带车流量监测的时间可调智能车交通灯系统设计

毕业设计

题目：

带车流量检测的时间可调智能车交通灯系统设计

、

目 录

前言 . ........................................................................................................................................... 2

1 PLC 系统设计的相关理论 ................................................................................................... 2

1.1 PLC 的发展史 ................................................................................................................ 2

1.2 PLC 的基本结构、工作原理及特点 ............................................................................ 3

1.3 PLC 的选型 .................................................................................................................... 5

1.3.1 PLC 的分类 ................................................................................................................ 5

1.3.2 PLC 的型号选择 . ......................................................................................................... 6

2 光电传感器及其铺设 . ........................................................................................................... 7

2.1 传感器的介绍与选择 . .................................................................................................... 7

2.2 光电传感器的铺设 . ........................................................................................................ 7

3 智能交通灯控制系统 . ........................................................................................................... 8

3.1 智能交通灯控制系统的设计思路 . ................................................................................ 8

3.2智能交通灯控制系统的梯形图及分析 ....................................... 错误！未定义书签。 4 智能交通灯控制系统的模拟仿真 . ..................................................... 错误！未定义书签。 5 小结 . ..................................................................................................... 错误！未定义书签。

参考文献： . ............................................................................................................................. 14

带车流量监测的时间可调智能车交通灯系统设计

摘要： 本设计的研究目的是针对我国日益严重的交通问题和传统的交通灯系统无法满

足实际交通状况进行调节控制等诸多问题而设计提出的。通过传感器对路口各类交通参数的采集处理，传递给PLC 。并通过制定相应的亮灯规则，由实时车流量计算出对应路口的红绿灯时长，使东西南北交通灯通行时长动态可调，从而达到智能根据车流量多少来智能控制交通灯时长的设计目的。

关键词: PLC;光电传感器; 智能交通灯控制系统

Intelligent traffic light system with vehicle counting and time

adjusting design

Abstract: Easing the traffic problems and improving the traditional mode of traffic lights are

this paper’s research objects.In order to meet the Real-time traffic condition,this

paper provides a new traffic adjustment control system.Through the sensors,they

collect and process various traffic data at road junctions,then pass them to the

PLC.Then the PLC will set the rules of traffic light by calculating the time of

lights from the real time traffic flow.Then the PLC will control the traffic lights

intelligently. With this system,we can achieve this paper’s design purpose through

the real time traffic flow to control the traffic lights intelligently.

Keywords: PLC; Sensors;Intelligent traffic light system

前言

随着经济的发展与时代的进步，汽车已经开始走向每一位寻常百姓的生活。但是，繁荣的交通下，相应的交通问题也开始日益的繁重起来。交通问题不仅仅给我们的日常出行带来影响，也随之带来相应的环境问题，研究显示，雾霾，温室效应等问题与日益严重的交通问题有很大程度的关系。日常生活中最常见的交通管理设施非交通灯莫属，交通灯通过管理路口灯的红绿变化来影响交通。但是，在实际的应用和生活中，每个路口的南北走向与东西走向的车流量并不总成一定比例，而是随着时间段的变化而变化。因此，能根据实时车流量。

1 系统设计的相关理论

1.1 PLC 的发展史

在没有可编程序控制器之前，以继电器、接触器为主体的控制系统被大量应用于现代工业中。1968年美国GM 通用公司为适应工业生产需要，提出一种取代过往继电器接触器控制的控制系统的设想。于1969年，世界第一台可编程逻辑控制器是美国数字设备公司研制出的，这一项发明打开了控制技术发展的大门[16]。不久后美国Modicon 公司也研发出可编程逻辑控制器。两年后可编程序控制器在日本投入生产。到1973年欧洲一些国家也相继开始生产可编程序控制器。1977年我国正式开始生产可编程控制器[4]。

