交通灯控制系统功能要求

温 州 机 电 技 师 学 院

维修电工技师论文

交通灯

指导老师：张雷老师

制作者：金常东

2012年 07月19 日

摘 要

可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛应用于各个行业。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，在现代工业中的应用更加突出。城市交通灯控制采用的可编程控制器具有可靠性高，维护方便，用法简单通用性强等特点，本文用三菱FX2N-

48MR 的可编程控制器控制十字路口信号灯来说明可编程控制硬件、软件的设计。解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。

关键词：PLC （可编程序控制器） 交通灯 LED数码管显示

目 录

摘 要……………………………………………………………………………（2）引 言……………………………………………………………………………（3）

第1章 绪论……………………………………………………………………（4）

1．1

引言………………………………………………………………………（4）

1．2

现在城市路口交通灯控制技术状况……………………………………（4）

1．3

本课题主要研究内容……………………………………………………（4）

1.4 根据车流量的大小可以改变两个方向的通行时间……………………（5）

第2章

交通灯基本意义及交通灯控制系统功能要求和设计时的若干技术要点………………………………………………………………（6）

2.1 交通灯的基本意义 ……………………………………………………（6）

2．2

交通灯控制系统功能要求………………………………………………（6）

2．3

系统设计时的若干技术要点……………………………………………（7）

第3章 分配图 …………………………………………………………………（9）

3．1

I/O分配图…………………………………………………………………（9）

3.2 集成块译码电路 ………………………………………………………（10）

第4章

CD4511B 集成块、总程序设计及各部分说明、系统程序设计、编程要点说明 ……………………………………………………（11）

4.1 BCD—七段锁存/译码/驱动器…………………………………………（11）

4．2 总程序设计及各部分说明

……………………………………………（14）

4．3

系统程序设计、编程要点说明…………………………………………（18）

第5章 总结及研修过程体会 …………………………………………………（21）

5.1在研修过程中碰到的问题 ……………………………………………（21）

5.2. 通过此次研修的心得与体会…………………………………………（22）参考文献 ………………………………………………………………………（23）致 谢 ………………………………………………………………………（22）附件一：总程序 …………………………………………………………………（24）附件二：实物图 ………………………………………………………………（28）

第1章 绪论

1.1引言

十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行，实现红绿灯的自

动指挥能使交通灯管理工作得到改善，也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。可编程控制器是一种新型的通用的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，是专能加强、编程

简单、且运行可靠维护方便。因此，本文介绍三菱公司的PLC 产品来实现交通灯的自动化控制。

1.2现在城市路口交通灯控制技术状况

随着城市机动车辆不断增加，许多城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建高速道路，在高速道路建设完成的初期，也曾有效的改善了交通状况。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。高度道路没有充分发挥出预期的作用。所以，如何让采用合适

的控制方法，最大限度的利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓

解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。

1.3本课题主要研究的内容

按照城市交通控制的需要，本文讨论了用PLC 实现正常时序，四种

工作方式任意切换和绿灯可用拨码开关设定的控制方式。

正常时序控制（也就是白天控制）如南北方向红灯时，东西方向绿灯

，绿灯闪5次（周期为1秒），紧接着黄灯亮5秒，变红灯。南北方向红灯直接变绿灯，东西方向红灯时同理。

四种工作方式直接可以任意切换，SB1为白天工作启动按钮；SB2为

夜间工作启动按钮；SB3为东西通行交通管制工作启动按钮；SB4为南北通行交通管制工作启动按钮：次四个按钮种，按任意一个按钮后，其它三个工作状态都自动停止。

绿灯设置了倒计时数码管显示功能，且通过拨码开关可以设定绿灯

的时间，倒计时归零后，灯的状态将会改变至下一状态。

1.4 根据车流量的大小可以改变两个方向的通行时间

现有十字路口的红绿灯，不管是车辆拥不拥堵或者车辆多不多，其

红绿灯的时间走的都是一样的，其车辆少还好可以顺利通行。如果车辆多的话就会发生拥堵，使得东西通行或者南北通行不顺畅，从而导致路阻。就为了克服这个问题，通过拨码开关的调节，假如东西方向的车辆比较多，我们可以通过东西方向的拨码开关进行调节使其改变它的通行时间就可以改善这一问题，另一方向同理。克服上述这个问题也是我主要研究这个项目的主要因素，也是我研究这个项目的这一特色。

第2章 交通灯基本意义及交通灯控制系统功能要求和设计时的若

干技术要点

2．1 交通灯的基本意义

交通灯是城市交通中不可缺少的重要交通工具，是城市交通秩序的重要保障。本实例就是实现一个常见的十字路口交通控制，再通过数码管显示绿灯倒计时时间，且通过拨码开关可以设定绿灯的时间，使它的功能可以更加完整、完善。

