毕业论文十字路口交通灯控制系统的研究与设计.doc

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项目论证，项目可行性研究报告，可行性研究报告，项目推广，项目研究报告，项目设计，项目建议书，项目可研报告，本文档支持完整下载，支持任意编辑！选择我们，选择成功！项目论证，项目可行性研究报告，可行性研究报告，项目推广，项目研究报告，项目设计，项目建议书，项目可研报告，本文档支持完整下载，支持任意编辑！选择我们，选择成功！单片机论文，毕业设计，毕业论文，单片机设计，硕士论文，研究生论文，单片机研究论文，单片机设计论文，优秀毕业论文，毕业论文设计，毕业过关论文，毕业设计，毕业设计说明，毕业论文，单片机论文，基于单片机论文，毕业论文终稿，毕业论文初稿，本文档支持完整下载，支持任意编辑！本文档全网独一无二，放心使用，下载这篇文档，定会成功！下载需知SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLine本站上传的文档资源均来自互联网，以分享为目的，为有需要者提供学习与参考，版权为原作者所有，若侵犯到原作者的权益, 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绪 论社会经济的发展，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。1.1 课题背景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。根据交通灯工艺控制要求与特点，我们采用了日本松下公司FP1-24型PLC。松下PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是FP系列中最高档次的超小型程序装置。松下可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制。本系统采用PLC是基于以下四个原因：(1)PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；(2)编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；(3)抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；(4)近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能.1.1.1城市交通现状我国大城市道路建设先天不足。在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达35%一40%，而北京只有20%。缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。据悉，到2010年，北京将投资500亿元用于城市道路建设，到2005年，北京仅高速公路通车里程就达到600公里。但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵修路再拥堵”的怪圈。 据介绍，造成城市交通拥挤的原因有很多。中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，据有关资料显示:北京、上海、广州三大城市与伦敦、纽约、巴黎和东京相比，三个城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。由于我国城市的公共交通系统普遍不发达，因此总体的城市交通效率不高。北京、上海和广州交通拥挤都很严重，但引起拥挤的原因不完全一样。北京和广州的机动车保有量过多，道路负荷大，是引起拥挤的根本原因;而上海的拥挤是因为交通量时空分布不均、机动车和非机动车混行严重等其他原因造成的。从我国目前各大城市的交通结构看，普遍存在常规公共交通系统发展不足，快速轨道交通系统发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发展势头强劲的不协调现象。因此，要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服务范围，充分发挥各种交通方式的优点，使其合理分工，才能发挥整个交通系统的效率。1.1.2 PLC的发展趋势：1向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。2向超大型、超小型两个方向发展当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。3PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。4增强外部故障的检测与处理能力根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。