肖杰_0913090401_基于plc的十字路口交通灯智能控制的设计与实现

肖杰_0913090401_基于plc的十字路口交通灯智能控制的设计与实现内容摘要：

月 1 日零时为标准点的第六次全国人口普查，中国人口已经达到1370536875 人，城镇人口 54283 万人，且每年会有大量流动人口存在于各中大型城市，伴随着我国经济的迅猛发展，国民生活水平的提高，私家车数量呈迅猛势头逐年增加，目前已达到 5989 万辆（民用），这样的形式造成了我国城市交通目前日趋拥挤的 现状。 而且，在 2020 年 2020 年间， 20 岁 25 岁生育旺盛期妇女将达到一个高峰，同时，由于独生子女陆续进入生育年龄，按照现行生育政策，生育水平将有提高，中国将迎来又 一次人口高峰。 这也意味着如若不对现有交通系统有所改变，我国未来的交通状况将更令人堪忧。 目前，我国大部分城市十字路口的交通灯控制系统基本上采用的都是传统的定时控制方式，而这种控制方式存在着以下的弊端：当某条道路上的车流量很大却要等待红灯时，而此时按照原定时间亮着绿灯的道路上可能没有车或者车流量相对较少，这样的交通控制系统效率 低，很容易造成交通 拥挤，同时也浪费了大量的资源，而这样的结果 是由于未对道路进行路况监测并采取相应措施造成的。 所以，我们就有必要寻求一种具有智能的交通控制系统。 这种智能交通控制系统能够根据车流量的变化自动调节红绿灯的时间长度，在一定程度减少十字路口的车辆滞流现象，缓解交通拥挤，提高交通控制系统的效率 [1]。 交通灯的控制问题是个老难题，近年来，随着车辆的增加，这个问题日显突出，特别是在上下班的高峰期。 有很多学者多年来一直探讨缓解这个难题的方法。 其中包括近来提出的在车道（红绿灯前）安装车流量传感器，统计车流量再 控制绿灯的放行时间；设定定时器在上、下班高峰期增加绿灯的放行时间以及对各个路口违章、肇事的监控与记录等等问题。 所以，出于这些问题本设计采用合理的方案设计对十字路口交通灯进行控制以及对路口的安全状况的监控。 （二） 课题研究的意义 深入研究交通信号灯的控制理论，探讨原始定时控制与现行智能控制相结合的控基于 PLC 的十字路口交通灯智能控制的 设计与 实现 2 制方法，并通过在实际应用中已日趋成熟的可编程逻辑控制器，实现本设计，并对实现交通信号灯智能控制有一定的借鉴意义。 随着经济的飞速发展，机动车辆的增多，我国的交通状况日渐恶化，交通拥挤日益 严重，特别是一些大中城市，交通拥挤给人们带来极大不便的同时也制约了城市经济的发展。 解决城市交通问题的根本途径有两条，一是加快道路设施规划建设，二是在原有的基础上提高交通系统的效率。 目前，我国许多大城市都在建设地铁或轻轨以缓解交通压力。 但是，建设地铁或轻轨需要大量资金与时间，这对大多中小城市都不现实。 所以， 利用智能交通系统的设计，最大限度的提高现有道路资源利用率，从而缓解 交通系统的 拥堵现状 ， 不仅是现实的，也是必要的 [2]。 目前，中国平安城市的建设正如火如荼，智能交通作为平安城市建设的重要部分，其不仅产生了 新的发展商机，同时也肩负起了交通安全的责任。 就目前来看，中国智能交通的建设正处于起步阶段，因此，在巨大的投资背景与需求之下，发展前景十分良好。 而作为智能交通的一部分，十字路口交通灯智能控制系统的设计显得尤为重要。 并且，由于我国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，而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，这样就影响了道路的畅通。 为此，采用采用添加了地磁传感器和监控实时路况软件的基于 PLC 的智能交 通灯的设计，能较好地改善这个问题。 （三） 设计的主要内容 本设计以城市中车辆量较大的十字路口交通信号灯为研究对象，采用可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller 简称 PLC)对其控制 , 提出了一种智能控制十字路口交通信号灯的方法，它能够根据各方向车流量大小以及道路的拥挤状况来控制信号灯的时长。 具体方法如下：采用 环形线圈 传感器（本设计中采用车流量按钮代替）来探测车辆的通过，然后用 PLC 对车辆数量进行计数，运用一定的智能控制原则， PLC就能依据车流量的情况自动改变红绿灯的时间长度 以提高交通控制效率、缓解交通拥挤、达到最优控制 [3]。 研究内容主要包括： ① 实用系统分析； ② 控制方案确定、功能设计； ③ 线路设计与线路板制作； ④ 元件采购与焊接、系统总装与调试； 基于 PLC 的十字路口交通灯智能控制的 设计与 实现 3 ⑤ PLC的梯形图程序设计； ⑥ 组态王监控系统画面设计； ⑦ 对组态王、 PLC 和硬件控制板进行联机调试。 ⑧ 完成毕业论文的撰写。 基于 PLC 的十字路口交通灯智能控制的 设计与 实现 4 二、系统总体方案论证 （ 一 ） 控制方案的确定 目前普遍使用的电气控制方式主要有：继电器接触器控制、单片机系统控制和可编程序控制器控制。 (1) 继电器接触 器 控制 采用继电接触式控制系统设 计交通灯控制系统，主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方式是断续的，故又被称为断续控制系统。 这种系统的优点是结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强。 缺点是采用固定接线方式，接线过多，灵活性稍差，工作频率低，触电易损坏，且可靠性差 [4]。 (2) 单片机系统控制 单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器 [5]。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O接口电路等。 