基于PLC的智能交通灯监控系统设计

摘要

目前，我国许多大中城市的交通压力都非常大。部分交通路口的信号灯工作时间不合理，交通违章或肇事记录不确切。所以，改善与提高现有的交通系统工作效率，加强交通路口的信号灯控制和安全状况的监控是非常重要的。

本设计主要设计利用PLC来实现十字路口交通灯的控制与监控。通过交通中心的主机根据具体城市各路口的需要控制各个十字路口的PLC，从而控制十字路口交通灯的变化，以及对各个路口的安全状况进行监控，监控机动车是否违章、是否肇事，并把记录的结果存储、上传和处理。

本设计的上位机采用PC机，使用VB高级语言做监控界面。通过安装在十字路口的监控设备以及移动电子监控设备，对各个十字路口的安全状况进行监控。下位机采用德国西门子的S7-200系列的CPU226做主机，配以扩展模块EM222。设计中采用S7-200编程软件STEP 7 - Micro/WIN3.2进行编程。采用顺序功能图与梯形图相结合的方法设计程序。实现对城市十字路口的合理控制与监控。

关键词：PLC控制系统；梯形图；交通灯

目录

绪论 (4)

第1章交通灯的发展现状 (5)

1.1 交通灯监控系统的设计意义 (5)

1.2 PLC控制设计内容及任务 (6)

第2章交通灯系统总体方案论证 (6)

2.1单片机系统控制 (6)

2.2可编程序控制器控制 (9)

2.3 继电器接触控制 (13)

第3 章系统硬件设计 (13)

3.1项目描述 (14)

3.2输入和输出点的分配表 (14)

3.3 PLC接线图及梯形图 (15)

3.4交通信号灯程序介绍 (16)

第4章设计总结 (18)

引言

可变程序控制器（PLC）是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自60年代问世以来，PLC得到了突飞猛进的发展，尤其在数据处理、网络通信及与DCS 等集散系统融合方面有了很大的进展，可变程序控制器已经成为工业自动化强有力的工具，得到了广泛的普及和推广应用。

交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。

第一章交通灯的发展现状

近年来，随着我国经济的发展，城市的交通拥挤问题日趋严重，因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。目前，有多种对十字路口交通灯的改良设计，有一种用PLC对道路十字路口交通灯作自适应模糊控制的方法，较好地解决了车辆流量不均衡、不稳定的问题。因此，十字路口交通灯控制的设计还存在非常广阔的前景。

1.1交通灯监控系统的设计意义

交通信号灯智能控制系统为改善城市交通拥堵，提高道路的交通运输能力发挥了积极作用。本系统设计实现了十字路口信号灯自动化、智能化、人性化实时控制。通过系统功能扩展，系统亦可应用于其他控制领域，应用前景广阔。

当前，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

PLC控制设计内容及任务：

(1)根据设计任务书,进行工艺分析,并确定控制方案,它是设计的依据.

(2)选择输入设备(如按钮,开关,传感器等)和输出设备(如继电器,接触器,指示灯等执行机构).

(3)选定PLC的型号(包括机型,容量,I/O模块和电源等).

(4)分配PLC的I/O点,绘制PLC的I/O硬件接线图.

(5)编写程序并调试.

(6)设计控制系统的操作台,电气控制柜等以及安装接线图.

(7)编写设计说明书和使用说明书.

第二章交通灯系统总体方案论证

2.1单片机系统控制

单片机最突出的特点是面向控制，能有针对性地解决各类工业控制问题，特别适用于较高速和较复杂的实时控制应用。单片机控制技术是关于单片机与控制系统方面的综合技术，是单片机、控制、电子技术、网络通信等多学科内容的集成。

单片机控制系统由单片机系统和工业对象组成，单片机系统由硬件和软件两部分组成。硬件是指单片机本身以及外围设备实体，包括单片机、过程I/O通道及接口，人机联系设备及借口、外部存储器等。工业对象包括被控对象、测量变送、执行机构和电气开关等装置。软件是指管理单片机的程序以及过程控制的应用程序。