一个十字路口的交通一般分为两个方向，每个方向具有红灯、绿灯和黄灯三种，还为绿灯设置了倒计时数码管显示功能，且通过拨码开关可以设定绿灯的时间，倒计时归零后，灯的状态将会改变至下一状态。值得注意的是，交通灯两个方向灯的状态是相关的。也就是说每个方向灯的状态影响着另外一个方向的灯的状态，这样才能协调两个方向的车流。如果每个灯都是独立变化的，那么交通灯就没有意义了。

2．2 交通灯控制系统功能要求

一、东西和南北双向绿灯的通行时间分别由各自方向的两位拨码开关

控制调节。当某一方向的通行时间由拨码开关调节而增或减时，另一方向的红灯亮的时间也自动跟随增或减。

二、当东西方向显示绿灯亮与闪的（通行）时间时，则南北方向显示红灯

亮的时间，其两个方向的数显值可以不相等，而且是同步逐秒减一。

三、系统装有四个工作状态控制按钮：SB1为白天工作启动按钮；SB2为

夜间工作启动按钮；SB3为东西通行交通管制工作启动按钮；SB4为

南北通行交通管制工作启动按钮：此四个按钮中

，按任意一个按钮后，其它三个工作状态都自动停止。

四、夜间工作状态是：东西和南北黄灯闪烁，周期为2秒；南北黄灯与东

西黄灯亮暗交替，亮与暗各1秒。

五、白天工作状态是：（为缩短编程调试时间）

1．设东西通行时间为19秒（也就是绿灯亮与闪的时间），由对应的拨码开关设定。东西方向绿灯先亮14秒，然后其绿灯闪5次（先亮后暗）

闪烁周期为1秒，然后东西方向黄灯亮5秒，在上述24秒期间内，南

北方向的红灯同步亮且数显逐秒减1的值。

2．设南北通行时间为21秒（也就是绿灯亮与闪的时间），由对应的拨码开关设定。南北方向绿灯先亮16秒，然后其绿灯闪5次（先亮后暗）

闪烁周期为1秒，然后南北方向黄灯亮5秒，在上述26秒期间内，东

西方向的红灯同步亮且数显逐秒减1的值; 届时一次循环工作结束，

接而进入下一个循环状态，往复不止。

3．当调节某一方向的拨码开关设定值后，要待下一个循环状态时才能按新的设定值工作。

4. 某一方向数码管，当绿灯亮时，显示绿灯的时间；当红灯亮时，则显示红灯的时间。

2．3 系统设计时的若干技术要点

一、总体设计

1．PLC 输入点数的分配

1）东西和南北方向的两组（二位数）拨码开关的BCD 码所对应的输入点数，东西方向（X0~X3，X4~X7）, 南北方向(X10~X13，X14~X17),16点。

2）四种工作状态按钮对应的输入点，（X20~X23）4点。

2．PLC 输出点数的分配

1）东西方向的红、黄、绿灯输出驱动点；（Y5，Y4，Y3）3点。

南北方向的红、黄、绿灯输出驱动点；（Y2，Y1，Y0）3点。

2）东西方向两位数的BCD 码对应的输出点数；（Y10~Y13,Y14~Y17）8点。

南北方向两位数的BCD 码对应的输出点数；（Y20~Y23,Y24~Y27）8点。

二、若干电路设计

1.CC4511B (CD4511B)BCD码七段锁存/译码/驱动器功能的参数资料查找

2. CC4511B的工作电源电压的选定，R 的取值。

3.共阴LED 数码管的驱动电流及限流电阻的选定。

4.PLC-CD4511B译码-LED 数码三者之间的连接组装及装配工艺。

三、PLC 各控制程序段的分段设计

1. 白天工作，夜间工作，东西反向通行及南北反向通行等四种工作状态任意切换控制程序段。

2.拨码开关的BCD 码输入PLC 后以二进制码锁存程序段。

3.逐秒减1的运算程序段。

4.内存的二进制码转换成BCD 码输出给CD4511B 的程序段。

5.周期分别为1秒与2秒的同步信号获得程序段。

第3章 分配图

3．1 I/O分配

图

3.2 集成块译码电路

第4章 CD4511B集成块、系统程序设计、编程要点说明

4.1 BCD—七段锁存/译码/驱动

器

CD4511是用于驱动共阴极(LED)数码管，显示器的BCD 码一七段译码器。具有BCD 码转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的COMS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED 显示器。

其功能如下：

BI:4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其输入端状态如何，七段数码管都处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT:3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入端DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

LE:5脚是锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出保持在LE=0时的数值。

A 、B 、C 、D 四端为8421BCD 码输入端。

a、b 、c 、d 、e 、f 、g 为译码输出端，输出高电平1有效。

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。

1. 电源电压VDD ≤20V,a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 输出端功耗100MW ，现选取VDD=+9V,

a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 输出高电平Uoh=9V，驱动LED 数码管的限流电阻的选取。（设LED 导通压降为1.8V ，设驱动a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 各段LED 的电流I 为5MA ）。

