【正文】 32 致謝 33 智能交通燈設(shè)計 1 第一章 緒 論 引言 目前，我國許多大中城市的交通壓力都非常大。部分交通路口的信號燈工作時間不合理，交通違章或肇事記錄不確切。所以，改善與提高現(xiàn)有的交通系統(tǒng)的工作效率，加強交通路口的信號燈控制和安全狀況的 監(jiān)控是非常重要的。 交通燈控制系統(tǒng)的發(fā)展有著悠久的歷史，伴隨著人類工業(yè)文明的發(fā)展，汽車以及其他各種交通工具呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。各種交通工具的大量使用使得人們的出行更加方便，但隨之而來的是交通的壓力越來越大，各個路口對于對于交通指揮系統(tǒng)的需求大量增加。早在 1868 年，全世界第一臺煤氣是紅綠兩色照明燈由英國工程師 納伊特 安裝在了倫敦 威斯特敏斯特街口 ，它可以控制車輛的通行，但是不久，這種交通燈便消身匿跡了，原因是由于一場爆炸事故。盜了1914 年左右，交通燈又重新出現(xiàn)了， 美國的克利夫蘭 制造了一款由電力驅(qū)動的交通 燈，它被安裝在了紐約和芝加哥等地，這種交通燈的概念已經(jīng)和現(xiàn)在大致相同。 1926 年，自動化控制的交通燈得到利用，這為現(xiàn)代城市交通奠定了基礎(chǔ)。1968 年，聯(lián)合國《道路交通和道路標(biāo)志信號協(xié)定》 對交通燈的各種意義做出了明確的規(guī)定 ， 綠燈行，綠燈車道的車輛可直行可左拐可右拐，如果前面有禁止標(biāo)志的則除外。并且左右拐彎的車輛必須讓直行車輛和行人先行。紅燈停，紅燈車道的車輛不準(zhǔn)超過人行道。黃燈等一等，黃燈車道的車輛必須減速， 但車輛已 十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口 。交通燈的使用大大緩解了交通壓力，使得城市的擁堵 顯現(xiàn)得到了一定程度的緩解，使人們的出行現(xiàn)狀得到了改善。但是隨著當(dāng)今經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車的擁有量不斷上升，傳統(tǒng)的交通燈系統(tǒng)已經(jīng)越來越不能滿足交通壓力的需求。在這樣的背景下，本次論文設(shè)計的任務(wù)主要是設(shè)計一款能根據(jù)路面車流量的變化，進而調(diào)整交通燈讀秒時間的交通燈系統(tǒng)，從而改善路面交通壓力，同時也可以節(jié)約交通資源。 智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，最早可以追溯到 20 世紀(jì)七八十年代的一系列車輛導(dǎo)流系統(tǒng)新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。 1991 年美國通過 “ 地面交通效率法 ” （ ISTEA），俗稱 “ 冰茶法案 ” ，從此美國 的 IVHS 研究開始進入宏觀運作階段。 1994 年，美國將 IVHS 更名為 ITS。之后，之后，歐洲、日本等也相繼加入了這一行列。經(jīng) 智能交通燈設(shè)計 2 過 30 年的發(fā)展，美國、歐洲、日本成為世界 ITS 研究的三大基地。 美國是當(dāng)今世界在 ITS 開發(fā)領(lǐng)域發(fā)展最快的國家，它從上個世紀(jì) 80 年代開始，先后開展了與智能汽車技術(shù)相關(guān)的 PATH、 IVI、 VII 和 CVHAS 等國家項目1995 年 3 月美國交通部正是出版了“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃”，明確規(guī)定了智能交通系統(tǒng)的 7 大領(lǐng)域和 29 個用戶服務(wù)功能目前 7 大領(lǐng)域包括：出行和交通關(guān)系系統(tǒng)、出行需求管理系統(tǒng)、公 共交通運營系統(tǒng)、商用車輛運營系統(tǒng)、電子收費系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)、先進的車輛控制和安全系統(tǒng)。 日本于上個世紀(jì) 90 年代初就制定了大力發(fā)展智能交通系統(tǒng)的國家愛戰(zhàn)略，其中智能汽車作為只鞥交通的重要組成部分，也得到了深入研究。日本政府主導(dǎo)的先進安全汽車 ASV 項目已于 2022 年取得初步實用化成果。 我國 ITS 的發(fā)展起步較晚， 70 年代以來，從國外引進、消化了一些項目，并進行了一些 ITS 或類 ITS 基礎(chǔ)項目的研究和應(yīng)用。 70 年代中至 80 年代初，主要是進行城市交通信號控制試驗研究， 80 年代中至 90 年代初，在一些大城市引進和消化 城市交通信號控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了一些（高速）公路監(jiān)控系統(tǒng)、高等級公路電子收費系統(tǒng)和路邊信息服務(wù)系統(tǒng)。 90 年代中以來，開始研究部門 ITS 發(fā)展戰(zhàn)略和 GIS、 GPS、 EDI 在交通中的應(yīng)用等，重視交通信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，公路和橋梁管理用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和道路交通量和氣象數(shù)據(jù)采集等經(jīng)過多年的努力，也已取得明顯的進展。 