5编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。1.2 设计指标设计一个十字路口交通灯控制系统具体化技术指标如下：交通灯控制系统的要求是能实现“正常循环运行”，“急车强通控制”，“午夜运行”三种控制方式。通过分析对交通信号等的控制要求，对PLC控制系统进行软、硬件设计。交通灯变化情况如下：（1）南北向和东西向主干道均设有直行绿灯30S，直行绿灯闪亮3S，左行绿灯10S，左转绿闪3S，黄灯2S和红灯78S。（2）南北向和东西向主干道均设有通行绿灯和禁行红灯。（3）当紧急情况时，按下该方向的强通按钮让强通方向交通灯显示为绿灯，同时另一个方向交通灯显示为红灯，直到强通车辆通过后断开强通按钮，绿灯闪烁3S，随后按正常时序运行。（4）午夜控制在凌晨12点至早晨5点这段时间里，东西南北方向主干道和人行道都只有黄灯闪烁，且闪烁速度不要太快，其余灯都熄灭。1.3 本文的工作详细分析课题任务，对十字路口交通灯控制历史和现状进行分析，并对十字路口交通灯控制系统的原理进行了深入的研究，并将其综合。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件，并进行访真调试。1.4 论文组织本论文从第一章绪论开始，主要介绍国内十字路口交通灯控制系统的课题背景，阐述了交通灯控制系统发展现状和发展趋势。第二章是交通灯控制系统原理和方案论证，主要是概述系统原理以及提出设计方案，并分析和论证方案，最终确定采用何种方案完成本次设计。第三章系统硬件部分设计，主要讲述了系统设计原则，系统设计要求和思想， PLC的选型，系统I/O分配以及其他元器件的选择等，以及绘制硬件电路图。第四章系统软件部分设计，要完成系统的主程序设计和部分子程序设计，以及系统的各个软件模块设计等。总结部分主要完成本次论文设计难点及调试问题。最后，写上参考文献和致谢，完成本次设计的附录部分。43 第2章 设计任务与方案论证实现十字路口交通灯控制的方法有多种，可以用单片机作控制单元；也可以用可编程序控制器作控制单元。当然每一种方案都有其各自的优点。本章列举、说明了三种不同十字路口交通灯控制的方案，对三种方案的优缺点进行了对比，选出了最佳控制方案。2.1 设计任务交通灯的控制系统，是城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。为了适应现代社会道路车流量越来越大的实际情况，十字路口简单的双向红绿灯控制已经不能满足复杂控制的需要。全功能交通灯可以缓解交通压力，及时疏通车流，能更有效地适应现代路口的控制要求。2.1.1 方案1基于单片机的交通灯控制系统本系统利用单片机AT89C51，借助CAN总线作为现场通信总线实现智能交通信号灯控制系统设计，实现了根据区域车流、红外遥控以及PC机进行十字路口交通信号灯智能控制，并在软、硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流、红外遥控进行交通信号灯智能控制，使交通信号灯现场控制灵活、有效。从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、急车强通等问题。系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。本智能交通信号灯控制系统硬件主要由车流信息检测电路、键盘时间设置电路、红外遥控发射/接收电路、单片机控制器、CAN总线控制器、CAN总线收发器、光电隔离芯片、单片机并行接口、看门狗电路等电路组成。本系统设置与上位PC机相连的上位节点为主节点，各路口信号灯控制装置为底层节点，共同构成区域交通信号灯控制系统。系统原理框图如下图所示。键盘时间设置红外遥控编码锁存器单片机控制器扩展CPU并行接口看门狗时间显示信号灯控制车流信息CAN总线控制器CAN总线接收器CAN BUS光电隔离PC通讯串口 图2.1 系统原理框图系统利用红外遥控装置实现各十字路口现场信号灯控制，红外发射器发射出的编码信号经接收器接收后送入单片机控制器，控制信号灯红绿变换、等待时间、急车强通。另外，车流检测装置安放在各十字路口东西、南北道路方向实时检测车道车流信息。并将检测到的信息输至单片机进行处理，通过单片机编程技术实现信号灯绿、红切换及等待时间设定。此外，PC机通过通讯串口与节点上的单片机控制器进行通信，实现数据信息在CAN总线上的发送与接收。PC机负责网络上所有信号灯控制装置的集中管理功能；同时向各信号灯控制器下传工作模式控制信息。2.1.2 方案2基于PLC的交通灯控制系统本系统给出了一种利用可编程序控制器控制的交通信号灯控制系统，其东西方向和南北方向的交通信号灯亮灯延时时间，可由用户随时根据路口的交通繁忙情况，有BCD码开关设置或远程监控平台设置；该系统设有白天和夜晚信号灯亮灯情况转换，白天按绿、黄、红3种信号灯交替轮流点亮，夜晚在24点后到凌晨5点前只有黄灯闪烁；并设有紧急情况处理，当路口发生交通堵塞时，可只让东西方向或南北方向绿灯亮，只允许该方向的车辆通行。