单片机是单片机控制系统的核心，完成巡回检测、数据处理、控制逻辑判断等工作。过程I/O输出通道及接口分为模拟量和数字量两种。数字量包括开关量、脉冲量和数据数码，它们负责单片机与工业对象的信息传递和变换。过程输入通道及接口将工业对象的参数转换成单片机可接受的数字量。过程输出设备及借口包括显示操作台、屏幕显示器或数字显示器、键盘、打印机、记录仪等，他们是操作人员和单片机系统进行联系的工具。

CPU采用8031芯片

8031芯片內部具有128字节数据存储器RAM，地址为佳00H—7FH，用作

工作寄存器。堆栈，软件标志和数据缓冲器，CPU对内部RAM有较为有效的操作指令。另加有128字节的特殊功能寄存器，地址为80H---7FH。是用于对片内各功能模块进行管理，控制，监视等。8031芯片内部虽然没有程序存储器，只有128字节ROM，在组成该系统时RAM不够用。现外接一片6264芯片来扩展8031的RAM存储器。8031是一个无ROM的CPU。单片的8031不能满足设计要求，不能够成完整的计算机。外接两片2764，一片作为系统存储器，一片作为加工程序存储器。8031的输入、输出（I/O）口线不多，不能满足设计要求，现外接两片8155芯片以扩展I/O口。

8031芯片的P0和P2接口用来传送外部存储器的地址和数据。P0口传送高8位地址，P2口传送低8位地址和数据，故要采用74LS373地址锁存器，锁存底8位。ALE作为选通信号，当ALE为高电平，锁存器的输入和输出`透明，既输入的低8位存储器地址在输出端出现。此时不需锁存。当ALE从高电平变为低电平，出现下降沿时，低8位地址存入地址锁存器重中，74LS373的输出不再随输入变化，即地质被锁存。这样P0口就可以传送读写的树据。

8031芯片的P2口和74LS373送出的P2口共同组成它的地址，2764和6264芯片都是8kb，需要13根地址线。A0—A7低8接74LS373芯片的输出，A8—A12接8031芯片的P2.0—P2.4,系统采用全地译码，两片2764芯片片选信号CE分别接74LS138译码器的Y0和Y1，系统复位以后从0000H开始执行。6264芯片的片选信号CE接74LS132的Y2。单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即地址重叠）。在本次设计并没有地址重叠。8031芯片的控制信号PSEN 接2764的OE引脚，作为外部程序存储器的选通信号。读写控制信号WR和RD 分部接6264芯片的WE和OE。以实现对外部数据存储器的读写。由于8031芯片内部无ROM，故要选外部程序存储器，且其EA必须接地。

XTAL1为芯片内部振荡电路的输入端，XTAL0为芯片内部振荡电路的输出端，系统采用内部时钟电路。在XTAL1、XTAL2引脚上接定时元件，内部振荡电路产生自激振荡，定时电路一般用石英晶体和电容组成的并联电路。晶振可以在1.2—12MHZ之间任选。现选晶振的频率为6MHZ。电容在5—30PF之间。现取30PF 电容。电容对振荡频率有微小的影响。

RESET为复位控制。当RESET出现高电平时，8031被初始化复位。只要输入

端保持高电平则将循环复位。在复位有效期间ALE、PSEN口输出高电平。当RESET 输入端返回底电平后，CPU从而地址执行程序。设计中采用上电复位和开关复位两种电路。8155采用开关复位方式。由于采用外部程序存储器，所以EA/LPP接地。

I/O接口电路

由于分别只有P1口和P2口部分能提供用户作为I/O口使用。不能满足输入输出的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。本系统扩展了两片8155接口芯片，8155的片选信号CE接口分别接74LS138的Y3和Y4端。74LS138译码器有三个输入口A、B、C，分别接到8031的P2.5、P2.6、P2.7端，输出Y0—Y7 八个信号，底电平有效。Y0—Y7对应输入A、B、C的000至111八种组合。74LS138还有三个有效端，其中2个（G2A、G2B）为低电平有效，G1为高电平有效。只有当端口处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于底电平有效。