本課題的主要研究內(nèi)容 此次設(shè)計的主要內(nèi)容是在傳統(tǒng)的交通燈基礎(chǔ)之上，通過 PLC 進行編程，設(shè)計出一款能夠根據(jù)車流量的變化來智能化調(diào)整交通燈讀秒時間的交通燈控制系統(tǒng)。要實現(xiàn)預(yù)期目的的初期設(shè)想是在十字路口東西南北各個 方向上安裝光電計數(shù)器，以 此來統(tǒng)計各個路口的車流量，再將數(shù)據(jù)輸入計算機中央控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進 行分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，智能化的判斷各個交通路口的擁堵情況，從而通過PLC 控制系統(tǒng)來適當(dāng)?shù)恼{(diào)整紅綠燈的讀秒時間。并且在此基礎(chǔ)之上，若交通燈路口遇到特殊車輛或者緊急情況，該系統(tǒng)也能切換到人工控制模式，實現(xiàn)強通控制，從而保證路面交通的正常運行。此系統(tǒng)不僅成本低，維護方便，而且能在最大程度上緩解交通壓力，節(jié)約交通資源。 本設(shè)計主要設(shè)計利用 PLC 來實現(xiàn)十字路口交通燈的控制與監(jiān)控。通過交通中心的主機根據(jù)具體城市各路口的需要控制 各個十字路口的 PLC，從而控制十字路 智能交通燈設(shè)計 3 口交通燈的變化，以及對各個路口 的安全狀況進行監(jiān)控，監(jiān)控機動車是否違章、是否肇事，并把記錄的結(jié)果存儲、上傳和處理。 本設(shè)計的 上位機采用 PC 機，通過安裝在十字路口的監(jiān)控設(shè)備以及移動電子監(jiān)控設(shè)備，對各個十字路口的安全狀況進行監(jiān)控。下位機采用德國西門子的S7200 系列的 CPU226 做主機，配以擴展模塊 EM222。設(shè)計中采用 S7200 編程軟件進行編程。采用順序功能圖與梯形圖相結(jié)合的方法設(shè)計程序。實現(xiàn)對城市十字路口的合理控制與監(jiān)控。 智能交通燈設(shè)計 4 第二章 PLC 的功能介紹 PLC 的基本概念和基本結(jié)構(gòu) PLC 的基本概念 PLC 問世以來，盡管時間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，美國電氣制造商協(xié)會 NEMA（ National Electrical Manufactory Association）經(jīng)過四年的調(diào)查工作，于 1984 年首先將其正式命名為 PC（ Programmable Controller），并給 PC 作了如下定義： “PC 是一個數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲存指令。用來執(zhí)行諸如邏輯，順序，計時，計數(shù)與演算等功能 ，并通過數(shù)字或類似的輸入 /輸出模塊，以控制各種機械或工作程序。一部數(shù)字電子計算機若是從事執(zhí)行 PC之功能著，亦被視為 PC，但不包括鼓式或類似的機械式順序控制器。 ” 以后國際電工委員會 (IEC)又先后頒布了 PLC 標(biāo)準(zhǔn)的草案第一稿，第二稿 ,并在 1987 年 2 月通過了對它的定義： “ 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算 ,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn) 過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。 ” 總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機。它具有豐富的輸入 /輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制 。 PLC 的基本結(jié)構(gòu) （ CPU） CPU 是 PLC 的核心部件， CPU 模塊在 PLC 中相當(dāng)于大腦和心臟，是整個 PLC控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。它 的主要功能如下： ⑴ 接受和儲存用戶程序和數(shù)據(jù) ⑵ 掃描現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，存入數(shù)據(jù)區(qū) ⑶ 檢測和診斷電源， PLC 內(nèi)部電路工作狀態(tài)和程序中的語法錯誤 ⑷ 從存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過指令解釋后，去開啟或關(guān)閉相關(guān)控 智能交通燈設(shè)計 5 制電路，完成相關(guān)的邏輯運算和算術(shù)運算。 ⑸ 根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新相關(guān)標(biāo)識位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表的內(nèi)容，以實現(xiàn)輸出控制，制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 PLC 中采用的 CPU 一般有三大類：通用處理器、單片機芯片和微處理器。其中小中型 PLC 一般采用微處理器或單片機，而大型的 PLC 大多采用高速位片 式處理器。檔次越高， PLC 的位次也越多，運行的速度越快，功能也會更強大。 