基于plc的交通信號燈本科畢業論文(已修改)

　

【正文】 黑龍江工程學院本科生畢業設計基于PLC的交通信號燈本科畢業論文目 錄摘 要 ⅠAbstract Ⅱ第1章 緒 論 1 引言 1 課題的背景 1 課題研究的目的意義 2 國內外現狀及未來發展趨勢 3 國外發展現狀 3 國內發展現狀 4 未來發展趨勢 4 5第2章 控制系統總體方案與技術要求 8 系統的基本要求 8 8 9 PLC的結構及原理 12 PLC的分類 12 PLC的基本結構及原理 12 PLC設計的基本原則 13 PLC的選用 14 本章小結 15第3章 信號燈控制系統的設計 16 信號燈結構設計 16 16 18 20 25 倒計時數碼管的設計 26 26 29 本章小結 31第4章 信號燈無線遙控系統的設計 32 信號燈無線遙控系統的原理 32 33 33 35 36 發射系統的設計 36 36 38 38 接收系統的設計 39 本章小結 40結論 42參考文獻 43致謝 46附錄 47附錄1信號燈程序指令表 47附錄2數碼管顯示程序指令表 49附錄3紅外遙控程序 51附錄4信號燈仿真程序 54第1章 緒 論 引言可編程控制器（programmable controller）屬于微型計算機的一種，并且最早為工業控制應用而設計制造。由于其在最初功能上只可實現定時、計數以及邏輯控制等功能，故也被稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC。它具有可靠性高，功能完善，抗干擾性好、結構簡單、編程方便、體積小、重量輕等優點，是一種專門用于工業環境及過程控制的數字運算操作的電子系統并且主要用來代替繼電器實現邏輯控制。PLC以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術、網絡技術和通訊技術發展而來的一種新型工業控制自動化裝置。隨著現代技術的發展，該裝置在功能及構造上己經遠遠超過了早期的PLC。交通問題是現代社會發展的一個重要表現，同時也是社會發展的重要依托。交通運輸是城市功能活動的命脈，它直接影響社會經濟與生活的各個方面。在世界范圍內，隨著人口密度高速增長，城市化的腳步不斷加快，交通問題日漸嚴重。龍其在國際性大都市，擁擠的交通己經造成了巨大的能源損失和環境污染，同時也給人們的生活帶來了巨大的困擾。在我國，這個情況尤為突出。本課題通過深入地研究PLC的硬件結構與工作方式，成功地將PLC與十字路口交通信號燈聯系起來，初步解決了交通擁堵問題。系統地設計了基于PLC的十字路口交通信號燈控制系統，對包括具體信號燈配置、硬件與軟件的設計在內的控制環節進行了深刻研究，并且探索了手持式無線遙控裝置對于信號燈的控制。 課題的背景隨著社會的發展和進步以及人民生活水平的提高，上路的車輛越來越多，但相應的公路設施卻沒有相應的改善。這就導致了城市交通擁堵問題突出，而且擁堵的地方多是十字路口等車輛匯集處。在世界各大城市，交通堵塞尤為嚴重，盡管人們發明了紅綠燈，修建了立交橋，但是交通堵塞問題始終沒有解決，使之成為世界性的難題。但城市中的交通堵塞狀況嚴重與否還是或多或少地反映出所在城市的經濟發達程度和所處的發展階段。大多數人選擇汽車的初始動機主要是為了出行快捷和節省時間，然而由于交通堵塞所造成的出勤的低效率，往往使得人們的愿望與實際結果產生較大的差異。目前國內城市人口密集區，機動車和非機動車數量訊速增長，嚴重匱乏且陳舊的道路交通設施、布局不盡合理的城市路網已經不堪重負，這些都導致了城區交通擁堵頻繁、交通秩序混亂等問題。特別是早晚行車流量高峰期，道路人流、車流量基本處于飽和或超飽和狀態，車輛行駛緩慢，加上小商販占道擺攤設點、車輛隨意停亂放，使得蠶食、侵占道路現象比較突出，而“行車難、停車難”已越來越成為中心城區內的一種常態，是城市交通管理的難點和熱點。隨著城鎮人口不斷增長，機動車、非機動車擁有量還會逐年遞增，城市安全設施建設的滯后性凸顯，交通違法事故、治安事件時有發生，城市安全防控已成為了整個社會所關注的焦點。從相關部門的事后查處的結果來看，造成這些現象其中的一個重要原因就是機動車駕駛員在交警視線外違法行駛的情況非常普遍，交通參與者的交通安全意識普遍偏低。