【正文】 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于PLC的交通信號(hào)燈本科畢業(yè)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 3 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 4 5第2章 控制系統(tǒng)總體方案與技術(shù)要求 8 系統(tǒng)的基本要求 8 8 9 PLC的結(jié)構(gòu)及原理 12 PLC的分類 12 PLC的基本結(jié)構(gòu)及原理 12 PLC設(shè)計(jì)的基本原則 13 PLC的選用 14 本章小結(jié) 15第3章 信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 信號(hào)燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 16 18 20 25 倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管的設(shè)計(jì) 26 26 29 本章小結(jié) 31第4章 信號(hào)燈無(wú)線遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 32 信號(hào)燈無(wú)線遙控系統(tǒng)的原理 32 33 33 35 36 發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 36 36 38 38 接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 39 本章小結(jié) 40結(jié)論 42參考文獻(xiàn) 43致謝 46附錄 47附錄1信號(hào)燈程序指令表 47附錄2數(shù)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(hào)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(jì)算機(jī)的一種，并且最早為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造。由于其在最初功能上只可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)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(jiǎn)稱PLC。它具有可靠性高，功能完善，抗干擾性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，是一種專門用于工業(yè)環(huán)境及過(guò)程控制的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)并且主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。PLC以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種新型工業(yè)控制自動(dòng)化裝置。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，該裝置在功能及構(gòu)造上己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了早期的PLC。交通問(wèn)題是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要表現(xiàn)，同時(shí)也是社會(huì)發(fā)展的重要依托。交通運(yùn)輸是城市功能活動(dòng)的命脈，它直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生活的各個(gè)方面。在世界范圍內(nèi)，隨著人口密度高速增長(zhǎng)，城市化的腳步不斷加快，交通問(wèn)題日漸嚴(yán)重。龍其在國(guó)際性大都市，擁擠的交通己經(jīng)造成了巨大的能源損失和環(huán)境污染，同時(shí)也給人們的生活帶來(lái)了巨大的困擾。在我國(guó)，這個(gè)情況尤為突出。本課題通過(guò)深入地研究PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作方式，成功地將PLC與十字路口交通信號(hào)燈聯(lián)系起來(lái)，初步解決了交通擁堵問(wèn)題。系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了基于PLC的十字路口交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，對(duì)包括具體信號(hào)燈配置、硬件與軟件的設(shè)計(jì)在內(nèi)的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行了深刻研究，并且探索了手持式無(wú)線遙控裝置對(duì)于信號(hào)燈的控制。 課題的背景隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步以及人民生活水平的提高，上路的車輛越來(lái)越多，但相應(yīng)的公路設(shè)施卻沒(méi)有相應(yīng)的改善。這就導(dǎo)致了城市交通擁堵問(wèn)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(yán)重，盡管人們發(fā)明了紅綠燈，修建了立交橋，但是交通堵塞問(wèn)題始終沒(méi)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(yán)重與否還是或多或少地反映出所在城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度和所處的發(fā)展階段。