PLC 大约经历四个阶段，不同阶段展示着不同的功能：

(1) 初级阶段：第一代PLC 具有的主要功能为逻辑控制，这取代了继电器的作用。它的中央处理器是PLC 内部的的单片机。第一代已经采用了梯形图为编程方式，虽然第一代的编程方式较后代的编程方式缺乏创意，但仍就此形成了PLC 的编程标准。

(2) 发展阶段：到1970年代中后期PLC 的功能有了很大的拓展，具有更多的逻辑控制、计数、定时等功能，其中的一些还能进行数据的比较和运算、数据的传送和模拟量的运算。

(3) 通讯阶段：随着计算机技术与PLC 的快速发展，PLC 与计算机的交互应用也越来越多，其控制功能和处理速度极大提高，通讯也越来越便捷，使得PLC 迅速扩散到其他行业，为PLC 的兴盛奠定了基础。

(4) 开放阶段：PLC 通讯阶段积累的优势得以展现，促进了 PLC 在开放功能上的发展。主要表现在通信系统的开放，使各厂商的系统可以交流。与此同时PLC 的功能也逐步完善[1]。

以PC 为基础的PLC 实际是把PC 与PLC 结合在一起，既能满足计算机大方向的发展需要，又将生产控制与管理合二为一，也迎合了智能交通灯系统，将处理大宗数据、通信、控制程序统一起来。

1.2 PLC 的基本结构、工作原理及特点

图 1 PLC的基本结构

PLC 的基本结构如图1所示，由以下部分组成：

(1) 中央处理单元(CPU )

可编程控制器的单片机即为CPU 板，CPU 是可编程控制器的核心部件，在相对应的逻辑程序的控制下，完成工业目标里制定的运算处理和编辑协作的功能。

(2) 存储器

执行存放系统程序、用户程序以及运算数据的单元，主要用于存储系统监控程序及系统工作区间，并且进行用户环境的生成。其系统的工作能力及系统程序的质量决定了其容量的大小。存储器在整个系统中分为两种，分别是用户存储器、系统存储器和工作数据存储器[2][14]。

(3) 输入/输出(I/O) 电路

PLC 的输入电路是将外部接受信号送至PLC 内部电路。输入电路有三类分别为直流输入式、交流输入式和干接点式。输出电路是驱动被控负载的。输出电路结构形式分为晶闸管式、继电器式和双极型式。输入输出电路连接着可编程控制器和工业生产中的各类信号，最终由光电耦合口或继电器将信号传入传出PLC 。输入输出扩展接口电路用于连接相对应的扩展单元，增加输入输出模拟量端子[3][18]。

(4) 电源

24V 和5VDC 直流开关式稳压电源。

(5)编程器

可编程控制器最关键的外部设施是它的编程器，可编程控制器本体上不带编程器。编程器从结构上划分有三种，分别为简易编程器、图形编程器和通用计算机编程[6]。

PLC 的工作过程流程图如图2所示：

图 2 PLC的工作过程

PLC 与传统的计算机相比有很大的不同，PLC 的工作方式为循环扫描，而且是不断地循环的顺序扫描。PLC 从用户的第一条程序开始，如果没有中断指令或者跳转指令，则会按照程序顺序执行程序，直到END 指令结束。再返回从头开始，并且一遍又一遍地按程序顺序运行，直到停机或者系统停止状态。通常把PLC 每扫描完一次程序的时

间一个扫描周期。此外，PLC 处理输入或输出信号的方式也与众不同。传统的计算机处理这两种信号采用的是实时处理，而PLC 对这两种信号是集中批处理。以下将具体介绍PLC 的扫描过程[10][17]。

PLC 采取的是循环扫描的方式，它主要分为以下三个阶段：

(1) 输入采样阶段

PLC 进入输入采样时，将按顺序采样所有的输入端口的关断情况以及输入端的数据，并将这些数据及状态存入输入状态寄存器。接着转入程序执行阶段。在那之前，PLC 将扫描各输入口，依次会将所有的输入信号，读入到输入映像寄存器中，目的是为了寄存输入状态，输入采样便是以上过程。另外，当PLC 运行时，PLC 真正需要的输入信息并不是实时的端口数据，而是取在输入映像寄存器里的数据。在一个扫描周期内当前的采样内容不会改变，只有进入下一个扫描周期后才会重新刷新输入采样[10]。

