【文章內(nèi)容簡介】 月 1 日零時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的第六次全國人口普查，中國人口已經(jīng)達(dá)到1370536875 人，城鎮(zhèn)人口 54283 萬人，且每年會(huì)有大量流動(dòng)人口存在于各中大型城市，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，國民生活水平的提高，私家車數(shù)量呈迅猛勢頭逐年增加，目前已達(dá)到 5989 萬輛（民用），這樣的形式造成了我國城市交通目前日趨擁擠的 現(xiàn)狀。而且，在 2020 年 2020 年間， 20 歲 25 歲生育旺盛期婦女將達(dá)到一個(gè)高峰，同時(shí)，由于獨(dú)生子女陸續(xù)進(jìn)入生育年齡，按照現(xiàn)行生育政策，生育水平將有提高，中國將迎來又 一次人口高峰。這也意味著如若不對(duì)現(xiàn)有交通系統(tǒng)有所改變，我國未來的交通狀況將更令人堪憂。 目前，我國大部分城市十字路口的交通燈控制系統(tǒng)基本上采用的都是傳統(tǒng)的定時(shí)控制方式，而這種控制方式存在著以下的弊端：當(dāng)某條道路上的車流量很大卻要等待紅燈時(shí)，而此時(shí)按照原定時(shí)間亮著綠燈的道路上可能沒有車或者車流量相對(duì)較少，這樣的交通控制系統(tǒng)效率 低，很容易造成交通 擁擠，同時(shí)也浪費(fèi)了大量的資源，而這樣的結(jié)果 是由于未對(duì)道路進(jìn)行路況監(jiān)測并采取相應(yīng)措施造成的。所以，我們就有必要尋求一種具有智能的交通控制系統(tǒng)。這種智能交通控制系統(tǒng)能夠根據(jù)車流量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈的時(shí)間長度，在一定程度減少十字路口的車輛滯流現(xiàn)象，緩解交通擁擠，提高交通控制系統(tǒng)的效率 [1]。 交通燈的控制問題是個(gè)老難題，近年來，隨著車輛的增加，這個(gè)問題日顯突出，特別是在上下班的高峰期。有很多學(xué)者多年來一直探討緩解這個(gè)難題的方法。其中包括近來提出的在車道（紅綠燈前）安裝車流量傳感器，統(tǒng)計(jì)車流量再 控制綠燈的放行時(shí)間；設(shè)定定時(shí)器在上、下班高峰期增加綠燈的放行時(shí)間以及對(duì)各個(gè)路口違章、肇事的監(jiān)控與記錄等等問題。所以，出于這些問題本設(shè)計(jì)采用合理的方案設(shè)計(jì)對(duì)十字路口交通燈進(jìn)行控制以及對(duì)路口的安全狀況的監(jiān)控。 （二） 課題研究的意義 深入研究交通信號(hào)燈的控制理論，探討原始定時(shí)控制與現(xiàn)行智能控制相結(jié)合的控基于 PLC 的十字路口交通燈智能控制的 設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 2 制方法，并通過在實(shí)際應(yīng)用中已日趨成熟的可編程邏輯控制器，實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈智能控制有一定的借鑒意義。 隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛的增多，我國的交通狀況日漸惡化，交通擁擠日益 嚴(yán)重，特別是一些大中城市，交通擁擠給人們帶來極大不便的同時(shí)也制約了城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。解決城市交通問題的根本途徑有兩條，一是加快道路設(shè)施規(guī)劃建設(shè)，二是在原有的基礎(chǔ)上提高交通系統(tǒng)的效率。目前，我國許多大城市都在建設(shè)地鐵或輕軌以緩解交通壓力。但是，建設(shè)地鐵或輕軌需要大量資金與時(shí)間，這對(duì)大多中小城市都不現(xiàn)實(shí)。所以， 利用智能交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最大限度的提高現(xiàn)有道路資源利用率，從而緩解 交通系統(tǒng)的 擁堵現(xiàn)狀 ， 不僅是現(xiàn)實(shí)的，也是必要的 [2]。 目前，中國平安城市的建設(shè)正如火如荼，智能交通作為平安城市建設(shè)的重要部分，其不僅產(chǎn)生了 新的發(fā)展商機(jī)，同時(shí)也肩負(fù)起了交通安全的責(zé)任。就目前來看，中國智能交通的建設(shè)正處于起步階段，因此，在巨大的投資背景與需求之下，發(fā)展前景十分良好。而作為智能交通的一部分，十字路口交通燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。并且，由于我國大部分城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔的控制方法，而十字路口不同時(shí)刻車輛的流量是復(fù)雜的、隨機(jī)的和不確定的，采用固定時(shí)間的控制方法，經(jīng)常造成道路有效利用時(shí)間的浪費(fèi)，出現(xiàn)空等現(xiàn)象，這樣就影響了道路的暢通。為此，采用采用添加了地磁傳感器和監(jiān)控實(shí)時(shí)路況軟件的基于 PLC 的智能交 通燈的設(shè)計(jì)，能較好地改善這個(gè)問題。 （三） 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)以城市中車輛量較大的十字路口交通信號(hào)燈為研究對(duì)象，采用可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller 簡稱 PLC)對(duì)其控制 , 提出了一種智能控制十字路口交通信號(hào)燈的方法，它能夠根據(jù)各方向車流量大小以及道路的擁擠狀況來控制信號(hào)燈的時(shí)長。