摘 要
针对近年来城市交通的拥挤现象，特别是驾驶员违章严重、交通事故频发、车辆尾气污染等问题，介绍集计算机、信息、电子及通讯等众多高新技术手段于一体的智能交通指挥中心控制系统。该系统的安装及使用，大大缓解了城市道路堵塞现象、提高了道路的通行能力。减少了驾驶员违章的次数，抑制了交通事故的发生、同时能够减轻车辆尾气排放，从而对降低环境污染起到了不可低估的作用[1]。
分析现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。
关键词: 交通控制；交通灯；PLC
ABSTRACT
In recent years, for urban traffic congestion, especially drivers of serious violations, the frequent traffic accidents, vehicle exhaust pollution, introduced the small-computer, information, electronics and communications and other high-tech means in one of the intelligent traffic control center System. The system, and the use of and greatly ease the urban road congestion, increased road capacity. To reduce the number of illegal drivers to curb the occurrence of traffic accidents and at the same time to reduce vehicle emissions, thus reducing environmental pollution Have played a role should not be underestimated. Analysis of the modern urban traffic control and management of the status quo, combined with the actual situation of urban and rural transport on the traffic light control system working principle, given a simple and practical urban traffic light control system hardware design.
Key words: traffic control；traffic lights；PLC
目 录
1 绪论 ................................................................ 1 2 PLC概述 ............................................................. 2
2.1 PLC的发展现状 ................................................. 2 2.2 PLC的发展趋势 ................................................. 2
2.2.1 在产品规模方面，向两极发展。 ............................. 2 2.2.2 向通信网络化发展 ......................................... 2 2.2.3 向模块化、智能化发展 ..................................... 3 2.2.4 编程语言和编程工具的多样化和标准化 ....................... 3 2.2.5 PLC应用中存在的问题 ...................................... 3 2.3 PLC的特点 ..................................................... 4
2.3.1 可靠性高，抗干扰能力强 ................................... 4 2.3.2 控制系统结构简单，通用性强 ............................... 4 2.3.3 编程方便，易于使用 ....................................... 4 2.3.4 功能完善 ................................................. 4 2.3.5 设计、施工、调试的周期短 ................................. 4 2.3.6 体积小，维护操作方便 ..................................... 4 2.4 PLC的结构和工作原理 ........................................... 5
2.4.1 PLC的基本结构 ............................................ 5 2.4.2 PLC循环采样的3个工作阶段 ................................ 7
3 十字路口交通灯PLC系统设计方案 ...................................... 8
3.1 十字路口交通灯设计背景和意义 ................................... 8
3.1.1 设计背景 ................................................. 8 3.1.2研究目的和意义 ............................................. 8 3.2 十字路口交通灯总体方案设计 ..................................... 9
3.2.1 单片机的控制方案 ......................................... 9 3.2.2 微机的控制方案 .......................................... 10 3.2.3 PLC的控制方案 ........................................... 10 3.3 显示方式 ...................................................... 11
3.3.1 LED显示方式 ............................................. 11
3.3.2 LED+数码管显示方式 ...................................... 12 3.3.3 LCD液晶显示屏方式 ....................................... 12