隨意違法的問題也在很大程度上反映了我區交通秩序管理缺乏科技手段給予支撐的問題，這些都成為我區道路交通事故處在多發態勢的主要原因。 面對日益嚴重的交通擁堵問題，想要僅僅依靠行政措施是遠遠不夠的。解決交通問題還應該利用科技力量對城市交通進行有效的管理，如何對異常的交通擁堵等交通事件進行有效的監督管理，是城市實現智能交通時需要考慮的重點之一。利用交通燈對車流進行管理，無疑是最為便捷且最為行之有效的方法。眼下一個極為迫切的問題就是如何優化目前的交通信號燈系統。交通運輸是城市功能活動的命脈，它直接影響社會經濟與生活的各個方面。在世界范圍內，隨著人口密度高速增長，城市化的腳步不斷加快，交通問題日漸嚴重。龍其在國際性大都市，擁擠的交通己經造成了巨大的能源損失和環境污染，同時也給人們的生活帶來了巨大的困擾。在我國，這個情況尤為突出。這就說明了交通路口的車輛指揮工作是極為重要的一環。以往的交通燈大都采用繼電器或單片機來實現，雖然簡單可控成本低，但同時也存在著功能少，可靠性較差，維護量很大等缺點。目前我國的交通信號燈主要靠單片機甚至是更初級的控制方式。該控制方式雖然簡單易行，但由于單片機工作穩定性差、易受外界干擾、可實現功能少且聯網性差，己越來越不能適應現代化都市對于交通控制的需求。而國內外到目前為止尚無完善的解決方案，這就為PLC的研發應用提供了廣闊的空間。PLC控制的信號燈的出現使得該問題迎刃而解。和單片機控制的十字路口信號燈相比，用PLC進行控制主要是考慮PLC具有很強的環境適應性，同時其內部定時器資源非常豐富，可對交通燈進行精確控制。PLC是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術、網絡技術和通訊技術發展而來的一種新型工業控制自動化裝置。可靠性高，功能完善，抗干擾性好、具有結構簡單、編程方便、體積小、重量輕等優點，是一種專門用于工業環境及過程控制的數字運算操作的電子系統。PLC對交通信號燈的控制，主要是考慮其具有對使用環境適應性強的特性，同時其內部定時器資源豐富，可實現精確控制，且具有通訊聯網功能，可以將相關路口統一調度管理。并且由于PLC內部均配有實時時鐘，因此通過PLC控制可對交通燈實施全天候無人化管理。另外因為PLC具有通信聯網功能，所以可以將同一條道路上的交通燈組成局域網進行的統一調度管理，這樣就可以縮短車輛等候時間，進而實現科學化管理。該課題的提出和研究有利于填補國內外PLC應用領域的空白和不足，充分發揮PLC在現代工業控制中的優越性。也正是因為如此，如何充分地利用PLC系統的控制優勢，使其適應現在的交通狀況，成為競相研究的課題。 國內外現狀及未來發展趨勢 國外發展現狀在交通信號燈的控制方面，國外尤其是歐美等發達國家，PLC控制的交通信號燈在大中城市甚至是小城填也早己數見不鮮。在日常出行中，高質量的交通信號無疑也對車的智能控制和減少交通擁堵上起到了至關重要的作用。而且由于PLC具有高可靠性和超長壽命的優點，平時并不需要人工維護，這在人力資源奇缺的西方發達國家來說，是節約勞動力的最好方式。目前，世界上大約有200家PLC生產廠商，400多品種的PLC產品，按地域來說可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產品，各流派PLC產品也都各具自己的特色。如日本主要發展中小型PLC，其小型PLC設計先進，結構緊湊，價格便宜，在世界市場上占用重要地位,以PLC為基礎的紅綠燈在各大城市并不少見，各個PLC生產公司也因此大獲其利。就這一角度來說，以PLC控制的信號燈將極具競爭力。PLC的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其在應用方面受到了限制。但近十多年以來，PLC的應用面卻越來越廣。究其原因，主要是一方面由于微處理器芯片有關的元件價格大為下降，這使得PLC的成本迅速下降；另一方面PLC的功能大大增強，也能夠解決復雜的計算以及通信問題。PLC的應用范圍通常可分成5種類型，它們分別是：順序控制、運動控制、過程控制、數據處理和通信網絡。在工業自動化領域中，國外的PLC己經成為大多數自動化系統的設備基礎，由于綜合了計算機和自動化技術，PLC的發展更是日新月異，現在己經很大程度地超過了其剛剛出現時的技術水平。 