十字路口交通灯控制系统设计.doc

本科毕业设计

论文题目 十字路口交通灯控制系统设计
学 院 工学院
专 业 农业电气化与自动化
毕业届别 2011届
姓 名 李小龙
指导教师 杨 米
职 称 讲 师

北京农业大学教务处制
二O一一年六月

28

李小龙：十字路口交通灯控制系统设计
目录
摘要 2
关键词 2
1.绪论 5
2.交通灯通行的方案设计及确定 5
2.1十字路口交通灯控制系统示意图 5
2.2设计方案一 6
2.2.1方案一系统流程图 6
2.3设计方案二 6
2.3.1方案二系统流程图 6
2.4方案比较及确定 7
3.系统硬件的设计 8
3.1硬件设计步骤 8
3.2PLC的选型 8
3.2.1PLC的分类 8
3.2.2输入输出点的估算 9
3.2.3主机型号的选择 9
3.2.4扩展模块的选择 9
3.2.5I/O端口分配 10
3.3硬件设计框图 11
3.4接线图 11
4.软件设计 12
4.1交通灯控制系统流程图 12
4.2软件梯形图 13
5.系统调试 20
5.1硬件系统调试 20
5.2软件系统调试 21
5.2.1 仿真调试图 21
6.总结 23
7.参考文献 24
8.附录：梯形图所对应的语句表 25
9.致谢 29

十字路口交通灯控制系统设计
李小龙
（北京农业大学 工学院 农电班 07级）
摘要：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,尤其是交通拥挤，交通事故等，更是与人们的生活息息相关，影响着人们的生活。在发展中国家，交通问题更加突出，如中国的北京、上海、南京等大城市，每天都有将近一两个小时的堵车，给人们带来的经济损失更是没法计算，这些主要是因为发展中国家政府官员，及交通管理部门在规划道路时，没有充分考虑城市的发展现状、发展速度，及所对应的交通客流量的增长速度，为此，各城市都承担了一定的经济损失。为此，进行了深刻的研讨，本文就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计盘算和试验调试等问题来进行具体剖析讨论.
实现城市交通的合理分配及有效控制，可以用尺度逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等计划来实现.其中用尺度逻辑器件来实现电路在很大水平上要受到逻辑器件如门电路等的影响,调试工作极为不易,单片机应用来进行系统的设计开发也不是很容易,因此,最后选择了用可编程的控制器PLC来实现系统功效的设计。
关键字:PLC 交通灯 程序 报告 设计
Intersection traffic light control system design
LiXiaoLong
(BeiJing agricultural university tech level upgrade class 07
Abstract: with the development of social economy, urban traffic problems and cause the attention of people, especially the traffic congestion, traffic accidents, etc, but also with people's life, affecting people's life. In developing countries, more outstanding traffic problems, such as Beijing, Shanghai, nanjing and other big cities, every day there are nearly an hour or two people brings up traffic, the economic loss but also can't calculation, these mainly because governments of developing countries to officials, and transportation management department in planning road, no full consideration of city development present situation, development speed, and the corresponding traffic volume growth rates, therefore, each city carries a certain economic loss. Therefore, made a profound discussion, this paper the urban traffic control system of circuit principle, design calculation and test commissioning to discuss specific problem analysis.
Realizing urban traffic distribution and effective control, can use dimension logic devices, programmable controller PLC and single-chip microcomputer etc. These plans to achieve with scale logic device to achieve circuit in large level by logic devices such as a gate to the effect of, commissioning work extremely easily, microcomputer application for system design development also is not very easy, therefore, finally chose to use programmable controller PLC to realize the design of system function.
Key word: PLC traffic lights program report design

1. 绪 论

随着人类社会不断发展进步，各种交通工具不断出现，并迅速发展。到上世纪二十年代，车流辆 就达到一定规模，道路开始出现拥挤现象，在各十字（T字）路口交通事故频发，为此，人们开始考虑这一问题，并逐渐摸索疏导交通的方法主要有：
1858年英国出现的简单红蓝灯（以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯）来控制交通，疏导车辆，到后来1869年英国出现的煤气红绿灯，1914年美国出现的电气启动红绿灯（由红绿黄三色圆形的投光器组成），再到1918年出现的带控制的红绿灯和红外线红绿灯。到如今许多十字路口大多选用由单片机或者PLC控制的系统来实现，用电力做为能源。
这些无一不向人们诉说着人类的文明和进步，如果没有这些，人类也不可能发展到今天。交通灯在这里面扮演者非常重要的角色，无论是北京、上海这样的大城市，还是小县城、小乡村，都有十字路口，都有撞车的危险。为了最大限度的保护人们的人身和财产安全，人们不断选用新技术来控制交通，其中最主要的就是十字路口，这就是笔者设计该课题的目的。以前人们普遍用单片机来控制系统，因为那时单片机比较普遍，技术相对成熟，价格也较合理。但随着PLC技术的成熟，人们又不约而同的将目光投向PLC，而是因为PLC相对于单片机，具有高集成度、高可靠性，抗干扰能力强、稳定性好，编程简单等特点，所以笔者选择用PLC来设计该课题。