4 十字路口交通灯控制系统设计 ......................................... 13
4.1 十字路口交通灯模型图 .......................................... 13 4.2 十字路口交通灯控制系统时序设计 ................ 错误！未定义书签。 4.2 控制要求 ...................................... 错误！未定义书签。 4.3 十字路口交通灯PLC控制系统I/O分配表如表2： .................. 16 4.4 十字路口交通灯PLC控制系统器件选择 ............................ 17
4.4.1 机型选择 ................................................ 17 4.4.2 输入输出模块或输入输出点数选择 .......................... 17 4.4.3 ＰＬＣ存储器类型及容量估算方法 .......................... 17 4.5 十字路口交通灯PLC控制系统步进图如图4： ...... 错误！未定义书签。 4.6 十字路口交通灯的控制梯形图 .................................... 18 4.7 十字路口交通灯PLC接线图如图:8： ............................... 23 5 十字路口交通的程序调试 控制系统的程序调试步骤 ..................... 24 6 设计小结 ........................................................... 25 参考文献 .............................................................. 26 附录 .................................................................. 27
1 绪论
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭，据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费[2]。
单片基控制系统设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难。程序的设计中，分析控制交通的多种原理，用传统的方法实现难度较大，所以使用可编程控制器，其主要原因是因为PLC具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。
本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。
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2 PLC概述
2.1 PLC的发展现状
目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位
机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。
现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。
经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主。国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势，如：需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。
2.2 PLC的发展趋势
随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。
2.2.1 在产品规模方面，向两极发展。
一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。 2.2.2 向通信网络化发展
PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。PLC与PLC之间的联网通
信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。目前，PLC制造商都在发展自己
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专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。
2.2.3 向模块化、智能化发展
为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器
件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性。
2.2.4 编程语言和编程工具的多样化和标准化
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。 PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP(制造自动化协议)靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。 2.2.5 PLC应用中存在的问题
PLC的正常运行是工业自动化生产流程的保障。尽管PLC的使用非常简便，但对于工业生产的很多特种环境来讲，是会对PLC的工作产生一定影响的，从而妨碍工业生产的正常运行。
（1）温度PLC有自身的工作温度限制，温度上限为55℃，下限不低于0℃，因此在PLC的安装过程中要充分考虑到散热性要求，并尽可能原理发热量大的电器元件，防止阳光直射。如果周围工作环境温度大于55℃时，还要考虑安装通风或制冷装置，来降低工作温度，从而保证PLC工作的温度要求。
（2）湿度元器件的绝缘性能与环境中的水汽含量有关，湿度控制是PLc元件稳定性的保证，要始终将湿度范围控制在85%以下。
（3）震动PLC对防震也有一定的要求，尽可能的远离强烈的震动装置，防止振动频率为10—55Hz的频繁或连续振动，必要时可以采取减震措施来减轻震动带来的危害。
（4）软PLC应用工业生产中需要解决一些重要的问题，其中主要有：
以PC为基础的控制引擎的实时性问题。软PLC首选的操作系统是Windows NT，微软发布的Windows NT系统是可靠性较高的编辑开发平台，非常适合软实时控制，它并不是一个硬实时的操作系统。另外，Windows CE等操作系统具有了NT在硬实时性方面所不具备的特性。在实际开发中也可使用其他的操作系统作为平台。
设备在恶劣条件下的可靠性低：即不能在高温、震动、温差大、多灰尘等恶劣环境下保持正常工作。只有以上关键技术得到解决后，软PLC才能真正用于工业控制领
