交通灯控制系统

交通灯控制系统

学号：姓名：刘宁日期：

B10041002

2013年12月3

日

摘 要

自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。

可编程控制器(PLC)以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活,而且结构简单，抗干扰能力强。三菱可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合交通灯控制系统的要求与特点，能够方便地联网通信。

本文选择三菱可编程控制器FX2N-48MR为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现了十字路口交通灯控制系统的自动化。

关键词: PLC；梯形图；交通灯控制

第一章 前言

1.1课题背景

1858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。1914年，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，安装在纽约市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。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作了规定。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。

1.2研究目的和意义

在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益

繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。

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，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖

数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。

可编程控制器交通灯控制系统的特点： ①脱机手动工作； ②联机自动就地工作； ③上机控制的单周期运行方式；

④由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制； ⑤自动启动、自动停机控制方式。

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。 本系统采用PLC是基于以下四个原因：

①PLC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；

根据交通信号灯系统的要求与特点，我们采用了日本三菱公司FX2N-48MR型PLC。三菱PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是FX2N系列中最高档次的超小型程序装置。三菱可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制。

第2章PLC控制交通灯总体设计方案

2．1 方案概述

状态1：118S—73S车道：东西：左转直行绿灯，右转绿灯亮

南北：左转直行红灯，右转绿灯亮

人行道：东西向绿灯亮，南北向红灯亮 72S—70S东西左转直行黄灯，闪烁3S

状态2：69S—33S车道：东西：左转直行红灯，右转绿灯

南北：左转红灯,直行绿灯，右转绿灯 人行道：东西红灯，南北绿灯 32S—30S南北直行黄灯，闪烁3S

状态3：29S-3S车道：东西：左转直行红灯,右转绿灯亮 南北：左转绿灯,直行红灯，右转绿灯亮 人行道：东西红灯，南北绿灯亮 2S—0S南北左转黄灯，闪烁3S

2．2 方案论证 状态1：

状态2：

状态3：

备注：车道交通灯由上向下为：红黄绿。人行道交通灯双圆环表示：绿灯亮。

第3章 硬件设计

3.1 PLC的硬件结构

PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和模块式两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。其结构如图2-1所示。

图3-1 PLC的结构图

3.2 控制要求

（1）要求具有启动和结束开关，另外还有紧急停止开关；

（2）车道为东西方向和南北方向，每个方向都为车道，各有红黄绿三种控制状态; （3）根据人流量控制交通灯时长； （4）夜间23时至次日5时为黄灯。

3.3 硬件选型

3.3.1 PLC选型及信号分析

（1）输入输出信号分析及I/O分配如表3-1所示：

表3-1 输入输出信号分析及I/O分配 器件 SB1 SB2 SB3 端口 X0 X1 X2 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y17

用途 启动按钮 结束按钮 急停按钮 东西右转绿灯 南北右转绿灯 东西左转直行绿灯 东西右转红灯 南北右转红灯 东西左转直行红灯 东西左转直行黄灯 东西右转黄灯 南北右转黄灯 南北左转绿灯 南北直行绿灯 南北左转红灯 南北直行红灯 南北直行黄灯 南北左转黄灯 东西人行绿灯 南北人行绿灯 东西人行红灯 南北人行红灯 （2）PLC选型：

根据输入输出端所选PLC型号为：FX2N-48MR。继电器输出,输入24点,输出

24点，交流电源，24V直流输入类型。FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。

3.3.2信号灯

(1)车行道交通灯

型号：JD300-2-35-1 产品光强度的相关技术指标：

1) 发光单元大于600CD LED芯片为四元素技术制造

2) 发光单元使用的LED基准波长为：红色 625±5nm 绿色505±2nm

3) 标准电压AC50HZ,220V,满足+20%的变化范围 （2）人行道交通灯

型号: RX300-3 发光亮度4000cd±100cd 工作电压AC220V±40V 50HZ±5HZ 主要特点： 1）超薄设计，重量轻，结构新颖，外形美观； 2）防水,防尘,防高温,耐振动,低功耗,寿命长;

3)显示直观醒目.显示部分采用超高亮度发光二极管,性能稳定,亮度均匀,显示效果理想:

4)具有多种安装方式,适应不同的安装环境,施工安装极为方便: 5)采用模块化方式组装，维修及更换部件异常快捷。

3.3.3按钮性能指示

按钮性能指示表如表3-2所示：

表3-2 按钮性能指示表 机械 允许操作频率 绝缘电阻 接触电阻 同极端子间 耐压 带金属部位与地线之间 机械 寿命 重量 防触电保护等级 PTI(漏电特性) 电气 电气 60次／min 20次／min 100MW以上（DC500V兆欧表） 15mW以上（初始值） AC1,000V 50/60HZ 1min AC1,500V 50/60HZ 1min 100万次以上 10万次以上 约48-62g classII 175 3.3.4 熔断器

此熔断器型号为：RT14

本系列熔断器适用于交流50HZ，额定电压至220V,额定电流至63A,主要作为电气线路的过载和短路保护；还可派生为半导体器件及其成套装置的短路保护以及电动机短路保护。

3.3.5电源开关

开关型号为：DZ47-60 ； 额定电流范围：1-63A； 具有过载和短路保护，正常情况下作为线路的不频繁操作转换用，具有隔离功能； 额定短路分断能力：40A ,60A； 电气寿命4000次，机械寿命10000次。