2. 交通灯通行的方案设计及确定
2.1十字路口交通灯控制系统示意图：

如图所示：
1． 南北为主干道，路中设有花园，东西干道则路面较窄，车流量较小，南北路口设有两组红绿灯，东西路口只有一组。
2．南北方向路灯分别用A、 C表示，东西方向路灯分别用B、 D 符号表示；代表A灯对应北路口方向来车，C灯对应南路口方向来车，B、D灯分别对应东向路口和西向路口来车。
3．分别用 a 、b、 c 、d 代表北 东 南 西四路口人行道路灯。其中，A1 、 A2 代表十字北口红绿灯，C1 C2代表十字南口红绿灯，B D 分别代表东、西路口红绿灯；
4．A2、C2代表直行和右转弯，A1、C1代表左转弯；B、 D代表直行、及左右转弯；南北方向来车还可以在A1、C1红灯亮且A2、C2绿灯亮时绕过花园返回。
2.2 设计方案一
2.2.1方案一系统流程图：

二、人行道路灯通行表：
北（A）
南（C）
东（B）
西（D）
时间
人行道路灯
A1 A2
C1 C2
B
D
a b c d
绿 红
绿 红
红
红
24 S

红 绿
红 绿
红
红
26 S
b d
红 红
红 红
红
绿
30 S

红 红
红 红
绿
红
30 S
a c

2.3设计方案二
2.3.1方案二系统流程图

二、人行路灯控制表：

北（A）
南（C）
东（B）
西（D）
时间
人行道灯
A1 A2
C1 C2
B
D

a b c d
红 红
绿 绿
红
红
25 S
b d
绿 绿
红 红
红
红
25 S

红 红
红 红
红
绿
25 S
a c
红 红
红 红
绿
红
25 S

2.4方案比较及确定
通过对方案一的研究，发现方案一中，南北主干道各采用了两组箭头指示灯，右边指示灯箭头向上，左边箭头指向左。在通行时：先南北双向同时直行及右转弯，再双向同时左转弯通行的方法，最后东西方向则直接用单组红绿灯，采用一边通一边停的方法。在人行道方面：东向路口通行是同时开通a、c段（即东西方向），最后当南北向同时向左边方向通行时b、d 段（即南北方向）同时通行的方法。整体用时间2：02 秒,相对于南北主干道车流量较大，而东西主干道车流量较小的情况，此设计比较合理。
通过对方案二的研究，发现方案二的设计跟普通十字路口一样，红绿灯选用上与方案一的设计完全相同。在通行上选择了一路口通，三路口停的原则，每个路口通行时都为25 S，总时间为 1:49 秒。在人行道设计上选择了a 、b、 c 、d四路依次通行的方法。在总体用时上相对方案一省时，但此方案没有考虑到南北、东西车流量不同的特点，在实际应用时不太实用，有可能造成撞车、道路阻塞的危险。在人道设计方面，太过死板，不灵活，对行人的安全也没保障。
总体来说，方案一更符合现实要求，设计也较合理，是一个可选的方案。
3.系统硬件的设计
3.1 硬件设计步骤
根据可编程控制器设计交通灯硬件部分的设计步骤，本设计的硬件设计步骤如下所示：
（1）PLC的选型；
（2）输入、输出点的估算；
（3）主机型号的选择；
（4）模块的扩展及I/O编址；
（5）输入、输出端子的分配；
（6）画出I/O接线图。
3.2 PLC的选型
PLC有很多型号，如日本的三菱、德国的西门子S7-200、美国的AB公司，以及其他国家和国内的厂家所生产的各种PLC，由于我们只学过德国西门子公司生产的S7-200系列PLC，并且S7-200系列的PLC在近年来普遍受到我国客户的喜爱，以其高集成度、高可靠性，抗干扰能力强、稳定性好，编程简单等特点，夺得了我国大部分市场，所以在此，我选用西门子S7-200系列PLC。
3.2.1 PLC的分类
PLC按照I/O点数的不同，可分为三类：小型机（含微型机）I/O点数在128点以内；中型机，PLC的I/O点数在128~2048之间；大型机，PLC的I/O点数在2048点以上。按结构形式分有两类：整体式结构，如图3.1所示，小型机和微型机都是整体式结构；模块式结构，中、大型PLC多采用模块式结构。

