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十字路口带倒计时显示的交通红绿灯控制系统设计 目录。 令狐采学 1系统概述 1.1应用背景及意义 随着城市和经济的发展，交通信号灯发挥的作用越来越大，正因为有了交通信号灯，才使车流、人流有了规范，同时，减少了交通事故发生的概率。 然而，交通信号灯不合理使用或设置，也会影响交通的顺畅。 因此，在实际设计时要遵循一定的原则和要求。 在十字路口，四面都悬挂着红、黄、绿、三色交通信号灯，它是不出声的“交通警察”。 红绿灯是国际统一的交通信号灯。 红灯是停止信号，绿灯是通行信号。 交叉路口，几个方向来的车都汇集在这儿，有的要直行，有的要拐弯，到底让谁先走，这就是要听从红绿灯指挥。 红灯亮，禁止直行或左转弯，在不碍行人和车辆情况下，允许车辆右转弯；绿灯亮，准许车辆直行或转弯；黄灯亮，停在路口停止线或人行横道线以内，已经继续通行；黄灯闪烁时，警告车辆注意安全。 1.2设计任务 采用PLC构成十字路口带倒计时显示的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。 系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA1控制。 SA1手柄指向左45º时，接点SA1-1接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图11-9所示工作时序周而复始，循环往复工作。 正常运行时，南北向及东西向均有两位数码管倒计时显示牌同时显示相应的指示灯剩余时间值。 SA1手柄指向中间0º时，接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，数码管显示99不变。 SA1手柄指向右45º时，接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，数码管显示99不变。 1.3设计要求 要求学生掌握一定的理论基础知识，同时具备一定的实践设计技能，并且能够利用PLC控制技术结合实际情况进行系统设计以及编程。 在课程设计中，学生是主体，应充分发挥他们的主动性和创造性。 教师的主导作用是引导其掌握完成设计内容的方法。 为保证顺利完成设计任务还应做到以下几点： 1.在接受设计任务后，应根据设计要求和应完成的设计内容进度计划，确定各阶段应完成的工作量，妥善安排时间。 2.在方案确定过程中应主动提出问题，以取得指导数师的帮助，同时要广泛讨论，依据充分。 在具体设计过程中要多思考，尤其是主要参数，要经过计算论证。 3.所有电气图样的绘制必须符合国家有关规定的标准，包括线条、图型符号、项目代号、回路标号、技术要求、标题栏、元器件明细表以及图样的折叠和装订。 4.说明书要求文字通顺、简练，字迹端正、整洁。 5.应在规定的时间内完成所有的设计任务。 6.如果条件允许，应对自己的设计线路进行试验论证，考虑进一步改进的可能性。 2方案论证 2.1方案比较 1、基于数字电路的交通灯控制系统 2、基于单片机的交通灯控制系统 3、基于PLC的交通灯控制系统 方案1： 数字电路是最为常用的一种控制设计电路，但是数字电路涉及复杂，且设计完成后电路参数是固定的，移植性差，体积大，成本高，所以是不利于交通信号灯的设计的 方案2： 在单片机控制系统电路中需要加入A/D，D/A转换器，线路复杂，还要分配大量的中断口地址。 而且单片机控制电路易受外界环境的干扰，也具有不稳定性。 并且单片机的功能实现是基于程序设计的，维修时需要具备一定编程基础的人来维修，要求较高，所以基于单片机实现的交通灯控制系统也不是理想的选择 方案3： PLC又称可编程逻辑控制器，作为一种新型的自动控制设备，它采用微电子技术，用软件代替了大量的硬件设备，不需要复杂的线路设计与连接，大大缩小了线路体积，因此它寿命长，并且具有很高的可靠性，在设计语言方面通过采用梯形图，简便直观，符合电气工人和技术人员的读图习惯，在安装，操作和维护也较容易，移植性较好；起程序设计和产品调试周期短，具有很好的经济效。
通过比较上述三种方案，可知方案3是最佳选择。