大多數(shù)人選擇汽車的初始動(dòng)機(jī)主要是為了出行快捷和節(jié)省時(shí)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(shí)際結(jié)果產(chǎn)生較大的差異。目前國(guó)內(nèi)城市人口密集區(qū)，機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車數(shù)量訊速增長(zhǎng)，嚴(yán)重匱乏且陳舊的道路交通設(shè)施、布局不盡合理的城市路網(wǎng)已經(jīng)不堪重負(fù)，這些都導(dǎo)致了城區(qū)交通擁堵頻繁、交通秩序混亂等問(wèn)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(tài)，車輛行駛緩慢，加上小商販占道擺攤設(shè)點(diǎn)、車輛隨意停亂放，使得蠶食、侵占道路現(xiàn)象比較突出，而“行車難、停車難”已越來(lái)越成為中心城區(qū)內(nèi)的一種常態(tài)，是城市交通管理的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。隨著城鎮(zhèn)人口不斷增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車擁有量還會(huì)逐年遞增，城市安全設(shè)施建設(shè)的滯后性凸顯，交通違法事故、治安事件時(shí)有發(fā)生，城市安全防控已成為了整個(gè)社會(huì)所關(guān)注的焦點(diǎn)。從相關(guān)部門的事后查處的結(jié)果來(lái)看，造成這些現(xiàn)象其中的一個(gè)重要原因就是機(jī)動(dòng)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(shí)普遍偏低。隨意違法的問(wèn)題也在很大程度上反映了我區(qū)交通秩序管理缺乏科技手段給予支撐的問(wèn)題，這些都成為我區(qū)道路交通事故處在多發(fā)態(tài)勢(shì)的主要原因。 面對(duì)日益嚴(yán)重的交通擁堵問(wèn)題，想要僅僅依靠行政措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。解決交通問(wèn)題還應(yīng)該利用科技力量對(duì)城市交通進(jìn)行有效的管理，如何對(duì)異常的交通擁堵等交通事件進(jìn)行有效的監(jiān)督管理，是城市實(shí)現(xiàn)智能交通時(shí)需要考慮的重點(diǎn)之一。利用交通燈對(duì)車流進(jìn)行管理，無(wú)疑是最為便捷且最為行之有效的方法。眼下一個(gè)極為迫切的問(wèn)題就是如何優(yōu)化目前的交通信號(hào)燈系統(tǒng)。交通運(yùn)輸是城市功能活動(dòng)的命脈，它直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生活的各個(gè)方面。在世界范圍內(nèi)，隨著人口密度高速增長(zhǎng)，城市化的腳步不斷加快，交通問(wèn)題日漸嚴(yán)重。龍其在國(guó)際性大都市，擁擠的交通己經(jīng)造成了巨大的能源損失和環(huán)境污染，同時(shí)也給人們的生活帶來(lái)了巨大的困擾。在我國(guó)，這個(gè)情況尤為突出。這就說(shuō)明了交通路口的車輛指揮工作是極為重要的一環(huán)。以往的交通燈大都采用繼電器或單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然簡(jiǎn)單可控成本低，但同時(shí)也存在著功能少，可靠性較差，維護(hù)量很大等缺點(diǎn)。目前我國(guó)的交通信號(hào)燈主要靠單片機(jī)甚至是更初級(jí)的控制方式。該控制方式雖然簡(jiǎn)單易行，但由于單片機(jī)工作穩(wěn)定性差、易受外界干擾、可實(shí)現(xiàn)功能少且聯(lián)網(wǎng)性差，己越來(lái)越不能適應(yīng)現(xiàn)代化都市對(duì)于交通控制的需求。而國(guó)內(nèi)外到目前為止尚無(wú)完善的解決方案，這就為PLC的研發(fā)應(yīng)用提供了廣闊的空間。PLC控制的信號(hào)燈的出現(xiàn)使得該問(wèn)題迎刃而解。和單片機(jī)控制的十字路口信號(hào)燈相比，用PLC進(jìn)行控制主要是考慮PLC具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源非常豐富，可對(duì)交通燈進(jìn)行精確控制。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種新型工業(yè)控制自動(dòng)化裝置?？煽啃愿撸δ芡晟?，抗干擾性好、具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，是一種專門用于工業(yè)環(huán)境及過(guò)程控制的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。PLC對(duì)交通信號(hào)燈的控制，主要是考慮其具有對(duì)使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特性，同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源豐富，可實(shí)現(xiàn)精確控制，且具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能，可以將相關(guān)路口統(tǒng)一調(diào)度管理。并且由于PLC內(nèi)部均配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，因此通過(guò)PLC控制可對(duì)交通燈實(shí)施全天候無(wú)人化管理。