图3.1 整体式结构的PLC示意图
3.2.2输入输出点的估算
通过对前面设计的分析，进过估算，输入接口大有4个，分别为启动按钮，停止按钮；南北向闯红灯检测开关，东西向闯红灯检测开关。输出端大约有18个，如南北向直行，南北向左拐弯，东西向红灯等。
3.2.3主机型号的选择
通过对输入输出点的估算及主机类型表3.1的观察，可以确定选择CPU型号为226。

表3.1主机类型表
型号
主机输入点数
主机输出点数
可扩展模块数
最大扩展电流/mA
CPU221
6
4
无
0
CPU222
8
6
2
340
CPU224
14
10
7
660
CPU226
24
16
7
1000

3.2.4扩展模块的选择
通过选择CPU型号，可以得知输入段接口完全满足需要，输出端口还差两个，根据扩展模块表3.2可知，应该选用了1个8输出端口 电流为50mA的EM222扩展模块。
表3.2 扩展模块表
分类
型号
I/O规格
功能及用途

数字量扩展模块
EM221
DI8*直流24V
8路数字量24V直流输入
EM222
DO8*直流24V
8路数字量24V直流输出（固态MOSFET）
DO8*继电器
8路数字量继电器输出

EM223
DI4/DO4*直流24V
4路数字量24V直流输入、输出（固态）
DI4/DO4*直流24V继电器
4路数字量24V直流输入
4路数字量继电器输出
DI8/DO8*直流24V
8路数字量24V直流输入、输出（固态）
DI8/DO8*直流24V继电器
8路数字量24V直流输入
8路数字量继电器输出
DI16/DO16*直流24V
16路数字量24V直流输入、输出（固态）
DI16/DO16*直流24V继电器
16路数字量24V直流输入
16路数字量继电器输出
3.2.5 I/O端口分配
输入端口：
I0.0 接启动按钮，I0.1接停止按钮，I0.2南北闯红灯检测开关，I0.3东西闯红灯检测开关。
输出端口分配如表4.3和表4.4
表4.3人行道及蜂鸣器端口分配表
方向
其他
东西向
南北向
人行道（红灯）
Q2.0
Q2.2
人行道（绿灯）
Q2.1
Q2.3
闯红灯蜂鸣器
Q2.4
Q2.5
表4.4 交通灯输出端口分配表
方向
颜色
东西向
南北向
东向
西向
←
↑
红灯
Q0.0
Q0.3
Q0.6
Q2.7
绿灯
Q0.1
Q0.4
Q0.7
Q1.0
黄灯
Q0.2
Q0.5
Q2.6
Q1.1
3.3硬件设计框图

图3.4 硬件设计框图
3.4.接线图
根据设计所需的4个输入段和18个指示灯，在南北方向的指示灯有两组，直行（带右转弯）、左转弯，东西向有一组，分别通行和禁止通行。而且每组指示灯都有红、黄、绿三种颜色。PLC型号226，扩展模块EM222，输入端接口分别为I0.0~I0.3，输出端接口分别为Q0.0~Q0.7 和Q2.0~Q2.7,电源采用24V直流电。具体接线图如图3.4所示。