I/O接口芯片与外设的联接是这样安排的：

▲8155（1）芯片PC0—PC3作为刀架电机的控制信号，有1#--4#刀位。PA0—PA5为面板上的选择开关，设有编辑、空运行、自动、手动、手动1、手动2和回零。PB0—PB4为面板上的选择开关，设有起动、暂停、单段、连续和急停。PB5是换刀回答输入端，当需要自动回转刀架换刀时，由8155（1）的PC0—PC3发出刀位信号，控制刀架电机回转，到达指定的刀位，刀架夹紧之后，发出回答信号，经8155(1)的PB5输入计算机，控制刀架开始进给。当加工螺纹时，由与立轴相连的光电脉冲发生器发出螺纹信号和零位螺纹信号，分别送入8031的T0和8155(1)PB6 ，通过设置不同的时间常数来加工不同的螺纹。零位螺纹信号是防止螺纹乱扣。PC4是连接报警显示电路。它是配合越界行程开关使用，正常工作时绿灯亮，当越界报警时红灯亮。

▲8155（2）芯片PA0—PA5作为Z向、X向步进电机的光电隔离电路，PB4—PB7接Z、X向的行程开关，防止工作拖板越界。PB0—PB3和PC0—PC5以及8031的P1.0—P1.7是作为键盘、显示电路的I/O接口。在单片机应用系统中，同时需要使用键盘，显示时，常常把键盘和显示电路做在一起，以节省I/O口。如硬件电路配置图。是由此及4×6键盘和六位显示器组成。键盘的引出线及LED显示器的字位控制共用8155的C口（PC0—PC5），它是输出口。键盘的行线由8155

的B口（PB0—PB3）担任，是输入口。显示器的段选（字型数据控制）由8031的P1口（P1.0—P1.7）担任，它是输出口。图中74LS06是反相驱动器。LED是采用共阴极显示。

8155的IO/M与8031的P2.0相连，IO/M是8155内部RAM和I/O口的选择线。IO/M=0时选择内部RAM，既当P2.0为低电平使用内部RAM。当P2.0为高电平则IO/M用作I/O接口。由于8155芯片内部有地址锁存器，所以8031的ALE 端可以和8155的ALE直接相连。利用8031的ALE信号的下降沿锁存8031的P0口送出的低8位地址信息。8155的AD0—AD7与8031的P0.0—P0.7对应相连，相对的读/写信号RD、WR也直接相连。

2.2可编程序控制器控制

PLC可编程控制器是以微处理机为基础发展起来的新型工业控制装置。它以体积小、功能强、可靠性高、以及应用安装方便的优点，很快在我国的工业控制中占据了主导地位，并且还在不断地发展。根据这一发展形势，全国各地高校、各类职业技术学校都将PLC教学纳入教学任务，作为电子、电气、以及工业自动化类专业的一门必修课。基于PLC的以下优势，在十字路口交通系统中得到了广泛的应用：1、PLC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，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；

4、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。

可编程控制器最早是用来代替硬接线的继电器板的，由于这些继电器板体积庞大而且接线复杂，每次控制方案改变都要重新接线，早期的PLC用逻辑关系来代替这些接线。后来，PLC的功能被大大扩充了。过去，PLC适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，现在的PLC 也开始进入过程自动化领域，已经具有复杂数据运算、PID控制以及与企业商业系统的通讯功能。

PLC的基本硬件配置通常由CPU模块、电源模块、I/O模块和通讯模块组成，这些模块通常有一个外壳，并且都插在一块底板上，也有采用模块之间的接口，

而不用底板，模块的安装都在一个标准的DIN导轨上。对于规模较小的微型和小型PLC来说，以上模块没有单独的外壳，电源、CPU和I/O板以线路板的形式被装在同一个外壳之内。