另外因?yàn)镻LC具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，所以可以將同一條道路上的交通燈組成局域網(wǎng)進(jìn)行的統(tǒng)一調(diào)度管理，這樣就可以縮短車輛等候時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。該課題的提出和研究有利于填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外PLC應(yīng)用領(lǐng)域的空白和不足，充分發(fā)揮PLC在現(xiàn)代工業(yè)控制中的優(yōu)越性。也正是因?yàn)槿绱耍绾纬浞值乩肞LC系統(tǒng)的控制優(yōu)勢(shì)，使其適應(yīng)現(xiàn)在的交通狀況，成為競(jìng)相研究的課題。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀在交通信號(hào)燈的控制方面，國(guó)外尤其是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，PLC控制的交通信號(hào)燈在大中城市甚至是小城填也早己數(shù)見(jiàn)不鮮。在日常出行中，高質(zhì)量的交通信號(hào)無(wú)疑也對(duì)車的智能控制和減少交通擁堵上起到了至關(guān)重要的作用。而且由于PLC具有高可靠性和超長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，平時(shí)并不需要人工維護(hù)，這在人力資源奇缺的西方發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，是節(jié)約勞動(dòng)力的最好方式。目前，世界上大約有200家PLC生產(chǎn)廠商，400多品種的PLC產(chǎn)品，按地域來(lái)說(shuō)可分成美國(guó)、歐洲、和日本等三個(gè)流派產(chǎn)品，各流派PLC產(chǎn)品也都各具自己的特色。如日本主要發(fā)展中小型PLC，其小型PLC設(shè)計(jì)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格便宜，在世界市場(chǎng)上占用重要地位,以PLC為基礎(chǔ)的紅綠燈在各大城市并不少見(jiàn)，各個(gè)PLC生產(chǎn)公司也因此大獲其利。就這一角度來(lái)說(shuō)，以PLC控制的信號(hào)燈將極具競(jìng)爭(zhēng)力。PLC的初期由于其價(jià)格高于繼電器控制裝置，使得其在應(yīng)用方面受到了限制。但近十多年以來(lái)，PLC的應(yīng)用面卻越來(lái)越廣。究其原因，主要是一方面由于微處理器芯片有關(guān)的元件價(jià)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(qiáng)，也能夠解決復(fù)雜的計(jì)算以及通信問(wèn)題。PLC的應(yīng)用范圍通?？煞殖?種類型，它們分別是：順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理和通信網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，國(guó)外的PLC己經(jīng)成為大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)，由于綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)，PLC的發(fā)展更是日新月異，現(xiàn)在己經(jīng)很大程度地超過(guò)了其剛剛出現(xiàn)時(shí)的技術(shù)水平。 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀雖然PLC在國(guó)外的研究己得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但我國(guó)工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度還普遍較低，不僅PLC產(chǎn)品應(yīng)用范圍有限，生產(chǎn)PLC的廠家也是鳳毛麟角，如機(jī)械行業(yè)80%以上的設(shè)備仍然采用傳統(tǒng)的繼電器和接觸器進(jìn)行控制。PLC在我國(guó)的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有得到充分發(fā)揮，PLC產(chǎn)品還有著很大的應(yīng)用空間。雖然我國(guó)大中型企業(yè)普遍采用了先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，但絕大部分的小型企業(yè)還尚未應(yīng)用自動(dòng)化系統(tǒng)和產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。對(duì)于交通燈這種技術(shù)要求不太高的控制，與PLC有關(guān)的研究更是無(wú)人問(wèn)津。近幾年來(lái)，隨著上路的車輛越來(lái)越多，與此同時(shí)城市交通擁堵問(wèn)題日益突出，城市交通問(wèn)題己成為了關(guān)乎人民正常生活與否的重要一環(huán)。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(shí)，改善我國(guó)獨(dú)有的交通問(wèn)題，所以對(duì)交通信號(hào)控制方法的研究具有重大意義。當(dāng)前我國(guó)的十字路口信號(hào)燈還主要靠單片機(jī)控制，該控制方式雖然簡(jiǎn)單易行，但由于單片機(jī)工作穩(wěn)定性差、易受外界干擾、可實(shí)現(xiàn)功能少且聯(lián)網(wǎng)性差，己越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代化都市對(duì)于交通的需求。