存儲器一般分兩種：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器存儲的是系統(tǒng)程序，它是由廠家開發(fā)固化好了的，用戶不能更改， PLC 要在系統(tǒng)程序的管理下運行。用戶存儲器中存放的是用戶程序和運行所需要的資源， I/O 寄存器的值作為條件決定著存儲器中的程序如何被執(zhí)行，從而完成復(fù)雜的控制功能。常用的存儲器類型有 CMOS RAM、 EPROM、 PLC 系統(tǒng)，用戶不能直接存儲，因此 PLC 產(chǎn)品中所說的存儲類型及其容量，是指 用戶程序存儲器而言。 PLC 中所配用的用戶存儲器的容量大小有較大差別，小型的在 8K 以下，大型的可以達到 256K. （ I/O）模塊 輸入模塊和輸出模塊簡稱 I/O 模塊，他是聯(lián)系外部設(shè)備和 CPU 模塊的橋梁。PLC 的對外功能，主要是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊用來接收和采集輸 入信號，輸出模塊用來送出 PLC 運算后得出的控制信息，并通過機外的執(zhí)行機構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。 PLC 有多重 I/O 模塊，常見的有數(shù)字 I/O 模塊、模擬量 I/O 模塊、快速響應(yīng)模塊，高速計數(shù)模塊和 PID 控制模塊等。 PLC 配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源，用來將外部供電電源轉(zhuǎn)換成供 PLC 內(nèi)部的 CPU、存儲器和 I/O 接口等電路工作所需的直流電源。 PLC 使用 AC 220V 電源或 DC 24V電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供不同等級的直流電源。小型的 PLC 可以為輸入電路和外部的電子傳感器（例如接近開關(guān)）提供 DC 24V 電源， 驅(qū)動 PLC 負載的直流電源一般由用戶提供。小型 PLC 的電源往往和 CPU 單元合為一體，大中型PLC 都有專門的外部電源部件，驅(qū)動 PLC 負載的直流電源一般由用戶提供。為防 智能交通燈設(shè)計 6 止 PLC 內(nèi)部重要數(shù)據(jù)的丟失， PLC 還帶有鋰電池作為后備電源。 編程器用來生成用戶程序，一般分為手持式編程器和圖形編程器。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入好編輯指令表程序，因此又叫做指令編輯器。它的體積小，價格便宜，一般用來給小型的 PLC 編程，或者用與現(xiàn)場調(diào)試和維護。圖形編程器既可以用指令語句進行編程，又可以用梯形圖編程；既 可聯(lián)機編程，又可脫機編程，操作方便、功能強。 現(xiàn)在，很多 PLC 都可以用計算機作為編程工具，在計算機上直接生成和編輯梯形圖或指令表，并可以實現(xiàn)其轉(zhuǎn)換。最重要的是這種程序可以存盤或者打印，也可通過網(wǎng)絡(luò)遠程傳送。 PLC 還包含有一些其他的外部設(shè)備，如合適磁帶機、打印機、 EPROM 寫入器等。 打印機 計算機 盒式磁帶機 條碼掃描儀 輸出設(shè)備 輸入設(shè)備 圖 21 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 的特點和應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 的特點 高可靠性 （ 1）所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離。 外 設(shè) 接 口 輸 入 接 口 CPU 電源I/O 擴 展 接 口 輸 出 接 口 編程器 I/O 擴展 單元 指示燈 電磁線圈 ...... 電磁閥 按鈕觸點 ...... 行程開關(guān) 存儲器 系統(tǒng) 用戶 數(shù) 程序 程序 據(jù) 智能交通燈設(shè)計 7 （ 2）各輸入端均采用 RC 濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為 10~20ms. （ 3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射 干擾。 （ 4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 （ 5）對采用的器件進行嚴格的篩選。 （ 6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況， CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴大。 （ 7）大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng) ,使可靠性更進一步提高。 豐富的 I/O 接口模塊 PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送 器；電磁線圈；控制閥等直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 機對話的接口模塊 。 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。 采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 PLC 的各個部件，包括 CPU，電源， I