计中用到了大量的开关量、继电器、计数器以及计时器等。而德国西门子出产的PLC功能全，性价比高，有统一的地址分配，完全可以满足本设计的要求。并且，在目前相关领域的控制设计中，西门子产品的应用比较广泛。4 软件设计4.1主流程系统主流程图如图4.1所示：图4.1 系统主流程图4.2 梯形图 根据设计要求可知，南北向的指示灯与数码管显示完全相同，东西向亦是如此，为了设计简单明了，本设计中只设计南北向中的一向以及东西向中的一向，实际应用中只要相应的在指示灯与数码管处并联相同的装置，即可完成全部四个方向的显示与指示可以设置五个输入X000,X001，X002，X003，X004分别作为系统总启动、总停止、交通灯正常工作控制开关、南北向交通灯常绿控制开关、东西向交通灯常绿控制开关。用其他开关的常闭触点设置互锁，使三个状态不可能同时接通。进入正常工作状态后，东西方向红灯亮30秒，由定时器T5实现，南北方向绿灯常亮25秒，由定时器T0实现，然后绿灯闪烁3秒，由定时器T1、T2来实现0.5秒振荡，计数器C0计数3次。计数到后，C0的常开触点闭合，可以用来控制使南北方向的黄灯亮，并用T3计时2秒。T3计时到后南北红灯亮30秒，由定时器T4实现，东西方向绿灯常亮25秒，由定时器T6实现，然后闪烁3秒，有定时器T7、T8来实现0.5秒振荡，计数器C1计数3次。计数到后，C1的常开触点闭合，可以用来控制使东西方向的黄灯亮，并用T9计时2秒。 由于在各个方向三种信号灯亮的同时还要利用数码管显示相应指示灯的剩余时间，因此可以利用七段码译码指令SEGD。七段码译码指令SEGD是驱动七段显示器的指令，可以显示一位十六进制数据。源操作数S存储待显示数据，该单元低4位(只用低4位)所确定的十六进制数0-F经解码后存于指定的目的操作数D的低8位，高8位保持不变。源操作数可为K、H、KnM、KnX等。由于译码时只对低位进行译码，所以一般取。使用译码指令输出为十六进制数，而本设计所用到的倒计时显示只是十进制数，使用SEGD译码指令需要在其自减到0时进行人为赋值使其变为9，否则将显示F。可见只使用SEGD指令将使程序变得十分复杂。可以采用数据变换指令中的二进制数转换成BCD码并传送BCD指令。BCD变换指令将源元件中的二进制数转换为BCD码并送到目标元件中。PLC内部的算术运算用二进制数进行，可以用BCD指令将二进制数变换为BCD数后输出到七段数码管显示，可以实现倒计时。南北方向数码管显示绿灯28秒倒计时时，可以在东西红灯亮且南北黄灯不亮时，每遇到东西红灯的上升沿，给数据寄存器赋值28，通过BCD指令转换成BCD码，存入八位中间继电器K2M，低4位中间继电器中的值经译码指令由一个数码管输出，高4位中间继电器中的值经译码指令SEGD由另一个数码管输出。上升沿过后，数据寄存器D中的值每秒通过DEC指令自减1，并输出，实现倒计时，其中1秒时间可由1秒的时钟M8013的下降沿来实现，也可以用定时器T的0.5秒振荡电路实现。南北黄灯2秒倒计时可以在黄灯上升沿时赋值，黄灯亮时自减。数码管输出显示方法与前面绿灯时类似。南北方向红灯30秒倒计时在红灯上升沿时赋值，红灯亮时自减，数码管显示方法同上。东西方向的倒计时显示思路与南北方向相同。 当转换开关SA的手柄指向中间0时，X002的常开触点接通，常闭触点断开，交通灯系统转向执行南北绿灯常亮，东西红灯常亮的运行状态。当转换开关SA的手柄指向右45时，X003的常开触点接通，常闭触点断开，交通灯系统转向执行东西绿灯常亮，南北红灯常亮的运行状态。梯形图如图4.2所示： 图4.2 梯形图备注：M0 初始化 M1 南北黄灯 M2 南北绿灯亮 M3 南北绿灯闪 M4 南北黄灯闪 M10 东西绿灯亮 M11 东西绿灯闪 M12 东西黄灯亮 M13 东西红灯亮 M15 运行 Y0 南北绿灯 Y1 南北黄灯 Y2 南北红灯亮 Y3 东西绿灯 Y4 东西黄灯 Y5 东西红灯5 系统调试1）接线。将输入按钮线接好，拨动按钮看输入信号指示灯亮不亮，亮的话表示输入开关正常工作。 2）按下启动按钮SA-1，可以看到Y0和Y6亮了，经过25S，Y0开始闪烁，闪烁三次后，Y0灭了，Y1亮了，Y1亮2S后，Y2亮，Y4亮，25S后Y4开始闪烁，闪三次后，Y4灭，Y5亮，亮2S后，Y5灭，Y6亮，Y0亮，之后依次循环，按下停止按钮SA-1所有灯都灭。按下SA-2，Y0，Y6常亮；按下SA-3，Y2，Y4常亮。心得体会 本次课程设计的作品是十字路口带倒计时显示的交通信号灯控制，通过同学们相互交流与讨论，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。使我们对过去所学知识的掌握又进一步提高，包括单片机原理及接口技术，电气可编程控制原理与应用的知识。我们又查找了很多有关于此课程设计的资料，尤其是PLC的设计，让我们学到了很多知识，课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。尤其重要的是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。对于知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定要把以前所学过的知识认真复习一下。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程与设计问题，最后在肖老师的辛勤指导下，都得到了解决，是我很好地完成了任务。最后，要谢谢老师与同学们的帮助与指导。 总之，本次课程设计使我们综合能力得到大大提高，这是一次难忘的体验，将深深影响我们。参考文献 1 陈以定. 电气控制与可编程控制器. 北京：高等教育出版社，2002. 2 汤以范. 电气与可编程序控制器技术. 北京：机械工业出版社，2004. 3 王庭有. 可编程控制器实用技术原理及应用. 北京：国防工业出版社，2005. 4 常晓玲. 电气与可编程序控制器. 北京：机械工业出版社，2005. 5 蔡红斌. 电气与PLC控制技术. 北京：清华大学出版社，2004.16