十字路口交通灯的设计.doc

目 录
摘 要 2
Abstract 2
前 言 3
第一章 绪论 4
1.1交通信号灯的作用与研究意义 4
1.2 PLC的产生与发展 4
1.3 PLC的发展趋势 6
1.4 PLC的应用领域 7
1.5 PLC在我国的应用 8
第二章 系统方案的设计 9
2.1控制要求 9
2.2工作原理 9
2.3程序设计 10
第三章 设计总结 12
致 谢 14
参考文献 15

摘 要
本设计以AT89C51单片机作为的控制核心，电路分为显示及声光指示模块。采用外部12M晶体震荡器产生定时脉冲，定时控制交通信号灯的导通与关断。
采用动态刷新技术来进行8个共阳数码管递减式计数。主干道和支干道信号灯切换时采用蜂鸣器进行提示。通过s51仿真器仿真可以完全实现基本功能和扩展功能。可实现主干道和支干道的通行控制和时间显示以及声音提醒控制。分别从硬件和软件两方面阐述了该控制系统的设计方法,并经过调试和运行使该系统达到预期目标,具有反应快、功能齐全、实用性强的特点。
随着科技的发展单片机与电子技术上发展很迅速，希望该设计能够在目前交通秩序上起到一定的作用，能够为社会做出一定的贡献！尽出自己的一分力量！

关键词：单片机 交通信号灯 控制
Abstract

This design by at89C51 monolithic integrated circuit achievement control core, the electric circuit divides into the demonstration and the acousto-optic instruction module. Outside uses ， The 2M crystal oscillator produces the timing pulse, timed control street-traffic control lights breakover and shutdown. Uses the dynamic revolution technology to carry on 8 nixietube degression type counting. The main yang or male principle and the yang or male principle signal light cuts when uses the buzzer to carry on the prompt. May realize the basic function and the expansion function completely through the s51 simulator simulation. May realize the host yang or male principle and a yang or male principle passes through the control and the time demonstration as well as the sound reminder control.

Keyword: singly slices machine ，traffical-light，control
前 言
随着现代科技的发展，人们的生活也随着发生了巨大的变化。比如交通的复杂性好比人们工作上的竞争一样也越来越困难。每年因交通而发生的不幸也比比皆是！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系统中最重要的组成部分， 也是以高科技为基础保证人们日常交通顺利进行的保障！
红绿灯装置是交管部门控制城市交通的重要工具，正是有了它，城市的交通才变得秩序井然。然而，据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。

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第一章 绪论
1.1交通信号灯的作用与研究意义
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系统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道路，在高速道路建设完成的初期，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与普通道路耦合处交通状况的制约。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、城区同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。
根据交通灯工艺控制要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制。
本系统采用PLC是基于以下四个原因：
①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；
②编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；
③抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能；
④够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；
近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。
1.2 PLC的产生与发展
在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色，如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC性能先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位。著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（General Electric）公司，日本的三菱电机（Mitsubishi Electric）公司、欧姆龙（OMRON）公司，德国的AEG公司、西门子（Siemens）公司，法国的TE（Telemecanique）公司等。
我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，PLC 在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。
从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。
1.3 PLC的发展趋势
1．向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
2．向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。
3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
4．增强外部故障的检测与处理能力 根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
5．编程语言多样化 在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
1.4 PLC的应用领域
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常可分成以下5种类型：
（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。它用来取代传统的 继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
(2)运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数据到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的位置和加速度，确保运动平滑。
（3）过程控制 PLC还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度。PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定植上。
（4）数据处理 在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。
（5）通信网络 PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
1.5 PLC在我国的应用
虽然我国在PLC生产方面比较弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业也很广。
在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：
微型：32 I/O
小型：256 I/O
中型：1024 I/O
大型：4096 I/O
巨型：8192 I/O
在我国应用的PLC系统中，I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。
在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现百花齐放的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。
我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM用户、最终用户。其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。
第二章 系统方案的设计
2.1控制要求
（1） 用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯，用传感器或用逻辑开关代替传感器作检测车辆是否到来或是是否闯红灯的信号。
（2） 由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道处于常允许通行状态，而主干道有车来时才允许通行。当主干道通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。
（3） 当主、支干道都有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行24秒，支干道每次放行20秒；在每次由亮绿灯转变成亮红灯的转换过程中，要亮4秒的黄灯作过度。（当主、支干道都有车时，两者交替允许通行，主干红灯亮维持24s,在主干红灯亮的同时支干绿灯也亮，并维持20s。到20s时，支干绿灯熄灭，支干黄灯亮，并维持4s。到4s时，支干黄灯熄灭，支干红灯亮，同时，主干红灯熄灭，绿灯亮。支干红灯亮维持20s，主干绿灯亮维持16s。到16s时，主干绿灯熄灭，同时，主干黄灯亮，维持4s后熄灭，这时主干红灯亮，支干绿灯亮。假如支干道路总是有车就周而复始。）
（4） 设计中需要考虑对擅闯红灯的车辆给出电子照相设备的启用信号。
2.2工作原理
当启动开关SB1合上时，I0.0触点接通，Q0.0得电,主干道绿灯HL1点亮,同时支干红灯HL6点亮,若支干道有车辆来时,检测传感器S1闭合,I0.1得电,T37得电开始计时,到24S时,主干道绿灯熄灭,同时主干道黄灯HL2点亮,T38通电计时,4S后,启动中间继电器M0.1,主干道黄灯HL2熄灭,支干道红灯HL6熄灭,同时支干道绿灯HL4点亮,主干道红灯点亮.也同时启动T39,20S后,启动中间继电器M0.2,支干道绿灯HL4熄灭,支干道黄灯HL5点亮,同时接通T40,4S后,支干道黄灯HL5熄灭,主干道绿灯HL1点亮, 连续循环(支干道必须有车),否则主干道一直通行.
当汽车闯红灯时,传感器S2闭合,I0.2闭合,Q0.6线圈得电,启动电子照相信号设备。
2.3程序设计
列出交通信号灯PLC的输入/输出点分配表，见表。

输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
启动按钮
SB1
I0.0
主干道绿灯
HL1
Q0.0
检测传感器
S1
I0.1
主干道黄灯
HL2
Q0.2
检测汽车闯红灯传感器
S2
I0.2
主干道红灯
HL3
Q0.3

支干道绿灯
HL4
Q0.4

支干道黄灯
HL5
Q0.5

支干道红灯
HL6
Q0.1

电子照相信号
HL7
Q0.6

附注：主干道为东西路段，支干道为南北路
参考文献
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[2] 余孟尝主编. 数字电子技术基础简明教程. 第2版. 北京：高等教育出版社，1999
[3] 陈永甫编著. 电子电路智能化设计实例与应用第一集. 第1版.北京：电子工业出版社，2002
[4] 全国大学生电子设计竞赛组委会编.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编. 第1版.北京：北京理工大学出版社，2005
[5] [美]Myke Predko 著张晓林等译. 数字电路原理与设计实例解析(Digital Electronics Guidebook With Projects). 北京：电子工业出版社，2004
[6] 李广弟，朱月秀，王秀山编著. 单片机基础(修订本). 第2版.北京：北京航空航天大学出版社,2007
[7] Brightek,WH2000A/B,使用手册