本文要研究的由PLC控制十字路口交通信號(hào)燈正是為了解決上述問(wèn)題運(yùn)應(yīng)而生。PLC憑借其高精度、高可靠性及長(zhǎng)壽命為其在交通信號(hào)燈的控制上提供了巨大的發(fā)展空間。我國(guó)在“十五”規(guī)劃中就已明確提出了“用信息化帶動(dòng)工業(yè)化”的發(fā)展計(jì)劃，大量傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化改造將為PLC控制。我國(guó)的工業(yè)發(fā)展及自動(dòng)化應(yīng)用水平與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比有幾十年的滯后，按目前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)分析，我國(guó)將迎來(lái)一個(gè)PLC市場(chǎng)高速增長(zhǎng)的時(shí)期。 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和單片機(jī)控制的十字路口信號(hào)燈相比，用PLC進(jìn)行控制主要是考慮PLC具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源非常豐富，可對(duì)交通燈進(jìn)行精確控制。由于PLC內(nèi)部均配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，因此通過(guò)PLC控制可對(duì)交通燈實(shí)施全天候無(wú)人化管理。另外因?yàn)镻LC具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，所以可以將同一條道路上的交通燈組成局域網(wǎng)進(jìn)行的統(tǒng)一調(diào)度管理，這樣就可以縮短車輛等候時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。正是由于PLC較之單片機(jī)及其它控制的種種優(yōu)點(diǎn)，以PLC取代城市現(xiàn)有的交通燈控制方法是勢(shì)在必行的。城市的交通系統(tǒng)是一種時(shí)刻變化且非線性的系統(tǒng)。以往的交通控制方面的研究多傾向于實(shí)際操作的考慮而非基于理論控制的方法。近年來(lái)，隨著眾多研究控制理論的學(xué)者教授的參與，城市交通的自動(dòng)控制領(lǐng)域方面的研究出現(xiàn)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(jì)算機(jī)結(jié)合，利用模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的技術(shù)進(jìn)行十字路口交通信號(hào)燈控制能夠取得比定時(shí)控制更為有效的結(jié)果。這是今后的交通信號(hào)燈的主要研究方向。將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制兩者結(jié)合起來(lái)用于十字路口交通信號(hào)燈的控制將很有可能成為今后交通信號(hào)燈控制研究的重點(diǎn)，所以對(duì)其進(jìn)行一次系統(tǒng)全面的研究是十分必要的。 課題研究的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)主要研究了基于PLC的十字路口交通信號(hào)燈控制。十字路口信號(hào)燈系統(tǒng)的具體構(gòu)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(zhuǎn)“紅綠黃”燈，人行道紅、綠燈和四個(gè)數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示裝置以及手持式無(wú)線控制器。PLC系統(tǒng)的信號(hào)燈的設(shè)計(jì)主要是各個(gè)方向的紅、黃、綠燈信號(hào)。對(duì)于南北方向上某一行車方向的信號(hào)燈輸出，本設(shè)計(jì)共設(shè)置了三組信號(hào)燈，其中兩組車信號(hào)燈，分為直行紅、黃、綠燈和左轉(zhuǎn)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(gè)循環(huán)周期，以南北向紅黃綠燈來(lái)說(shuō)（1）直行紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的3個(gè)燈以綠燈（35s） 黃燈(5s) 紅燈（80s）依次循環(huán)。（2）左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的3個(gè)燈以紅燈（35s） 綠燈（15s） 黃燈(5s) 紅燈（60s）依次循環(huán)。（3）人行道紅綠燈，各自以紅燈（35s） 綠燈（85s）依次循環(huán)，并且與直行方向與左轉(zhuǎn)方向綠燈狀態(tài)相反。東西方向信號(hào)燈與南北向配置相同，但亮、滅狀態(tài)相反。由于系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)燈倒計(jì)時(shí)的顯示并無(wú)特殊要求，故本設(shè)計(jì)采用了七段數(shù)碼管。數(shù)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(shè)計(jì)中四個(gè)方向數(shù)碼管共設(shè)置了四組，南北方向和東西方向各兩組，每一方向的兩組數(shù)碼管顯示均相同。對(duì)于某一組數(shù)碼管，又分為了個(gè)位數(shù)字顯示和十位顯示。每組數(shù)碼管分別用來(lái)顯示直行、左轉(zhuǎn)燈當(dāng)中的綠、黃燈倒計(jì)時(shí)時(shí)間以及處于綠、黃燈