2.2 方案选择 综上所述，我选择第三种方案，也就是基于PLC的交通灯控制系统。 因为它可靠性高，抗干扰强，结构简单，使用、维护方便，功能强大，还有它的体积小，重量轻，功耗低。 2.3方案设计 十字路口交通信号灯现场示意图如图2.1所示 图2.1交通信号灯现场示意图 依据题目内容，知道要求如下。 正常控制时： ①当东西方向允许通行（绿灯）时，南北方向应禁止通行（红灯）；同样，当南北方向允许通行（绿灯）时，东西方向应禁止通行（红灯）。 ②在绿灯信号要切换为红灯信号之前，为提醒司机提前减速并刹车，应有明显的提示信号： 绿灯闪烁同时黄灯亮。 ③信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。 SA1手柄指向中间0º时： 接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，数码管显示99不变 SA1手柄指向右45º时: 接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，数码管显示99不变。 故设计思路如下： 以设置四个输入X000,X001，X002，X003分别作为系统总开关、交通灯正常工作控制开关、南北向交通灯常绿控制开关、东西向交通灯常绿控制开关。 用其他开关的常闭触点设置互锁，使三个状态不可能同时接通。 进入正常工作状态后，东西方向红灯亮30秒，由定时器T5实现，南北方向绿灯常亮25秒，由定时器T0实现，然后绿灯闪烁3秒，由定时器T1、T2来实现0.5秒振荡，计数器C0计数3次。 计数到后，C0的常开触点闭合，可以用来控制使南北方向的黄灯亮，并用T3计时2秒。 T3计时到后南北红灯亮30秒，由定时器T4实现，东西方向绿灯常亮25秒，由定时器T6实现，然后闪烁3秒，有定时器T7、T8来实现0.5秒振荡，计数器C1计数3次。 计数到后，C1的常开触点闭合，可以用来控制使东西方向的黄灯亮，并用T9计时2秒。 由于在各个方向三种信号灯亮的同时还要利用数码管显示相应指示灯的剩余时间，因此可以利用七段码译码指令SEGD。 七段码译码指令SEGD是驱动七段显示器的指令，可以显示一位十六进制数据。 源操作数S存储待显示数据，该单元低4位（只用低4位）所确定的十六进制数0-F经解码后存于指定的目的操作数D的低8位，高8位保持不变。 源操作数可为K、H、KnM、KnX等。 由于译码时只对低４位进行译码，所以ｎ一般取１。 使用译码指令输出为十六进制数，而我们所用到的倒计时显示只是十进制数，使用SEGD译码指令需要在其自减到0时进行人为赋值使其变为9，否则将显示F。 可见只使用SEGD指令将使程序变得十分复杂。 我们可以采用数据变换指令中的二进制数转换成BCD码并传送BCD指令。 BCD变换指令将源元件中的二进制数转换为BCD码并送到目标元件中。 PLC内部的算术运算用二进制数进行，可以用BCD指令将二进制数变换为BCD数后输出到七段数码管显示，可以实现倒计时。 南北方向数码管显示绿灯28秒倒计时时，可以在东西红灯亮且南北黄灯不亮时，每遇到东西红灯的上升沿，给数据寄存器赋值28，通过BCD指令转换成BCD码，存入八位中间继电器K2M，低4位中间继电器中的值经译码指令由一个数码管输出，高4位中间继电器中的值经译码指令SEGD由另一个数码管输出。 上升沿过后，数据寄存器D中的值每秒通过DEC指令自减1，并输出，实现倒计时，其中1秒时间可由1秒的时钟M8013的下降沿来实现，也可以用定时器T的0.5秒振荡电路实现。 由于采用M8013可能第一秒有时间误差，因此此程序采用了振荡电路。 南北黄灯2秒倒计时可以在黄灯上升沿时赋值，黄灯亮时自减。 数码管输出显示方法与前面绿灯时类似。 南北方向红灯30秒倒计时在红灯上升沿时赋值，红灯亮时自减，数码管显示方法同上。 东西方向的倒计时显示思路与南北方向相同。 当转换开关SA1的手柄指向中间0°时，X002的常开触点接通，常闭触点断开，交通灯系统转向执行南北绿灯常亮，东西红灯常亮的运行状态。 当转换开关SA1的手柄指向右45°时，X003的常开触点接通，常闭触点断开，交通灯系统转向执行东西绿灯常亮，南北红灯常亮的运行状态。 3.硬件设计 3.1I/O分配 I/O地址 I/O名称 功能说明说明 备注 X000 SB1 交通灯系统总开关 常开 X001 SA1-1 交通灯正常工作控制开关 常开 X002 SA1-2 南北向交通灯常绿控制开关 常开 X003 SA1-3 东西向交通灯常绿控制开关 常开 Y000 H1 南北向绿灯指示 通有效 Y001 H2 南北向黄灯指示 通有效 Y002 H3 南北向红灯指示 通有效 Y003 H4 东西向绿灯指示 通有效 Y004 H5 东西向黄灯指示 通有效 Y005 H6 东西向红灯指示 通有效 Y010-Y017 H11 南北向个位七段数码显示管 通有效 Y020-Y027 H12 南北向十位七段数码显示管 通有效 Y030-Y037 H13 东西向个位七段数码显示管 通有效 Y040-Y047 H14 东西向十位七段数码显示管 通有效 表3.1交通控制灯I/O地址定义表 3.2I/O接线图 根据信号灯控制要求，I/O分配及接线图如图3.1所示。 图3.1I/O接线图 3.3元件选型 选型设备如图所示： 设备名称 表示符号 数量 直流电源24V DC 1 转换开关 SA21 1 按钮 SB 1 限流电阻 R 32 七段数码管 H 4 PLC FX2N-80MR-001 1 表3.1选型设备表 直流电源24V： 通过购买获得，可以选择香港雅庆电子有限公司的AD24V15A型号的直流电源。 