图3.5 仿真接线图

4.软件设计
4.1交通灯控制系统流程图
开始按钮

南北直向绿，东西向红灯，东西向闯红灯检测开启

南北直行黄灯
24 S

3 S
南北左转绿灯，直行红，南北方向人行绿灯

26 S
南北左转黄灯，东西闯红灯关闭，南北方向人行红灯

南北红灯，西向绿灯，南北向闯红灯检测开启
东向黄灯，南北闯红灯关闭，东西方向人行红灯

3 S
3 S

30 S
西向黄灯

3 S
西向红灯，东向绿灯，东西方向人行绿灯

30 S

4.2 软件梯形图

5. 系统调试
5.1硬件系统调试
根据电气接线图安装接线，PLC实际接线时，还应考虑到以下几个方面：
一、应有电源输入线，通常为220V、50HZ交流电源，允许电源有一定的浮动范围。并且必须有保护装置，如熔断器等。若是干扰较强或对可靠性要求很高的场合，应在PLC的电源输入端加装带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。
二、输入端子八个为一组，公用一个COM端。PLC应单独接地，不要和其他电器元件共用接地线，接地线面积应大于2mm²,并尽可能靠近PLC。
三、PLC输出端接有线圈和电磁阀等感性元件时必须加保护电路，例如并接阻容吸收回路（对于交流电源）或续流二极管（对于支流电源）
5.2 软件系统调试
用编程工具将用户程序输入计算机，经过反复编辑、编译、下载、调试、运行，直至运行正确。
打开梯形图编辑器将程序输入电脑。程序输入完成后，用CPU的下拉菜单或工具条中编译快捷按钮对程序进行编译，编译后在显示器下方的输入窗口显示编译结果，并能明确的指出错误的网络段，可以根据错误的提示对程序进行修改，然后再编译，一直到编译无误。
程序编译成功后，单击标准工具条中下载快捷按钮打开文件菜单，选择下载项，弹出对话框，经选定程序块、数据块、系统块等下载内容后，按确认按钮将选中内容下载到PLC的存储器上。
当PLC工作方式开关在TERM位置时还可用STEP—MICRO/WIN32的菜单命令或快捷按钮都可以对CPU工作方式进行软件设计。
使用程序编辑器还可以在PLC运行监视程序执行的过程和各元件的状态及数据，打开调试菜单选中程序状态。这时闭合触点和通电线圈内部颜色变蓝。在PLC的运行工作状态随输入条件的改变定时及计数过程的运行，每个扫描周期的输入阶段将各个期间的状态刷新，同时还可以动态显示各个定时与计数器的当前值，以便在线动态观察程序的运行，出现错误易于发现更改。在STOP状态下对程序进行修改编辑，重新编译、下载、监视运行，如此反复修改调试，直到得到正确运行结果。
5.2.1仿真调试图
根据前面确定的方案及软硬件设计，我们进行仿真调试，其调试结果见图5-1~5-3所示。

图5-1 仿真图
图5-1为交通灯运行第一阶段的调试图，分别为南北向交通红灯、东西交通绿灯、南北右转绿灯亮、东西行人绿灯、南北行人红灯都是点亮状态，所以，符合交通信号灯第一阶段运行状况。

图5-2仿真图
图5-2为交通灯运行第二阶段的调试图，分别为南北向直行交通红灯、东西向交通红灯、南北向左转绿灯、南北行人绿灯、东西行人红灯都是点亮状态，所以，符合交通信号灯第二阶段运行状况。

图5-3仿真图
最后图5-3为交通信号灯停止调试图，无论交通信号灯处于何种运行状态只要按下停止按钮信号灯就立即停止工作。
6. 总 结　
本系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了对交通灯的控制。
利用梯形图程序可以很直观的看出运行过程。利用可编程控制器控制交通灯，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，到达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。
交通灯的设计课题，介绍了PLC的结构配置、工作原理、编程方法；并在此基础上介绍了PLC控制系统的设计原则、设计步骤、硬件设计、软件设计等。
本课题是以实际生活中的设计,运行、管理,维护安装为目的，培养学生应用 PLC解决实际问题和独立工作的能力，培养实事求是、严肃认真、细致踏实的工作作风，为将来从事自动化设备的生产、调试、安装打下必要的基础。使我们熟练掌握 PLC的硬件配线，熟悉PLC的编程规则，熟悉编程软件的使用，掌握应用PLC解决生产实际问题的方法及步骤。通过设计，学会观察、调查研究、搜集资料、整理报告的方法，提高分析问题的能力。
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锻炼的机会，随着工业的发展，PLC已经以它接线简单、编程简单直观、扩展容易等特点普遍应用在了工业生产、交通控制、农业生产等众多行业；在精确的和可靠性方面都比单片机要好。在这次毕业设计中，遇到了很多困难，经过反复对课本知识的学习，以及相关书籍，资料的查阅过后，最终解决了所有难题，完成了设计。这次设计让我对PLC有了更多的了解，掌握了一些基本的编程，为以后从事相关方面的工作奠定了一定的基础。
7.参 考 文 献
[1]廖常初.PLC编程及应用（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2008
[2]张运刚.PLC技术与应用 [M].北京：人民邮电出版社，2007
[3]徐国林.PLC应用技术 [M].北京：机械工业出版社，2007
[4]廖常初.S7-200PLC基础教程(第二版)[M].北京：机械工业出版社，2009
[5]廖常初.可编程序控制器应用技术（第四版）[M].重庆: 重庆大学出版社,2002
[6] 孙振强主编.可编程序控制器原理及应用教程. 清华大学出版社, 2005
[7] 郑凤翼,郑丹丹等编著.PLC控制系统,人民邮电出版社, 2006
[8] 王阿根编著.电气可编程控制原理与应用.清华大学出版社, 2007
[9] 王伟主编.可编程序控制器的使用和维护.化学工业出版社, 2005
[10] 陈立定等编.电气控制与编程控制器.华南理工大学出版社, 2001
[11] 西门子公司.SIMATIC S7-200T系统手册,2002
[12] David G. Johnson. Programmable Controllers for Factory Automattion New York and Basel Marcel Dekker Inc,1987.
[13] TianShuZhen. S7-200 PLC principle and application [M].beijing: machinery industry press, 2009

8.附录：梯形图所对应的语句表