3.3.6元器件明细表:

元器件明细表如表3-3所示：

表3-3 元器件明细表: 元件 可编程控制器 按钮开关 电源开关 人行道交通灯 车行道交通灯 熔断器 型号 FX2N—48MR OF ZD47—60 RX300—3 JD300—2—35—1 RT14 数量（个） 1 3 1 8 10 1

第4章 系统设计

4.1 编写程序流程图

程序控制流程如图4-1所示：

启动开关

东西红灯亮 南北直行 60S 27S 南北黄灯闪

东西直行 27S 3S 63S 东西黄灯闪 南北左转 3S 27S 3S 东西左转 南北黄灯闪 27S

东西黄灯闪 结束

图4-1 程序控制流程图

4.2程序设计

4.2.1硬件接线图：

硬件连接图如图4-1所示：

SB1SB2SB3启动Y0停止急停Y1Y2东西左转直行绿灯东西右转红灯南北右转红灯东西左转直行红灯东西左转直行黄灯东西右转黄灯南北右转黄灯南北左转绿灯南北直行绿灯南北左转红灯南北直行红灯南北直行黄灯南北左转黄灯东西人行绿灯南北人行绿灯东西人行红灯南北人行红灯PLC东西右转绿灯南北右转绿灯Y3Y4Y5Y6Y7Y10Y11Y12Y13Y14Y15Y16COMY17220VCOMFU 图4-1 硬件连接图

4.3.3 梯形图:

梯形图如4-1所示：

X0M0X2M1X1M1Y2Y3Y10Y11Y16Y17RSTS0RSTS26RSTS27RSTS28RSTS29RSTS30M0T0S0T0C0SETM2C0K4SETS21RSTC5S21T0C1RSTM2K4SETS22RSTC0S22T0C2SETM2C2K16SETS23RSTC1S23T0C3RSTM2C3K4SETS24RSTC2C1SETS0T0K18000X1M0

S24SETM2T0C4C4K8SETS25RSTC3S25Y4Y5Y12Y13Y14Y15RSTS0RSTS26RSTS27RSTS28RSTS29RSTS30T0C5C5K12S0RSTC4RSTS0Y0Y1Y10Y11Y14Y17M2M2T1T2S26Y17M3M3T3T1K450T2K400SETS26Y4Y14T3K30SETS27

S27Y0Y3Y7Y10Y15Y16M2M2T4T5S28Y15M3T4K370T5K470SETS28Y16Y12T6K30SETS29Y0Y3Y6Y11Y15Y16T6S29M2M2T7T8S30T7K270T8K220SETS30Y16M3M3T9Y13Y15T9K30S0M0T11RSTT10K5T11K5M0ENDT10 图4-2 梯形图

4.3.4 指令语句表:

指令语句表如表4-4所示：

表4-4 指令语句表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 LD OR ANI OUT LD OR ANI OUT OUT OUT OUT OUT OUT OUT RST RST RST RST RST RST LD SET ANI OUT K STL SET RST X0 M0 X1 M0 X2 M1 X1 M1 Y2 Y3 Y8 Y11 Y16 Y17 S0 S26 S27 S28 S29 S30 M0 S0 T0 T0 18000 S0 M2 C5 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 K LD SET STL RST RST LD OUT K LD SET STL SET RST LD OUT K LD SET STL RST RST LD OUT K LD SET STL 4 C0 S21 S21 M2 C0 T0 C1 4 C1 S22 S22 M2 C1 T0 C2 16 C2 S23 S23 M2 C2 T0 C3 4 C3 S24 S24 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 LD OUT K LD SET STL OUT OUT OUT OUT OUT OUT RST RST RST RST RST RST RST LD OUT K LD OUT STL OUT OUT T0 C4 8 C4 S25 S25 Y4 Y5 Y12 Y13 Y14 Y15 S0 S26 S27 S28 S29 S30 C4 T0 C5 12 C5 S0 RET S0 Y0 Y1

28 29 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 LD OUT OUT OUT LD OUT K LDI OUT K LD OR SET STL OUT OUT K LD OUT OUT LD SET STL OUT OUT OUT OUT OUT OUT LD OUT K T0 C0 Y14 Y17 M2 T1 450 M2 T2 400 T1 T2 S26 S26 Y17 T3 30 M3 Y4 Y14 T3 S27 S27 Y0 Y3 Y7 Y10 Y15 Y16 M2 T4 370 58 59 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 SET RST LDI OUT K LD OR SET STL OUT OUT K OUT LD OUT LD SET STL OUT OUT OUT OUT OUT OUT LD OUT K LDI OUT K LD OR M2 C3 M2 T5 470 T4 T5 S28 S28 Y15 T6 30 Y16 M3 Y12 T6 S29 S29 Y0 Y3 Y6 Y11 Y15 Y16 M2 T7 270 M2 T8 220 T7 T8 88 89 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 OUT OUT SET STL OUT OUT K LD OUT OUT LD OUT LD ANI OUT K LD OUT K OUT Y10 Y11 S30 S30 Y16 T11 30 M3 Y13 Y15 T9 S0 RET M0 T11 T10 5 T10 T11 5 M3 END