(2) 程序执行阶段

PLC 在执行程序时，按照从左到右，从上到下的顺序执行程序。其过程为，从元器件相对应的状态寄存器中读出有关元件的on/off状态，通过相关程序的运算编程，其运算结果再存入对应的状态寄存器当中。

(3) 输出刷新阶段

当所有步序指令执行结束后，读取各个元器件所对应的输出状态寄存器的on/off状态，再刷新输出阶段由于转存状态的输出寄存器，PLC 的实际输出其实是各个寄存器的通断。所有的程序在PLC 内执行完了后，PLC 将输出映像寄存器中的状态数据传输到输出锁存器中进行输出，用以驱动用户设备[12]。

PLC 的特点:抗干扰能力强；编程简单；功能强；设计、安装容易；体积小、功耗低。

1.3 PLC 的选型

1.3.1 PLC 的分类

PLC 种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC 的分类，通常以其不同的结构、不同的功能和不同的I/O口数量等进行分类。分类如下：

(1) 按I/O点数分类

PLC 的I/O口数目从少到多，通常可以分为小型、中型和大型三类。

小型PLC 是单CPU 、8位或16位处理器，它的I/O口数小于256点，用户程序存

储器容量小于4K 。如德国西门子公司的S7-200、三菱电气公司的F 系列。中型PLC 是双CPU 结构，IO 口数在256~2048之间，用户程序存储器容量为2K~8K，它的功能更加丰富、同时可以控制开关量和模拟量。如德国西门子公司的S7-300。大型PLC 是多CPU ，有16位、32位处理器，它的输入/输出点数在2048点以上，可以存储8K~16K的用户程序，且具备更加完善的控制功能。如三菱公司的K3、德国西门子公司的S7-400[8]。

(2) 按结构形式分类

根据PLC 的结构不同，PLC 可被分为整体式和模块式两大类。将PLC 相应的电源、CPU 、存储单元、I/O模块统一集体安装在一个机箱内的成为整体式。这种形式的PLC 有着更小的体积，更符合经济性要求，且便于装入工业设备内部。整体式PLC 具备CPU 、输入输出接口及其扩展接口这些基本的单元。而且这种形式的PLC 还可以装配一些具有特殊的功能的模块。将系统各单元组成部分做成相互独立的模块的PLC 称为模块式PLC ，它由各功能模块构成，使用时将不同功能的模块分别插入机架底板的插座上。可根据具体的任务要求不同，选配不同的规模，这种PLC 的I/O点数多，更具有灵活性，且使用方便，易于扩展。大中型PLC 通常采用这种结构[7][13]。

(3) 按功能分类

根据实际应用的功能的不同，可将PLC 分为低档、中档和高档三类。低档PLC 具有简单的逻辑运算、定时、传输数据、通信等功能；在低档PLC 的基础上增设了中断控制、比例积分微分控制等功能便成了中档PLC ；高档PLC 在中档PLC 的基础上添加了更加复杂的位逻辑运算、符号算数运算等功能，具有更强的通信联网功能，由于应用的高档性，使其控制质量大大提高。

1.3.2 PLC 的型号选择

三菱的PLC 品种很多，FX2N 系列是整个FX 系列中最先进的，它程序执行更快，满足单个需求的多种特殊功能模块，最大程度上提升了系统的灵活性和控制能力。但根据系统中的控制要求PLC 点数：有12个实际输入点，以及7个实际输出点。作为输入输出电视估算数据，需要再增加百分之十到百分之二是的可扩展余量，所以选择FX2N-48MR [15]。实物图如图3所示 。