功耗P=Uoh×I=9×5MA=45MW 在100MW 的允许范围内。

限流电阻R=（9-1.8）/5MA=1.4kΩ, 选取标么值R=1.5kΩ

2.9V 直流电源的获

取方法

利用降压变压器，将220V 交流电降至12V 的交流电，在经（V1~V4）4只二极管整流，在经电容C1滤波后，在用7809三端集成稳压源进行稳压，输出直流电压+9V的直流电，LED1只是用来指示的电源输出的，并无其它作用。

7809集成功耗估算：

8只数码管共8×7=56段LED ，全部显示是最大驱动电流Im 为56×5MA=280MA，Pm =（12-9）×280MA=1.5W。

为防止7809集成块温升过高，应加装散热片。

4.2 总程序设计及各部分说明

4.2.1 SFC图

4.2.2 白天工作程序设计

1

4.2.3 夜间模式程序设计

东西与南北黄灯交替闪烁，周期为2S 。

4.2.4 东西和南北交通管制程序

设计

东西绿灯南北红灯和南北绿灯东西红灯

4.2.5 各模式转换程序

设计

利用各个按钮的上升沿触发使状态步S0得电，在S0状态步中使各个状态步

复位，即

4.2.5 在夜间和交通管制模式下使数码管显示00

程序段

在上述三个状态步里把十进制数0传给PLC ，是的数码管显示0.

4．3 系统程序设计、编程要点说明

一、选用FX2N-48后，应将总体设计PLC 的I/O分配图

1.东西方向绿灯定时调节的两位（个位，十位）数的拨码开关占用8个输入 点；同理，南北方向绿灯定时的拨码开关也占用8个输入点。

2. 白天、夜间、东西通行、南北通行四种工作状态控制按钮占用4个输入点；共用20个输入点。

3.东西和南北方向的绿、黄、红灯占用6个输出点。

4. 东西方向两位数的BCD 码输出供译码器占用8个输出点；南北方向两位数的BCD 码输出供译码器占用8个输出点；公用22个输出点。

二、东, 南, 西, 北等四个方向应分别制作四块译码电路，其原理图如下

:

注：数码连接图一共4块，CD4511B 译码电路就一块（因为我把它做在一

块上面了）。

1.

。

2. 译码器的（a 、b 、c 、d 、e 、f 、g ）输出端与对应数码管各段LED 也应用接 PLC 相应的BCD 码输出点与译码器电路板相应的（DCBA ）端用接插件相连接插件相连接。

3. 四块译码电路板设置相应的固定在相应的位置上。

三、脉冲执行型（P ）功能指令概念之应用

拨码开关输入的绿灯定时值，必须要用（BINP ）脉冲执行型指令。它只能是在步进接点接通的瞬间（第一次扫描周期内）执行一次。然后寄存器的内存值进行逐秒减1运算。若不用（BINP ），而误用电平执行型（BIN ）指令，则每次扫描时都会将拨码开关的设定值都反复存入寄存器，造成寄存器内存有的值不能逐秒减1。 四、控制绿灯亮转换成闪烁的控制方法。(绿灯开始闪烁的时间比拨码开关设 定值提前5秒)