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域。
2.3 PLC的特点
2.3.1 可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。由于PLC模块均采用大规模与超大规模集成电路，所以的I/O接口电路均采用光电隔离;在结构上对、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑;在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施;在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。以上这些使PLC具有较高的抗干扰能力。 2.3.2 控制系统结构简单，通用性强
在PLC控制系统中，只需要在PLC输入/输出端子上接入相应的信号线即可，不需要连接如继电器之类的低压电器和大量而又复杂的硬件接线线路 ，大大简化了控制系统的结构。PLC的输入/输出可直接与交流220V、直流24V等强电相连，并且具有较强的带负载能力。 2.3.3 编程方便，易于使用
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 2.3.4 功能完善
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。在PLC内部具备许多控制功能，如：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、PID控制、数据控制、通信和联网，还有其他特殊功能模块。 2.3.5 设计、施工、调试的周期短
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 2.3.6 体积小，维护操作方便
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PLC体积小，质量轻，便于安装，不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
2.4 PLC的结构和工作原理
2.4.1 PLC的基本结构
在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成，如图1
（1）中央处理器(CPU)
中央处理器(CPU)一般由控制器运算器和寄存器组成。它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不序地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU的主要任务如下：
A 按PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。 B用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。
C诊断电源或PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。
D在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。
（2）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。 A系统存储器
系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器。它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。其主要内容包括3个部分：系统管理程序、 用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。
B用户存储器
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用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。PLC使用的存储器有3种类型：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和可擦除可编程只读存储器(EEPRO)。 （3）输入/输出接口单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分：一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。 （4）扩展接口和通信接口
PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：
A扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。
B通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。 （5）电源部分
PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位PLC的中央处理器、存储器等。电路提供5V、+-12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。 （6）编程设备
编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。 （7）其他部件
有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展功能。
图1 PLC的基本结构
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2.4.2 PLC循环采样的3个工作阶段
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段完成。上述3个阶段即为一个周期。在整个运行期间PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。
（1）输入采样阶段PLC。在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。
（2）用户程序执行阶段。根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。当指令中涉及输入/输出时，PLC从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。
（3）输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
2.4.3 可编程控制器的结构分类
(1)按硬件的结构类型分类：编程控制器是专门为工业生产环境设计的。为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别，常见的有箱体式，模块式，及叠装式三种结构。
