基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计

基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计 摘  要 随着经济的发展，车辆的数目不断增加，道路堵车现象日益严重，智能交通灯就应运而生了。目前世界上的智能交通系统存在的问是：系统结构庞大、管理困难、维护投入大等。为了改善现有的交通状况，迫切需要设计智能的交通灯控制系统。 智能交通灯是一项综合运用网络通讯计算机技术、感应技术来管理交通灯具的自动控制系统。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。总之，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，缓解主干通与匝道、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。 可编程控制器以微处理器为核心，普遍采用梯形图进行程序设计，编程容易，修改灵活，且结构简单，抗干扰能力强。本设计采用德国西门子的S7-200系列的CPU226做主机，配以扩展模块EM222。设计中采用了S7-200编程软件SETP7-Micro/WIN3.2进行编程，用梯形图设计程序，并配有输入输出I/O接线图。本就城乡交通灯模拟控制系统的电路原理、设计计算等问题来进行具体讨论。将智能控制和正常时序控制进行对比，它具有小型化、智能化、维修投入小、易于安装等特点。与其他的智能交通系统相比该系统更适应经济和社会的发展，符合目前科技发展的现状。 关键词：智能化；交通灯；PLC Intelligent Traffic Light control System Design Based on PLC Abstract With economic development and increasing of the number of vehicles, road congestion is becoming increasingly serious, so the intelligent traffic lights is emerged. At present, the world's Intelligent Transportation System's problem is: huge structure, difficulty managed and the maintenance is largely expensive. In order to improve the existing traffic conditions, it is urgent to design a small scale smart traffic lights system. Intelligent traffic lights is a comprehensive use of computer network communication technology and sensor technology to manage the automatic control system of traffic lights. Urban traffic control system is used for urban traffic data monitoring, traffic signal control and traffic management computer system, it is the most important component of modern urban traffic control system. In short, the main problem that how to use the appropriate control method to make full use of the high-speed roads, trunk road, that are costly built, and the ramp to alleviate urban with the neighboring state of traffic congestion have become more and more urgent to the traffic management and urban planning departments. Programmable controller, whose core is a microprocessor, is commonly used to design program with ladder appearance diagram（LAD）, it is also flexible and easy to modify, moreover, it has simple structure and strong anti-interference ability. This report uses the CPU226 of Germany's Siemens' S7-200 series as the host computer, and together with the expansion module EM222. The layout is designed via the S7-200 programming software SETP7-Micro/WIN3.2, and programmed by ladder appearance diagram, we also present the input and output I/O wiring diagram. This article on the urban traffic light control system analog circuit and other issues to discuss specific analysis. Compared the intelligent control system with the normal timing control system, it has small size，intelligence, maintenance into small, easy to install and so on. Compared with other intelligent transportation system, it adapts to economic and social development, in line with the current status of scientific and technological development. Keywords：Intelligent; Traffic lights; PLC    目 录 摘  要    I Abstract    II 第1章 绪论    1 1.1交通灯发展现状    2 1.2交通灯监控系统的设计意义    4 1.3本文的主要工作    4 第2章 交通灯系统控制方案    5 2.1三种控制方式比较    5 2.1.1单片机系统控制    5 2.1.2继电器接触控制    5 2.1.3可编程序控制器控制    6 2.2控制方案总体确定    6 2.3系统方案设计    9 2.3.1正常控制过程    9 2.3.2智能控制方案    11 第3章 硬件电路简介    13 3.1 PLC的基本组成和各部分作用    13 3.1.1 PLC基本组成    13 3.1.2 PLC各部分作用    13 3.2 S7-200系列PLC简介    17 3.3车道信号灯    19 3.3.1功能    20 3.3.2技术指标    20 3.3.3箭头灯    20 第4章 软件介绍    22 4.1 STEP7-Micro/WIN编程软件介绍    22 4.2软件的安装    24 4.3编程软件的启动    26 4.4程序的保存    28 4.5程序的下载及上传    28 第5章 程序设计    30 5.1 I/O接线图    30 5.2梯形图程序    32 结 论    41 致 谢    43 参考文献    44 第1章 绪论 当今，红绿灯安装在各个道口上，己经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就己出现了。1859年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于政导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义做了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。 1.1 交通灯发展现状 随着社会的发展和进步，上路的车辆越来超多，而通路建设却往往跟不上城市发展的速度，因此城市交通的问题日益突出，经常在十字路口等交通繁忙的地方发生堵塞情况，在这个时候，道路交通灯的正常运行以及合理的功能就是交通畅通的重要保证[1]。目前设计智能交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法；有应用单片机实现对交通灯控制系统的设计；有应用PLC实现对交通信号灯设计的方法，但车流量的装置绝大多数都利用各种形式的传感器进行检测[2]。 单片机是单片微型计算机的简称，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用[3]，不少文献就将单片机应用到交通灯控制系统中。 文献[4]运用超声测距原理，就设计出一个以单片机为控制核心且能根据实时车流量来动态调节各路口通行时间的智能控制系统。提高了交通路口通行效率，有效缓解了交通拥堵，并引入手动遥控模块，以应对严重交通拥堵。笔者认为是一种比较好的控制方案。 针对道路交通拥挤、交叉路口经常出现拥堵的情况，文献[5]也设计出一种基于单片机的智能控制系统。采用单片机作为核心控制器，组成一个集车流量采集、处理、自动控制为一身的闭环控制系统，通过仿真，系统还能进行倒计时显示，车流量检测及调整，交通违规处理和紧急处理等功能，但并未真正运用到实际。 文献[6]利用红外对管来实时检测车流量，也是利用单片机作为控制器来自动调节各路口时间，达到更加高效的车流控制和路口通行效果，并通过无线收发模块实现特种车辆的特殊准许通过。 文献[7]提出了一种新型的智能交通控制系统——基于单片机的智能交通灯控制系统。通过传感器利用光学原理采用照相的方式，使光电池产生不同的电势。对各个方向的车流量进行采集，由控制器单片机对采集数据进行比较，求出比值。根据比较结果，将具体的车流量转换成两位车流量大小的比值。根据比值与红绿灯时长的关系，输出时长控制信号，使交通灯时长可根据车流量改变。