首先由拨码开关设定时间，存入D0，再由定时器（T3,T4）构成震荡，由T4的常开触点开始逐秒减1

, 在通过比较指令当D0里的值小于等于5的时候

驱动由定时器（T0,T1）构成震荡，使得灯开始闪烁。

五、红灯定时数显控制

1. 南北方向红灯定时数显控制

东西方向的绿灯亮+闪烁+黄灯的总时间等于南北方向红灯亮的时间，由

脉冲指令将南北红灯亮的定时值存入D2，再由指令进行逐秒减1：在由

指令转换成BCD 码后由（Y20~Y23）与（Y24~Y27）

输出供相应（南北方向）的译码后驱动其个位数与十位数数码管。

2.东西方向红灯定时数显控制

南北方向的绿灯亮+闪烁+黄灯的总时间等于南北方向红灯亮的时间

，由

脉冲指令将南北红灯亮的定时值存入D12，再由指令进行逐秒减1

：在由

指令转换成BCD 码后由（Y10~Y13）与（Y14~Y17）

输出供相应（南北方向）的译码后驱动其个位数与十位数数码管。

而且，将南北红灯的定时，数显控制的所有程序都编置在S21步进状态中。六、同步秒信号

1. 特殊继电器M8013的震荡周期虽也为1秒，但是它不能与交通灯保持严格的同步，故不能作为秒信号源。

2.同步秒信号的产生电路如下：它由步进接点接通情况下开始同步 工作，其波形如图

示

3. 功能要求开始绿灯闪烁时，应先暗0.5S ，在；亮0.5S ，循环5次。它必须用T0的触点取控制。

4.逐秒减1的信号必须用T1触点。

第5章 总结及研修过程体会

5.1在研修过程中碰到的问题

1.I/O地址的分配致关重要，起先由于地址分配的不合理，导致点数不够

2. 电源位置接线错误，主要是正负有点模糊

3.译码电路存在错误

4. 电压不够导致有些数码管显示不出来，起初还认为是数码管（a,b,c,d, e,f,g ）各段接错了

5.几根线接错导致显示不正常

6.A,B,C,D端要接上电阻，如果不加的话会：

①显示的数字会多显示一段甚至N 段，但多显示的段要比原本显示的要暗点。

②在做逐秒减1的时候有时候会出现个位突然灭掉。

③当初还误认为是电源不行，因为在调试电源的时候相对较前面的要好一点，显示的也均匀点。

④起初也成误认为是接线错误和译码集成块接错（CD4511B ）。

6.A,B,C,D 四端接入电阻后，上面不正常的因素都变得正常了，原因是有可能空间磁场对它有干扰的影响，假如原本要显示数字3的，但它会把不该显示的稍微会亮一点，因为输出是真的高电平还是高电平，另一端悬空的，由于干扰的影响，输出为假的高电平，致使不该亮的就亮一点点起来，所以就显示不正常了，所以我们就在A,B,C,D 四端接上电阻，使得它的干扰信号经过一个电阻到地了，所以前面遇到的问题都一一否定了。

8. 由于自己对系统的功能还没有看清楚，导致程序编写还有点错误，使得功能还没有达到原先的功能要求，也不理想，后来经过张雷老师的指导，通过自己的努力修改，将程序改了过来，也达到了原先系统的功能。

5.2. 通过此次研修的心得与体会

1. 通过这短短两个月时间的研修，对自己有了更深一步的了解，知道自己还缺少什么，还有哪些不足。同时促进自己很有效的学习，提高的也很快。使自己印象最深刻的还是在调试程序这一块上，在调试的过程中，有很多地方都不是很到位，通过张雷老师的指点，慢慢的对这一观点有了很好的转变，便通过了改善。在此要感谢张雷老师的帮助和细心的指导。

2. 在硬件上、PLC 、译码电路、数码管的连接问题，是我跟我的合作伙伴一起努力弄起来的。虽然在弄的过程中有

3. 在此次的研修中，我还明白了一个更深的道理，那就是自律性。在技师研修阶段我很好的控制了自己的自律性、不玩游戏、专心的学习。这是我在技师研修里的另一大收获，我想这也是我今后走上社会的又一大法宝。

4. 在技师研修中这个学期还安排了一个星期有几节的专业课真的很好，自己有什么不懂还可以像其他老师去请教，学的也还可以。

5. 在实习PLC 专业课程时，老师仅讲解基本指令。对功能指令几乎是都不怎么了解。在这次毕业设计时，因需要由若干功能指令来实现系统的功能要

求，故对若干功能指令也初步有所了解。如：ADDP 加法指令；MOV 传送指令；BCD 和BIN 数码转换指令；DECP 二进制减一指令；LD=触点比较指令等。虽然对其理解尚较肤浅，但已会基本应用。

6.由程序编写—调试失败—程序分析修改—在调试—

最后调试成功。在多次反复调试过程中，使我对指令含义的理解由肤浅到逐步加深，对指令程序的组合、使用、排序，应用技巧上也颇有收获。

7. 养成程序调试的记录之习惯，尤其是当运行现象不正常时，必须仔细观察，反复观察，并记录其正常现象，然后再解读梯形图，分析造成不正常的原因所在，是由哪些指令程序的病句所致或由哪些指令程序的欠缺或不当所造成的，然后再修改程序—

再调试验证，在记录分析，直至调试成功。养成这种习惯，有习惯成自然，这种学习方法的养成对PLC 编程应用的技能提高是至关重要的。

参考文献

[1]蔡杏山，刘凌云，刘海峰. 零起步轻松学PLC 技术.

人民邮电出版社,2009年 10月第一版

[2]张雷，林炳南，维修电工应用技术（下）

致谢

本次技师研修项目的完成是在张雷老师的细心指导下进行的，在每次遇到问题时老师不辞辛苦的给我讲解才使得我的项目顺利完成。在论文的写做过程中，得到了许多教师和同学的指导与帮助，在此我真的很感谢他们。我从老师身上学到了做学问的态度、方法与知识，但更重要的是学到了做人的道理与做任何事情都应有的认真、严谨的态度这将使我受用终身！再一次感谢张雷老师和我的伙伴，你们辛苦了。

附件一：总程序

附件二：实物图