箱体式PLC一般用于规模小，输入输出点数固定，不需要扩展的场合。模块式PLC一般用于规模较大，输入输出点数多，输入输出点数比例灵活的场合。叠装式PLC具有二者的优点。
(2)按应用规模及功能分类：为了适应不同工业生产过程的应用要求，PLC能够处理的输入信号数量是不一样的。一般将一路信号称作一个店，将输入输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小，小，中，打，超大等五类型如下表1所示：
表1 PLC按规模分类
超小型 小型 中型 大型 超大型 64点以下 64-128点 128-512点 512-8192点 8192以上
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3 十字路口交通灯PLC系统设计方案
3.1 十字路口交通灯设计背景和意义
3.1.1 设计背景
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。 3.1.2研究目的和意义
（1）随着社会经济的发展城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。 随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况因此自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期它们也曾有效地改善了交通状况。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
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控制高速道路没有充分发挥出预期的作用，而城市高速道路在构造上的特点也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以如何采用合适的控制方法最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路缓解主干道与匝道、城区同周边地区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亟待解决的主要问题。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。
（2）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
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。
（3）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。
（4）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。
3.2 十字路口交通灯总体方案设计
3.2.1 单片机的控制方案
单片机是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM存储器、I/O接口等而构成的微型计算机。因为它主要应用于工业测控领域，因此单片机在出现时，intel公司就给单片机取名为嵌入式微控制器。单片机是以工业测控对象、环境、接口特点出发向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性方向发展。主要特点如下：
（1）种类多，型号全。很多单片机厂家逐年扩大适应各种需要，有针对性地推
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出一系列型号产品，使系统开发工程师有很大的选择余地。大部分产品有较好的兼容性，保证了已开发产品能顺利移植，较容易地使产品进行升级换代
（2）提高性能，扩大容量，性能价格比高。集成度已经达到300万个晶体管以上，总线速度达到数十微妙到几百纳秒，指令执行周期已经达到几微妙到数十纳秒，以往片外XRAM现已在物理上存入片内，ROM容量已经扩充达32K，64K，128K以致更大的空间。价格从几百到几元不等。
（3）增加控制功能，向真正意义上的“单片”机发展。把原本是外围接口芯片的功能集成到一块芯片内，在一片芯片中构造了一个完整的功能强大的微处理应用系统。
（4）低功耗。现在新型单片机的功耗越来越小，供电电压从5V降低到了3.2V，甚至1V，工作电流从mA降到µA级，gz2频率从十几兆可编程到几十千赫兹。特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等。
（5）C语言开发环境，友好的人机互交环境。大多数单片机都提供基于C语言开发平台，并提供大量的函数供使用，这使产品的开发周期、代码可读性、可移植性都大为提高。 3.2.2 微机的控制方案
电子计算机通常按体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。从系统结构和基本工作原理上说，微型机和其他几类计算机并没有本质上的区别，所不同的是微型机广泛采用了集成度相当高的器件和部件，因此带来以下一系列特点： 体积小，重量轻；价格低；可靠性高，结构灵活；应用面广；功能强，性能优越。但在小型机械加工中不如PLC实用。 3.2.3 PLC的控制方案
（1）靠性高，抗干扰能力强
可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
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（2）功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 （3）编程容易
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
不同控制方案比较如下见表2：
表2 不同交通灯设计方案比较
方 案 PLC 单片机 微机 系统结构 模块式 整体式 整体式 接口 一般不需要接口 需要制作接口电路 需要制作接口电路 测试 测试项目优良 优良 优良 稳定性 优良 优良 优良 工作环境要求 要求低 要求较低 要求较高 硬件扩展性 易扩展 不易扩展 不易扩展 软件扩展性 较好 易扩展 易扩展 通讯 好 好 好 结论 适合 较适合 较适合
基于以上各设计方案优缺点，选择PLC进行设计有一定的优势。
3.3 显示方式
3.3.1 LED显示方式
LED显示可靠性高，成本低，制作简单，但是显示方法不具有预判性，机动车驾驶人不容易判断后面出现的情况。
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3.3.2 LED+数码管显示方式
此方式不仅成本较低，而且制作相对简单，并且机动车驾驶人预判性好。 3.3.3 LCD液晶显示屏方式
液晶显示屏显示效果较好，稳定性高，但由于制作工艺复杂，制作成本较高故不宜选用。