PLC的最基本和常用的编程方式是梯形图方式。梯形图是一种程序，对设备的动作指令逻辑以一种类似在一个梯形（相当于线圈的母线）上的线圈来表示。在一个梯子上的线圈数通常是有限的，而每个线圈的动作的数量也是有限的。在图2.1中，示出了一个梯形图，有N个线圈，每个线圈有三个功能动作。PLC在由最上面的线圈1开始解释和执行该梯形图，先执行功能1，然后移到线圈2，执行线圈2的功能1，然后移到线圈3、4、，。。。。。。直到线圈N，执行完线圈N 的功能1后，返回到线圈1，执行功能2，这样，当N个线圈上的三个动作执行完毕后，这个梯形图的任务就算完成了。

新的PLC还有结构功能图（SFC）和流程图组态功能（FLOW-CHART BLOCK），但通常使用较少。

PLC通常都具备安全关机功能，指在掉电或故障时，整个PLC的关机是按照一定的安全顺序进行停机的，保证PLC不会发生损坏。

plc 可编程序控制器(PLC)的特点：

可靠性高，抗干扰能力强工业生产对控制设备的可靠性要求：

平均故障间隔时间长

故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种：偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。

永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。

如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手

段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。

硬件措施：

主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。

屏蔽——对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰

滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或π型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。

电源调整与保护——对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。

隔离——在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O 接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。

采用模块式结构——这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。

软件措施：

有极强的自检及保护功能

故障检测——软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理

信息保护与恢复——当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。

设置警戒时钟WDT——如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预

示了程序进入死循环，立即报警。

加强对程序的检查和校验——一旦程序有错，立即报警，并停止执行。

对程序及动态数据进行电池后备——停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。

PLC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1μS的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万～上千万小时；制成系统亦可达4～5万小时甚至更长时间。

2 .通用性强，控制程序可变，使用方便

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

3.功能强，适应面广

现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

4.编程简单，容易掌握

目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。

PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。

5.减少了控制系统的设计及施工的工作量

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。

6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24～128点。

2.3继电器接触控制

工业生产的各个领域，无论是过程控制系统还是传动控制系统，都采用了大量的自动控制电器的继电—接触器控制系统，可以方便地实现生产过程自动化。但由于该控制形式是固定接线，，又由于采用有触点的开关工作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。可编程控制器PLC是计算机技术与继电器控制技术相结合的产物，不仅具备逻辑控制、定时、计数等功能，还具有顺序控制、算术运算和通信等更为强大的功能，指令系统丰富，程序结构灵活，用它可代替大量的继电器，且功耗低、体积小，在电气自动控制上获得了广泛应用。下面以电动机Y—△降压启动控制为例，介绍如何采用PLC进行继电—接触器控制系统的改造。

第三章系统硬件设计

3.1项目描述

交通信号灯采用PLC控制，信号灯分东西、南北两组，分别有红黄绿三种颜色，假设东西方向交通比南北方向繁忙一倍，因此东西方向的绿灯同行多一倍。按下启动按钮开始工作，按下停止按钮停止工作，“白天·黑夜”选择开关闭合时为何也工作状态，这是只有黄灯闪烁，段开始按时序控制图工作。

3.2输入和输出点的分配表

控制要求：开关合上后，东西绿灯亮四秒后闪二秒灭，黄灯亮二秒灭，红灯亮八秒灭如此循环；对应东西绿灯亮时南北红灯亮八秒，然后熄灭，绿灯亮四秒后闪二秒熄灭黄灯亮二秒灭，如此循环。

电源线：共六根，包括输入点的两根线、输出点的两根电源线、模拟试验严办的两根电源线。

输入点与输入设备的连线：只一跟，为自控开关与XO之间的连线。

输出点与输出设备的连线：更六根，分别为南北红灯、南北黄灯、南北绿灯、东西红灯、东西黄灯、东西绿灯与Y0~Y5之间的连线。

3.3 PLC接线图及梯形图

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3.4交通信号灯控制梯形图

控制要求:自动开关合上后.东西方向绿灯亮2秒.闪3秒［三次］后灭.黄灯