具體方法如下：采用 環(huán)形線圈 傳感器（本設(shè)計(jì)中采用車流量按鈕代替）來探測車輛的通過，然后用 PLC 對(duì)車輛數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，運(yùn)用一定的智能控制原則， PLC就能依據(jù)車流量的情況自動(dòng)改變紅綠燈的時(shí)間長度 以提高交通控制效率、緩解交通擁擠、達(dá)到最優(yōu)控制 [3]。 研究內(nèi)容主要包括： ① 實(shí)用系統(tǒng)分析； ② 控制方案確定、功能設(shè)計(jì)； ③ 線路設(shè)計(jì)與線路板制作； ④ 元件采購與焊接、系統(tǒng)總裝與調(diào)試； 基于 PLC 的十字路口交通燈智能控制的 設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 3 ⑤ PLC的梯形圖程序設(shè)計(jì)； ⑥ 組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)畫面設(shè)計(jì)； ⑦ 對(duì)組態(tài)王、 PLC 和硬件控制板進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。 ⑧ 完成畢業(yè)論文的撰寫。 基于 PLC 的十字路口交通燈智能控制的 設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 4 二、系統(tǒng)總體方案論證 （ 一 ） 控制方案的確定 目前普遍使用的電氣控制方式主要有：繼電器接觸器控制、單片機(jī)系統(tǒng)控制和可編程序控制器控制。 (1) 繼電器接觸 器 控制 采用繼電接觸式控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)交通燈控制系統(tǒng)，主要由繼電器、接觸器、按鈕、行程開關(guān)等組成，其控制方式是斷續(xù)的，故又被稱為斷續(xù)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、維護(hù)容易、抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是采用固定接線方式，接線過多，靈活性稍差，工作頻率低，觸電易損壞，且可靠性差 [4]。 (2) 單片機(jī)系統(tǒng)控制 單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器 [5]。 通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和 I/O接口電路等。單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī) 控制系統(tǒng)。 使用單片機(jī)設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)采用 MSC51系列單片機(jī) ATSC51和可編程并行 I/O接口芯片 8255A 為中心器件來設(shè)計(jì)交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)實(shí)際車流量通過 8051芯片的 P1口設(shè)置紅、綠燈燃亮?xí)r間。使用單片機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是它們的 CPU 功能在增強(qiáng)，內(nèi)部資源在增多，引腳的多功能化，以及低電壓底功耗。缺點(diǎn)是編程復(fù)雜，對(duì)環(huán)境的要求較高，出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行調(diào)試不方便，且可靠性不高 [6]。 (3) 可編程序控制器控制 可編程邏輯控制器簡稱為 PLC。它主要用來取代繼電接觸器邏輯控制，系統(tǒng)功能僅限于執(zhí)行繼電器邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì) 數(shù)等 [7]。 可編程序控制器控制系統(tǒng)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專門為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。它具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。如果采用PLC 作為十字路口交通燈控制系統(tǒng)作為控制核心，只需將程序下載到 PLC 內(nèi)即可。并可通過通信隨時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。 PLC 適應(yīng)環(huán)境的能力非常強(qiáng)，抗干擾等方面能力都非常強(qiáng)大，同時(shí)性價(jià)比也很高 [8]。 基于 PLC 的十字路口交通燈智能控制的 設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 5 案的確定 與繼電 接觸器控制技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)相比，可編程控制器控制技具有以下優(yōu)點(diǎn)： ① 功能強(qiáng)，性價(jià)比高 ； ② 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) ； ③ 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) ； ④ 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少 ； ⑤ 編程方法簡單 ； ⑥ 維修工作量小，維修方便 ； ⑦ 體積小，能耗低 。 