國內發展現狀雖然PLC在國外的研究己得到了長足的進步，但我國工業企業的自動化程度還普遍較低，不僅PLC產品應用范圍有限，生產PLC的廠家也是鳳毛麟角，如機械行業80%以上的設備仍然采用傳統的繼電器和接觸器進行控制。PLC在我國的應用潛力遠遠沒有得到充分發揮，PLC產品還有著很大的應用空間。雖然我國大中型企業普遍采用了先進的自動化系統對生產過程進行控制，但絕大部分的小型企業還尚未應用自動化系統和產品對生產過程進行控制。對于交通燈這種技術要求不太高的控制，與PLC有關的研究更是無人問津。近幾年來，隨著上路的車輛越來越多，與此同時城市交通擁堵問題日益突出，城市交通問題己成為了關乎人民正常生活與否的重要一環。合理的交通控制方法能有效的緩解交通擁擠、減少尾氣排放及能源消耗、縮短出行延時，改善我國獨有的交通問題，所以對交通信號控制方法的研究具有重大意義。當前我國的十字路口信號燈還主要靠單片機控制，該控制方式雖然簡單易行，但由于單片機工作穩定性差、易受外界干擾、可實現功能少且聯網性差，己越來越不適應現代化都市對于交通的需求。本文要研究的由PLC控制十字路口交通信號燈正是為了解決上述問題運應而生。PLC憑借其高精度、高可靠性及長壽命為其在交通信號燈的控制上提供了巨大的發展空間。我國在“十五”規劃中就已明確提出了“用信息化帶動工業化”的發展計劃，大量傳統產業的自動化改造將為PLC控制。我國的工業發展及自動化應用水平與工業發達國家相比有幾十年的滯后，按目前的經濟形勢分析，我國將迎來一個PLC市場高速增長的時期。 未來發展趨勢和單片機控制的十字路口信號燈相比，用PLC進行控制主要是考慮PLC具有很強的環境適應性，同時其內部定時器資源非常豐富，可對交通燈進行精確控制。由于PLC內部均配有實時時鐘，因此通過PLC控制可對交通燈實施全天候無人化管理。另外因為PLC具有通信聯網功能，所以可以將同一條道路上的交通燈組成局域網進行的統一調度管理，這樣就可以縮短車輛等候時間，進而實現科學化管理。正是由于PLC較之單片機及其它控制的種種優點，以PLC取代城市現有的交通燈控制方法是勢在必行的。城市的交通系統是一種時刻變化且非線性的系統。以往的交通控制方面的研究多傾向于實際操作的考慮而非基于理論控制的方法。近年來，隨著眾多研究控制理論的學者教授的參與，城市交通的自動控制領域方面的研究出現了新的思路和方法，人工智能是新的研究方法之一。人工智能是將PLC控制與智能化計算機結合，利用模糊控制與神經網絡控制的技術進行十字路口交通信號燈控制能夠取得比定時控制更為有效的結果。這是今后的交通信號燈的主要研究方向。將模糊控制和神經網絡控制兩者結合起來用于十字路口交通信號燈的控制將很有可能成為今后交通信號燈控制研究的重點，所以對其進行一次系統全面的研究是十分必要的。 課題研究的主要內容本設計主要研究了基于PLC的十字路口交通信號燈控制。十字路口信號燈系統的具體構成元素包括：東、西、南、北方向裝有主干道直行“紅綠黃”燈和左轉“紅綠黃”燈，人行道紅、綠燈和四個數碼管倒計時顯示裝置以及手持式無線控制器。PLC系統的信號燈的設計主要是各個方向的紅、黃、綠燈信號。對于南北方向上某一行車方向的信號燈輸出，本設計共設置了三組信號燈，其中兩組車信號燈，分為直行紅、黃、綠燈和左轉紅、黃、綠燈，另外一組是人行道上的紅、綠燈。南北向和東西向燈均以120s為一個循環周期，以南北向紅黃綠燈來說（1）直行紅黃綠燈，該組信號燈的3個燈以綠燈（35s） 黃燈(5s) 紅燈（80s）依次循環。（2）左轉紅黃綠燈，該組信號燈的3個燈以紅燈（35s） 綠燈（15s） 黃燈(5s) 紅燈（60s）依次循環。（3）人行道紅綠燈，各自以紅燈（35s） 綠燈（85s）依次循環，并且與直行方向與左轉方向綠燈狀態相反。東西方向信號燈與南北向配置相同，但亮、滅狀態相反。由于系統對于信號燈倒計時的顯示并無特殊要求，故本設計采用了七段數碼管。數碼管共分為四組，分別是南北向和東西向，其中南北東西向各有兩組。電源采用直流24V。本設計中四個方向數碼管共設置了四組，南北方向和東西方向各兩組，每一方向的兩組數碼管顯示均相同。對于某一組數碼管，又分為了個位數字顯示和十位顯示。每組數碼管分別用來顯示直行、左轉燈當中的綠、黃燈倒計時時間以及處于綠、黃燈