图 3 FX2N-48MR

FX2N-48的接线图共24个输入点，24个输出点，输入点是X0～X7，X10～X17, X20～X27, 全部接com 端输出点是Y0接com0，Y1接com1，Y2、Y3对应com2，Y4、Y5、Y6对应com3，Y10、Y11、Y12、Y13对应com4，Y14、Y15、Y16、Y17对应com5，Y20～Y23接com6，Y24～Y27接com7。

2光电计数器及其应用

2.1 光电计数器的介绍

光电计数器由光电元件制成的自动计数装置。它的工作原理是当光源发出的一束平行光照射在光电元件(如光电管、光敏电阻等) 上，每当遮挡一次平行光束时，光电元件的工作状态就相应地更改一次，再使用放大器可让计数器记下被遮挡的次数。其基本原理图如图所示。

图 4 光电计数器的基本原理

在这里指出，信号的处理是通过放大器放大信号并对信号进行整形。数字显示则是通过具有相应功能的电子芯片将电信号转换成在显示屏上的数字。

2.2 光电计数器的铺设

通过实际对路面车流量的观测，对得到的数据进行分析，最终与指导老师讨论得出将光电计数器安装在距离十字路口30米处较为合适。通过光电计数器记录的数字，可统计出在路口一个红灯或者一个绿灯时长下此路口的车辆数，以便传递给PLC 的程序执行。十字路口的光电计数器的铺设如图所示。

图5 十字路口光电计数器的铺设情况

3智能交通灯系统的设计

3.1 智能交通灯系统的要求及其流程图

本设计是在三菱PLC 的基础上，中鸿 胎压监测http://www.anhuizhonghong.com/。，采用光电计数器来统计路口实时车流量，最终通过PLC 控制交通灯红绿灯时长，主要组成部分为PLC 、光电计数器、和交通信号灯三部分。本设计可以有效缓解路面交通拥堵及提高交通通行效率，其具体要求如下：

(1)车辆检测器可以实时实地的监测到车流量、车辆占有量、车速等各种交通参数，这些参数都可以用来设置交通控制系统的匹配时间。

(2)检测器检测到交通信息后对交通信息进行处理再将处理后的数据传输到主机上，成为系统优化匹配时间的输入数据，进入智能控制系统，检测器的检测周期为两个交通灯闪烁周期。

(3)在智能控制系统中遵循以下规则：假设一个交通灯的闪烁周期是55秒，在马路东西南北，各安装一个光电开关，然后记录东西单位时间车流量，南北单位时间车流量，根据东西与南北车流量的比值，来动态调整红绿灯的时间。 如果比值为1，东西与南北红绿灯时间相同。如果比值大于1，南北通行时间长，东西通行时间短。如果比值小于1，以此类推。具体的通行时间，采用由东西和南北通道各占总时间的比例进行分配。

(4)通过PLC 进行编程，对城市交通路口的交通灯亮灭进行编程，对交通灯的暗灭进行控制。

本设计的工作流程如图6所示。

图6 工作流程图

本设计的输入输出端口分配如表1所示。

表1 系统I/O口的分配

本设计的外部接线图为图7所示。

图7 系统的外部接线图

3.2智能交通灯系统的梯形图

PLC 的编程一定会涉及梯形图，它是直接从以往的的继电器控制器演变而来。梯形图能直观体现具体的动作，其可读性高。梯形图的编程规则是按自上到下，从左到右顺序编写，可编程控制器程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。梯形图左边的垂直线称为起始母线，右边的垂直直线称为终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止于继电器线圈。[9]以下为智能交通灯系统的梯形图的分析，

(1)分配路口交通灯各灯的等待时如图8所示。

图8 交通灯分配时间梯形图

(2)图9是预设各方向的交通灯的常亮和闪烁的时间。预设定东西方向绿灯常亮为

20秒，南北方向绿灯为25秒。同时预设定各路口绿灯闪烁时间三秒，各路口黄灯时间2秒，东西方向与南北方向的绿灯不能同时亮起，不然会引起严重的交通事故。为此，要设定东西方向和南北方向绿灯同时亮起的警报，避免事故的发生。