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4 十字路口交通灯控制系统设计
4.1 设计内容及要求
4.1.1 控制设备
系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工
作。
4.1.2 控制对象有八个
东西方向红灯两个 , 南北方向红灯两个， 东西方向黄灯两个 , 南北方向黄灯两个， 东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个，
东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。 4.1.3 控制规律
（1）高峰时段、正常时段及晚上时段的时序分配按图2运行。
图2 各时段运行分配时序图 （2）高峰时段按图3运行
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图3 高峰时段运行时序图
（3）正常时段按图4运行
图4 正常时段运行时序图
（4）晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。
4.2 十字路口交通灯的原理
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4.2.1 十字路口交通灯的原理分析及示意图
如图5是十字路口交通信号灯示意图，本系统的控制对象有八个，分别为东西方向红灯两个，南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。本控制系统律分为高峰时段和正常时段进行控制，晚上时段按提示敬告方式运行。
图5 十字路口交通信号灯的示意图
4.2.2 时序分析
正常时段(6:30-7:00；8:15-16:30；19:00-21:00)：南北绿灯亮维持25秒，闪烁5秒后南北黄灯亮5秒，然后熄灭，同时南北红灯亮，东西左转弯绿灯亮5秒闪烁5秒后，东西方向绿灯亮，同时东西方向红灯熄灭，25秒后东西方向绿灯闪烁5秒后熄灭，东西黄灯亮5秒后熄灭，同时东西方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮同时南北方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮5秒闪烁5秒后熄灭，同时南北绿灯亮。
高峰时段（7:00-8:15；16:30-19:00）：南北绿灯亮维持30秒，闪烁5秒后南北黄灯亮5秒，然后熄灭，同时南北红灯亮，东西左转弯绿灯亮5秒闪烁5秒后，东西方向绿灯亮，同时东西方向红灯熄灭，20秒后东西方向绿灯闪烁5秒后熄灭，东西黄灯亮5秒后熄灭，同时东西方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮同时南北方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮5秒闪烁5秒后熄灭，同时南北绿灯亮。
晚间时段（21:00-6:30）：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，
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黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环
4.3 十字路口交通灯PLC控制系统控制流程图如图6：
开始读取时钟参数判断时间段并标记高峰时间段正常时间段晚间时间段结束 图6 PLC控制十字路口交通灯流程图
4.4 十字路口交通灯PLC控制系统I/O分配表如表3：
表3 十字路口交通灯PLC控制系统I/O分配表
输入器件 功能 输出器件 功能 X000(SB1) 启动按钮 Y000(HL1、HL2) 东西方向红灯 X001(SB2) 停止按钮 Y001(HL15、HL16) 南北方向左转绿灯 Y002(HL13、HL14) 南北方向绿灯 Y003(HL11、HL12) 南北方向黄灯 Y004(HL9、HL10) 南北方向红灯 Y005(HL7、HL8) 东西方向左转绿灯 Y006(HL5、HL6) 东西方向绿灯 Y007(HL3、HL4) 东西方向黄灯
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4.5 十字路口交通灯PLC控制系统其他器件分配表如表4：
表4 十字路口交通灯PLC控制系统I/O分配表
器件名称 功能
数据寄存器D（D200） 存放修改数据300/250 数据寄存器D（D201） 存放修改数据200/250 数据寄存器D（D3 D4 D5） 存放读入的时分秒 数据寄存器D（D20 D21） 预存6:30 数据寄存器D（D30 D31） 预存7:00 数据寄存器D（D40 D41） 预存8:15 数据寄存器D（D50 D51） 预存16:30 数据寄存器D（D60 D61） 预存19:00 数据寄存器D（D70 D71） 预存21:00 中间辅助继电器M（M3 M1） 统计出两段晚间期 中间辅助继电器M（M6 M9） 统计出两段高峰期 中间辅助继电器M（M4 M7 M1） 统计出三段正常期 中间辅助继电器M（M20） 控制晚间期 中间辅助继电器M（M21） 控制正常期 中间辅助继电器M（M22） 控制高峰期 中间辅助继电器M（M100） 控制子程序开启
定时器T（T0/T1、T2） 东西方向左转绿灯5S/闪5S 定时器T（T0/T1、T2） 东西方向绿灯D200S/闪5S 定时器T（T6） 东西方向红灯/黄灯亮5S 定时器T（T7/T8、T9） 南北方向左转绿灯5S/闪5S 定时器T（T10/T11、T12） 南北方向绿灯D201S/闪5S 定时器T（T13） 南北方向黄灯亮5S 定时器T（T14/T15） 晚间0.4/0.6闪烁
4.6 十字路口交通灯PLC控制系统器件选择
4.4.1 机型选择
由于实验室中三菱FX2N型号PLC居多，扩展性及向下兼容性较好，故选择FX2N系列PLC。
4.4.2 输入输出模块或输入输出点数选择
输出端口要求大于等于22个，LED功率为1w，需要PLC输出的最大功率为4*1w=4w，继电器灯负载输出最大值为100w，晶闸管灯负载最大输出功率为30w，晶体管灯负载最大直流输出功率为1.5w，此处选用继电器输出类型。 4.4.3 ＰＬＣ存储器类型及容量估算方法
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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。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
ＰＬＣ系统所用的存储器基本上由ＰＲＯＭ、Ｅ-ＰＲＯＭ及ＰＡＭ三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于６ｋＢ，中型机的最大存储能力可达６４ｋＢ，大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