单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机 控制系统。 使用单片机设计交通灯控制系统采用 MSC51系列单片机 ATSC51和可编程并行 I/O接口芯片 8255A 为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过 8051芯片的 P1口设置红、绿灯燃亮时间。 使用单片机设计的优点是它们的 CPU 功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压底功耗。 缺点是编程复杂，对环境的要求较高，出现故障时进行调试不方便，且可靠性不高 [6]。 (3) 可编程序控制器控制 可编程逻辑控制器简称为 PLC。 它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计 数等 [7]。 可编程序控制器控制系统是一种数字运算操作的电子系统，专门为工业环境而设计。 它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。 它具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。 如果采用PLC 作为十字路口交通灯控制系统作为控制核心，只需将程序下载到 PLC 内即可。 并可通过通信随时对控制系统进行调试。 PLC 适应环境的能力非常强，抗干扰等方面能力都非常强大，同时性价比也很高 [8]。 基于 PLC 的十字路口交通灯智能控制的 设计与 实现 5 案的确定 与继电 接触器控制技术、单片机控制技术相比，可编程控制器控制技具有以下优点： ① 功能强，性价比高 ； ② 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 ； ③ 可靠性高，抗干扰能力强 ； ④ 系统的设计、安装、调试工作量少 ； ⑤ 编程方法简单 ； ⑥ 维修工作量小，维修方便 ； ⑦ 体积小，能耗低。 同时， PLC 其具有对使用环境适应性强的特性，且其内部定时器资源丰富，可对目前普遍使用的 “ 渐进式 ” 信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便的实现。 目前大多品牌的 PLC 内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化的管理。 由于 PLC 本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，以实现科学化管理。 综合以上优点，所以，本设计采用可编程序控制器控制系统。 （ 二 ） 检测传感器的确定 车辆检测器的类型主要可分为环行线圈检测器、微波车辆检测器、视频检测器、光电检测器、雷达检测器等。 (1) 环形线圈检测器 环形线圈检测器的优点是技术成熟、易于掌握和成本较低，缺点是安装和维护时破坏路面并会影响车辆正常运行、 检测结果可能会路面变形的影响。 (2) 微波 车辆检测器 测量方式在车型单一、车流稳定、车速分布均匀的道路上准确度较高，但是在车流拥堵以及大型车较多、车型分布不均匀的路段，由于遮挡，测量精度会受到比较大的影响。 另外，微波检测器要求离最近车道有 3m 的空间，如要检测 8车道，离最近车道也需要 79m的距离而且安装高度达到要求。 因此，在桥梁、立交、高架路的安装会受到限制，安装困难，价格也比较昂贵。 (3) 视频检测器 基于 PLC 的十字路口交通灯智能控制的 设计与 实现 6 视频车辆检测器的优点是直观可靠、安装调试维护方便和价格便宜，缺点是容易受恶劣天气、灯光、阴影等环境因素的影响， 汽 车的动态阴影也会带来干扰，受恶劣天气正确检测率下降，甚至无法检测。 (4) 光电检测器 光电检测器的有点是直观可靠，安装调试维护方便，价格便宜等优点，缺点是容易受恶劣天气、灯光、阴影等环境因素的影响，车辆的动态阴影也会带来干扰。 (5) 雷达 检测 器 雷达 检测 器制造安装比较简便，但是维修较为不便，并且要求车辆速度至少在5Km/h 以上，所以只是用在一些特殊场合。 本着实用性、经济性等原则，本设计选用具有高准确率、低成本、高可靠性的磁感应式检测器，在实际应用中在用埋设地磁线圈的方式，在演示过程中应用按钮式开关的连续按下代替其计数功能。 （ 三 ） 监测 软件的确定 监测 软件 (1)SIMATIC Win CC 系统功能强大且用户界面友好，成本很高。 (2)PXI 性能高，成本相对较低，但是应用比较繁琐。 (3)Kingview 性能较为完善，成本低廉，且使用很灵活。 软件的确定 本着实用性跟经济性的原则，本系统选用 Kingview 监测 软件。 （四）系统流程图 基于 PLC 的十字路口交通灯智能控制的 设计与 实现 7 启 动 开 关东 西 绿 灯 亮东 西 黄 灯 亮东 西 红 灯 亮结 束南 北 红 灯 亮南 北 绿 灯 亮南 北 黄 灯 亮2 5 s5 s 2 5 s3 0 s3 0 s5 s东西主干道南北主干道 图 交通等信号图 P L C环 形 线 圈传 感 器车 辆信 号 输 出有 车 辆 经 过没 有 车 辆 经 过 图 感应控制图 基于 PLC 的十字路口交通灯智能控制的 设计与 实现 8 （五）各选材型号的确定 的选型 根据表 31 可以确定所需 PLC的 IO 点数。 对于这种中小型自动控制中，应用德国西门子公司生产的 S7200 系列 PLC 无疑是十分明智的选择。 在主机模块中，常用的主机有 CPU222， CPU224， CPU226 三种。 若选择 CPU222 作为主机，由于 CPU222 有 8输入 /6 输出，与此设计的 4输入 /6 输出相比正好满足要求，而且还有 4点数字量输入的余量。 若选择 CPU224 作为。