限流电阻选择： 电源电压为24V,通常的数码管是由发光二极管构成的，发光二极管的压降是比较固定的，通常红色为1.6V左右,工作电流通常10mA左右，限流电阻R=（Vcc-1.6V）/10mA=2.24KΩ，故电阻选择为2.3KΩ。 PLC选型原则： 1．输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量3，通常根据统计的输入输出点数，再增加5%-20%左右的备用I/O点数，作为输入输出点数估算数据。 本设计输入点数为4个，输出点数为38个。 故PLC的输入输出点数可为40个。 2．存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。 本设计程序较为简单，程序容量不大，因此一般的小型机种，即存储容量4-8KB的PLC即可满足。 3．安装形式的选择 常用的PLC结构由单元式和模块式，还有两者的结合体。 一般小型控制系统选择单元式，结构紧凑，可以直接安装在控制柜内，而大型控制系统一般选择模块式。 因为本控制系统属于小型控制系统，故采用单元式安装形式。 4.输入输出接口电路形式的选择 输入形式采用直流输入形式，输出型是采用继电器输出。 5．PLC供电方式的选择 本设计采用交流作为PLC的供电方式。 6．PLC型号的选择 通过对输入/输出点的选择、对存储量的选择，对I/O响应时间的选择输出负载的特点选型的分许。 该控制系统选用三菱公司FX2N系列的PLC。 它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的链接，可以增加输入/输出点数。 因此选用型号为三菱FX1N-80MR-001的PLC，输入输出点数为40，且内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K。 7.PLC扩展型号的选择 本设计过程中不需要扩展模块的扩展。 3.4电气安装布置图 表3.2电气安装布置图 图中的红绿灯只是为指示灯，并非真正的交通信号灯，交通信号红绿灯位于电线杆横轴下部，，电器元件放在一个长宽分别为60cm，80cm的小箱子中，用到了6个直径为15mm的十字槽螺丝固定，红绿灯控制箱放在电线杆底部即与地面接触的地方。 4.软件设计 4.1主流程 图4.1主程序流程图 设计流程如上图4.1所示 通电后，PLC进入工作状态。 当转换开关指向左45°的时候，交通信号灯正常工作，南北红灯亮25s闪3s，数码管28s倒计时剩2s后南北黄灯亮，之后南北红灯亮，进入30s倒计时。 同时东西红灯亮，进入30s倒计时，计时完成后东西绿灯亮25s闪3s，最后东西黄灯2s倒计时。 当转换开关指向中间位置即0°位置，南北绿灯东西红灯亮，数码管显示99不变。 当转换开关指向右45°时，东西绿灯南北红灯亮，数码管显示99不变。 4.2梯形图
5.系统调试 5.1软件调试： 1.启动GXDeveloper编程软件，，进入GXDeveloper程序编制环境 2.创建工程文件，单击菜单“工程\创建新工程”弹出创建工程对话框，选择PLC系列，PLC类型，程序类型分别为FXCPU，FX2N（C）,梯形图逻辑，单击“确定”进入梯形图编辑界面，如图5.1，图5.2 3.编辑梯形图程序，输入梯形图程序 4.变换梯形图程序，在梯形图写入模式下，编辑完PLC程序化需要将梯形图转换为PLC内部的格式。 单击菜单中的”变换\变换”进行梯形图的变换，变换后梯形图背景由灰色变成白色，如果有错误进行修改 5.用户程序的保存，单击菜单“工程”下的“保存工程”，输入工程名和标题 6.下载用户程序，单击菜单的”在线\传输设置”弹出传输设置对话框，双击“串口”进行串口设置。 通信设置后，单击菜单“在线\PLC写入”弹出“PLC写入对话框，选择“文件选择页”，选择”MAIN“程序，单击”执行“，写入PLC用户程序 7.运行用户程序 8.监控调试用户程序。 计算器进入监控模式，观察PLC运行时的相应的触电和线圈的状态，蓝框表示ON的状态 图5.1创建新工程窗口 图5.2梯形图编辑界面 5.2硬件调试 系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA1控制。 SA1手柄指向左45º时，接点SA1-1接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图所示工作时序周而复始，循环往复工作。 正常运行时，南北向及东西向均有两位数码管倒计时显示牌同时显示相应的指示灯剩余时间值。 SA1手柄指向中间0º时，接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，数码管显示99不变。 SA1手柄指向右45º时，接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，数码管显示99不变。 