图9 各路口交通灯的分配和相应警报灯的设定

(3)智能交通灯的数据采集和智能分配如图11所示，智能交通灯的核心便是采集数据通过采集的数据计算出对应路口绿灯时长。图11中，X1，X2，X3，X4分别为光电计数器的接触开关，对采集到的数据进行相加，计算出东西南北总车流量，用东西方向除以总车流量乘以45秒的总绿灯时间得到东西方向的实时绿灯车流量。再用45秒总绿灯时间减去东西方向实时车流量为南北方向实时车流量。同时，设定每两个红绿灯闪烁时间为光电计数器的刷新时间，以此循环反复。

图10 智能交通灯的数据采集和智能分配

4 智能交通灯控制系统的模拟仿真

本次基于车流量检测的时间可调智能车交通灯系统的设计是基于三菱FX 系列PLC 机器。TPMS ，中鸿官网http://www.anhuizhonghong.com。本次设计的仿真模拟环境选择的是DX –DEVELOP 软件，在用户的程序写好后将对应的程序下载到模拟的PLC 中，虚拟的PLC 可仿真实际情况下的PLC 的运行。它具有与实际情况下的PLC 相同的监控方式。本次系统设计的仿真，是利用强制on 和off 程序中的X1，X2，X3，X4 开关，模拟实际情况中的来车情况，观测东西南北绿灯时间是否发生变化。部分仿真示意图如图11所示。

图11 智能交通灯系统的仿真图

5 小结

本次毕业设计经过长时间的策划，从刚开始时，就如何做到时间可调做出讨论，在两种方案，其一对时间进行分段，分成高峰期和正常时段，分别设置两种时段对应的红绿灯时长。但是由于与指导老师给出的时间可调的题眼并不能完全契合，在苗雷老师的细心指导下，最终选择了以光电计数器作为计数工具，基于PLC 进行相应的时间分配的智能交通灯的设计方案。由于刚开始方案中只是以普通的交通灯为基础，并没有意识到南北方向和东西方向的绿灯同时亮起后对整个交通局势的影响，在老师的提醒下，最终完善了交通灯的这一报警机制。

参考文献：

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[19] 郝云. 传感器原理与应用, 北京:电子工业出版社,2000:153～163.

附录

交通灯系统的指令表：

0 LD M8002

1 MOV K200 D0

6 MOV K250 D1

11 ZRST D4 D12 16 LD X000

17 ANI T5

18 OUT Y0 K200 21 LD T0

22 OUT T1 K30 25 LD T1

26 OUT T2 K20 29 LD T2

30 OUT T3 K250 33 LD T3

34 OUT T4 K30 37 LD T4

38 OUT T5 K20 41 LD X000

42 ANI T2

43 OUT Y002

44 LD Y002

45 ANI T0

46 LDI Y003

47 AND T0

48 ANI T1

49 AND T10

50 ORB

51 OUT Y004

52 LDI T2

53 AND T1

54 OUT Y005

55 LD T2

56 OUT Y006

57 LDI T3

58 AND T2

59 LDI Y003

60 AND T3

61 ANI T4

62 AND T10

63 ORB

64 OUT YOOO

65 LDI T5

66 AND T4

67 OUT Y001

68 LD T0

69 AND Y004

70 OUT Y003

71 LDI T11

72 AND X000

73 OUT T10 K5 76 LD T10

77 OUT T11 K5 80 LD T5

81 OUT C0 K2 84 LD C0

85 RST C0

87 LDP X001

89 ORP X002

91 INC D4

94 LDP X003

96 ORP X004

98 INC D5

101 LD C0

102 AND D4 D5 D6 109 DIV D4 D6 D8 116 MUL D8 K450 D10 123 SUB K450 D10 D12 130 MOV D10 D0 135 MOV D12 D1 140 RST D4

143 RST D5

146 END

。