同時(shí)， PLC 其具有對(duì)使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特性，且其內(nèi)部定時(shí)器資源豐富，可對(duì)目前普遍使用的 “ 漸進(jìn)式 ” 信號(hào)燈進(jìn)行精確控制，特別對(duì)多岔路口的控制可方便的實(shí)現(xiàn)。目前大多品牌的 PLC 內(nèi)部均配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，通過編程控制可對(duì)信號(hào)燈實(shí)施全天候無人化的管理。由于 PLC 本身具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能，將同一條道路上的信號(hào)燈組成局域網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，可縮短車輛通行等候時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。 綜合以上優(yōu)點(diǎn)，所以，本設(shè)計(jì)采用可編程序控制器控制系統(tǒng)。 （ 二 ） 檢測傳感器的確定 車輛檢測器的類型主要可分為環(huán)行線圈檢測器、微波車輛檢測器、視頻檢測器、光電檢測器、雷達(dá)檢測器等。 (1) 環(huán)形線圈檢測器 環(huán)形線圈檢測器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、易于掌握和成本較低，缺點(diǎn)是安裝和維護(hù)時(shí)破壞路面并會(huì)影響車輛正常運(yùn)行、 檢測結(jié)果可能會(huì)路面變形的影響。 (2) 微波 車輛檢測器 測量方式在車型單一、車流穩(wěn)定、車速分布均勻的道路上準(zhǔn)確度較高，但是在車流擁堵以及大型車較多、車型分布不均勻的路段，由于遮擋，測量精度會(huì)受到比較大的影響。另外，微波檢測器要求離最近車道有 3m 的空間，如要檢測 8車道，離最近車道也需要 79m的距離而且安裝高度達(dá)到要求。因此，在橋梁、立交、高架路的安裝會(huì)受到限制，安裝困難，價(jià)格也比較昂貴。 (3) 視頻檢測器 基于 PLC 的十字路口交通燈智能控制的 設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 6 視頻車輛檢測器的優(yōu)點(diǎn)是直觀可靠、安裝調(diào)試維護(hù)方便和價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是容易受惡劣天氣、燈光、陰影等環(huán)境因素的影響， 汽 車的動(dòng)態(tài)陰影也會(huì)帶來干擾，受惡劣天氣正確檢測率下降，甚至無法檢測。 (4) 光電檢測器 光電檢測器的有點(diǎn)是直觀可靠，安裝調(diào)試維護(hù)方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是容易受惡劣天氣、燈光、陰影等環(huán)境因素的影響，車輛的動(dòng)態(tài)陰影也會(huì)帶來干擾。 (5) 雷達(dá) 檢測 器 雷達(dá) 檢測 器制造安裝比較簡便，但是維修較為不便，并且要求車輛速度至少在5Km/h 以上，所以只是用在一些特殊場合。 本著實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等原則，本設(shè)計(jì)選用具有高準(zhǔn)確率、低成本、高可靠性的磁感應(yīng)式檢測器，在實(shí)際應(yīng)用中在用埋設(shè)地磁線圈的方式，在演示過程中應(yīng)用按鈕式開關(guān)的連續(xù)按下代替其計(jì)數(shù)功能。 （ 三 ） 監(jiān)測 軟件的確定 監(jiān)測 軟件 (1)SIMATIC Win CC 系統(tǒng)功能強(qiáng)大且用戶界面友好，成本很高。 (2)PXI 性能高，成本相對(duì)較低，但是應(yīng)用比較繁瑣 。 (3)Kingview 性能較為完善，成本低廉，且使用很靈活。 軟件的確定 本著實(shí)用性跟經(jīng)濟(jì)性的原則，本系統(tǒng)選用 Kingview 監(jiān)測 軟件。 （四）系統(tǒng)流程圖 基于 PLC 的十字路口交通燈智能控制的 設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 7 啟 動(dòng) 開 關(guān)東 西 綠 燈 亮東 西 黃 燈 亮東 西 紅 燈 亮結(jié) 束南 北 紅 燈 亮南 北 綠 燈 亮南 北 黃 燈 亮2 5 s5 s 2 5 s3 0 s3 0 s5 s東西主干道南北主干道 圖 交通等信號(hào)圖 P L C環(huán) 形 線 圈傳 感 器車 輛信 號(hào) 輸 出有 車 輛 經(jīng) 過沒 有 車 輛 經(jīng) 過 圖 感應(yīng)控制圖 基于 PLC 的十字路口交通燈智能控制的 設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 8 （五）各選材型號(hào)的確定 的選型 根據(jù)表 31 可以確定所需 PLC的 IO 點(diǎn)數(shù)。對(duì)于這種中小型自動(dòng)控制中，應(yīng)用德國西門子公司生產(chǎn)的 S7200 系列 PLC 無疑是十分明智的選擇。在主機(jī)模塊中，常用的主機(jī)有 CPU222， CPU224， CPU226 三種。 若選擇 CPU222 作為主機(jī)，由于 CPU222 有 8輸入 /6 輸出，與此設(shè)計(jì)的 4輸入 /6 輸出相比正好滿足要求，而且還有 4點(diǎn)數(shù)字量輸入的余量。 若選擇 CPU224 作為