设计心得 本次课程设计收获了很多东西，一方面巩固了以前所学过的知识，另一方面学到了很多在书本上所没有学到过的知识。 使自己在理论知识和实践经验方面水平均有所提高。 途中当然遇到了很多困难，但也增强了查阅书籍，手册，图表和文献资料的能力，同时通过独立思考，深入研究有关问题，学会自己分析解决问题的方法解决了一些问题。 在这次课程设计中我充分感受到理论和实践的差距，一个人光有理论知识是远远不够的，在进行实践的时候才能认识到自己的不足。 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 对于知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定要把以前所学过的知识认真复习一下。 总之，本次的课程设计大大的锻炼了我多方面的能力，增强了我的动手能力，使我获益匪浅。 参考文献 [1]任胜杰，《电气控制与PLC系统》机械工业出版社2013年 [2]王鑫、李威，《PLC机电控制系统应用设计技术》（第2版）电子工业出版社,2010年3月 [3]高南、周乐挺，《PLC控制系统编程与实现任务解析》北京邮电大学出版社，2008年12月 [4]王永华，《现代电气控制及PLC应用技术》（第2版），北京航空航天大学出版社，2008年 附录A： 程序指令 LDM8002 ANDX000 SETS0 STLS0 LDX001 ANIX002 ANIX003 SETS21 SETS31 LDIX001 ANDX002 ANIX003 SETS41 LDIX001 ANIX002 ANDX003 SETS51 STLS21 OUTY000 OUTT0 K250 LDPY000 MOVK25D10 LDFM8013 DECD10 LDY000 SEGDK1M0K2Y010 LDY000 SEGDK1M4K2Y020 LDT0 SETS22 SETS23 STLS22 OUTM0 LDPM0 MOVK3D10 LDM0 SEGDD10K2Y010 LDFM8013 DECD10 STLS23 OUTT1 K5 LDT1 SETS24 STLS24 OUTY000 OUTC0 K3 OUTT2 K5 LDC0 ANIT2 SETS23 STLS22 STLS24 LDT2 ANDC0 SETS25 STLS25 OUTY001 RSTC0 OUTT3 K20 LDPY001 MOVK2D10 LDY001 SEGDD10K2Y010 LDFM8013 DECD10 LDT3 SETS26 STLS26 OUTY002 OUTT4 K300 LDPY002 MOVK30D10 LDFM8013 DECD10 LDY002 BCDD10K1M0 LDY002 SEGDK1M0K1Y010 LDY002 SEGDK1M4K1Y020 STLS31 OUTY005 OUTT5 K300 LDPY005 MOVK30D20 LDFM8013 DECD20 LDY005 BCDD20K2M0 LDY005 SEGDK2M0K2Y030 LDY005 SEGDK2M4K2Y040 LDT5 SETS32 STLS32 OUTY003 OUTT6 K250 LDPY003 MOVK25D20 LDFM8013 DECD20 LDY003 BCDD20K2M0 LDY003 SEGDK2M0K2Y030 LDY003 SEGDK2M4K2Y040 LDT6 SETS33 SETS34 STLS33 OUTM0 LDPM0 MOVK3D20 LDM0 SEGDD20K2Y030 LDFM8013 DECD20 STLS34 OUTT7 K5 LDT7 SETS35 STLS35 OUTY003 OUTC1 K3 OUTT8 K5 LDIC1 ANDT8 SETS34 STLS33 STLS35 LDC1 ANDT8 SETS36 STLS36 OUTY004 RSTC1 OUTT9 K20 LDPY004 MOVK2D20 LDY004 SEGDD20K2Y030 LDFM8013 DECD20 LDIX001 ANDX002 ANIX003 SETS41 STLS41 OUTY000 OUTY005 SEGDK9K2Y010 SEGDK9K2Y020 SEGDK9K2Y030 SEGDK9K2Y040 LDIX001 ANIX002 ANDX003 SETS51 STLS51 OUTY002 OUTY003 SEGDK9K2Y010 SEGDK9K2Y020 SEGDK9K2Y030 SEGDK9K2Y040 STLS26 STLS36 LDT4 LDT9 SETS0 RET END |
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