ＰＬＣ的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，根据控制规模和应用目的，按照表5的公式来估算。一般应留有２５％～３０％的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，便可确定准确的存储容量。
表5 存储器容量的估算方法
控制方式 公式
原始样
1）
M=Km（10DI+5D0）
模拟量控制1） M=Km(10DI+5Do+100AI) 多路采样控制1） M=Km[10DI+5Do+100AI+(1+采样点×0.25]
注：DI为数字（开关）量输入信号；Do为数字（开关）量输出信号；AI为模拟量输入信号；Km为每个接点所占存储器字节数；M为存储器容量。
综合上述多项指标，故选择FX2N-48MR-001型PLC。
4.5 十字路口交通灯时间判断
（1）本段程序为时段的判断程序，通过运用时钟读取指令，将时间参数读到以D0开始的8个字节中，其中字节D3所代表的是小时，D4代表的是分钟，运用比较指令将不同的时间段进行分类，并通过置位M20、M21、M22进行标注，其中M20代表夜间时序，M21代表正常时序,M22代表高峰时序。具体程序如图7。
18
19
图7 时间判断梯形图
（2）正常时序程序及高峰时序程序，对比实验要求中的正常和高峰时序图，可知正常时段的交通灯时序与高峰时段相比各个等的亮灭顺序一致，仅时间存在差别，所以只需对个别参数进行修改，接下来以正常时序为例进行说明。
参照正常时序图，可将整个过程看做由多个90s的大周期组成，每个周期内又有6个小的时间段，根据需要满足的亮灯时间段条件进行亮灯控制。在编程过程中需要用到多个定时器对时间进行分段，以每个定时器的开关状态作为相关交通灯的控制条件。具体程序如图9。
20
21
图8 正常时序程序梯形图
（3）晚间时序程序，此过程主要控制东西方向与南北方向的黄灯闪烁，定时器T15控制周期内黄灯亮的时间0.4s，定时器T14控制闪烁0.6s。具体程序如图9。
图9 晚间时序程序梯形图
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4.7 十字路口交通灯PLC接线图如图:10：
R330TL1TL2TL16TL15TL14TL13TL12TL11TL10TL9TL8TL7TL6TL5TL4TL3SB1X0Y0Y1Y2Y3SB2COMPLCY4Y5Y6COMY7 图10 PLC接线图
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R330R330R330R330R330R330R330X1
5 十字路口交通的程序调试
（1）对于比较复杂的控制系统，需要绘制系统流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。由于本控制系统简单就可以省略这一步。
（2）设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。
（3）将程序输入到PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。 （4）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。
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6 设计小结
我们小组设计的是十字路口交通信号灯PLC控制系统设计与调试，由于这个课题和我们的生活联系很紧密，所以这让我做起来相对简单一点。
俗话说万事开头难，一开始我没有头绪，但是在黄老师的指导下，我们慢慢的就理解了，然后就开始了设计。我们设计的十字路口交通灯的功能是，不同时段的交通状况不同，所以本次设计就分为正常时段和高峰时段。首先我们自己研究普通的十字交通灯，在了解透彻的情况下，老师又跟我们具体讲解这次设计的思想。把具体的要求给我，然后又给我们提出了可能会遇到的问题让我们加以注意。
分析这些问题之后，我们就开始做准备工作。首先我们做硬件设计，先画原理图和硬件接线图，在老师的指导下，我们顺利的完成了。然后就是确定元器件的型号，列元器件清单。之后就是设计元器件的位置，使电路看起来整齐美观。接下来就是把元器件按照原理图连接起来，这一步一定要小心，，而且一定要细心。下面就是软件的设计了，在编写程序之前，我们先对基本的电路进行了分析，在理解之后，我们就考虑怎样进行正常时段和高峰时段的跳转，老师也带领我们一起分析，起初我们的程序出现了错误，该亮的灯没亮，该灭的等没灭，而且不能进行跳转，在老师一次又一次的分析下，我们对程序进行修改、试验，最后终于成功了。
在这三周的忙碌中，我们学到了许多，虽然以前学过PLC，由于时间关系有些遗忘，这次设计正好加以温习，并且对于PLC有了进一步的了解。在老师、同学的帮助下，我们很快完成了设计，我们认为本次设计不仅仅学到了许多知识，也很好的锻炼了我的意志。
最后希望我们每个人都能够顺利的通过。
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参考文献
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[2]金广业，李景学编．可编程序控制器原理与应用．北京：电子工业出版社，1991 （TP301/5）
[3]钟肇新，彭侃．可编程控制器原理及应用（第3版）．广州：华南理工大学出版社，2005
[4]陆岛编．工业电脑的安装与使用．北京：印刷工业出版社，1994 （TP305/1） [5]杨振兴，陈登顺．可编程序控制器原理和应用．长沙：中南工业大学出版社，1993
[6]吕景泉．可编程控制器技术教程．北京：高等教育出版社，2001 [7]胡学林．可编程控制器应用技术．北京：高等教育出版社，2001 [8]郁汉琪．机床电气及可编程序控制器实验、课程设计指导书．北京：高等教育出版社，2001
[9] 郑忠等编. 新编工厂电气设备手册. 北京：兵器工业出版社，1994 [10] 刑郁甫、杨天民、赵积善编. 新编实用电工手册, 北京：地质出版社，1997 [11]《工厂常用高低压电气设备手册》增补本 [12]《工厂常用高低压电气设备手册》上下册
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致 谢
这次课程设计首先要感谢我的任课老师对我们平时的悉心教导，没有理论基础就不可能设计出实际的产品；
其次我要感谢我的队友，在他们的协作下才能更快，更高，更强的完成任务； 最后，由于编者考虑有限，没有感谢到得一并在此一致表示谢意。
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附 录
表6 元件清单
序号 符号 名称 数量 1 PLC PLC 1 2 SB 开关 2 3 LED 发光二极管 8 4 R 电阻 8
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