PLC数码管时间显示信号灯显示编程设置参数启动/停止开关；急车通行开关图2.2 系统硬件总框图2.1.3 方案3基于继电器接触器交通灯控制系统继电接触式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，所以又称为断续控制系统。2.2 论证分析对于方案一，其特点是单片机本身小巧、功耗低，实时控制功能强，但是单片机工作性能不够稳定，对外部环境要求比较高，而且其软、硬件的开发必须借助于开发工具，系统调试困难，不具有自开发能力。单片机是程序存储控制，通常包括微处理器、存储器、输入输出口及其他功能部件。它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来。通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连目前普遍使用的是MCS-51系列单片机。但在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。对于方案二，由于可编程逻辑控制器可靠性高、环境要求低，有多种输入输出开关量点数组合，开关量和模拟量有良好的可扩展性，可独立组成成本较低的自动控制系统，也可以与工业计算机构成上、下位机系统。而且编程方法简单易学；功能强，性能价格比高；可靠性高，抗干扰能力强；硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量小，维修方便；体积小，耗能低。所以可编程逻辑控制器在交通灯控制系统中大量采用。 对于方案三，虽然这种系统也具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，但这种控制系统的缺点是采用固定接线方式，接线多，灵活性差，工作频率低，触电易损坏，可靠性差。综上所述：方案二是无论是从经济方面、科学性还是从实现的容易程度都优于其它两个方案，不失为最佳的选择。第3章 系统硬件部分设计本章主要介绍系统硬件的组成结构及工作原理， PLC的I/O分配地址，并对PLC的I/O外围接线、数码显示进行分析说明。3.1十字路口交通灯控制原理东西主干道 直行绿 30S直行绿闪3S左转绿 10S 左转绿闪 3S 黄2S 红 48S东西人行道 绿 30S 绿闪3S 红 63S南北主干道 红 48S 直行绿 30S 直行绿闪3S左转绿 10S 左转绿闪 3S 黄2S南北人行道 红48S 绿30S 绿闪3S 红15S循环控制方式交通灯变化顺序表（单循环周期96秒）：南北向（列）和东西向（行）主干道均设有直行绿灯30S，直行绿灯闪亮3S，左行绿灯10S，左转绿闪3S，黄灯2S和红灯48S。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮直行绿灯，直行绿灯闪，左转绿灯，左转绿灯闪亮和黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮直行绿灯，直行绿灯闪，左转绿灯，左转绿灯闪亮和黄灯。当紧急情况时，按下该方向的强通按钮让强通方向交通灯显示为绿灯，同时另一个方向交通灯显示为红灯，直到强通车辆通过后断开强通按钮，绿灯闪烁3S，随后按正常时序运行。午夜控制在凌晨12点至早晨5点这段时间里，东西南北方向主干道和人行道都只有黄灯闪烁，且闪烁速度不要太快，其余灯都熄灭。在PLC交通灯模块中，主干道东西南北每面都有4个控制灯，分别为： 禁止通行灯 （亮时为红色） 准备禁止通行灯 （亮时为黄色） 直行灯 （亮时为绿色） 左行灯 （亮时为绿色）另外行人道东西南北每面都有2个控制灯,分别为： 禁止通行灯 （亮时为红色） 直通灯 （亮时为绿色）人行道交通灯人行道交通灯图3.1十字路口交通灯布置图3.2 系统硬件组成结构控制系统的硬件部分由PLC控制系统模块、信号灯电路、时间显示电路、紧急转换开关等构成，PLC作为整个系统的主控制器，联系着系统各部分的协调工作，是整个系统的命脉。该系统采用FP1-C24作控制器， 有 16个输入点， 8个输出点，继电器输出；主干道东、西、南、北方向各有红、黄、直行绿、左行绿信号灯一盏， 共16盏信号灯；人行道东、西、南、北方向各有红、绿信号灯一盏,共8盏信号灯; 东、西、南、北各有数码管2组，十位数码管显示组分为红、绿2个数码管，个位数码管显示组分为红、绿、黄3个数码管，共计数码管 20个； 有启动/停止开关、 东西紧急开关、南北紧急开关各一个， 共3个。系统硬件总框图如图3.4所示。PLC东西方向主干道交通灯东西方向人行道交通灯南北方向主干道交通灯南北方向人行道交通灯数码管时间显示启动/停止开关东西方向强通开关东西方向强通开编程设置参数 图3.2 系统硬件总框图3.3 I/O点的确定(1)输入点数确定：整个系统包含启动、停止开关，东西方向强通开关，南北方向强通开关，总共3个开关，共需3个输入点。(2)输出点数确定：因主干道东、西方向及南、北方向的信号灯可并联， 所以16盏信号灯需8个输出点；人行道东、西方向及南、北方向的信号灯可并联,所以8盏信号灯需4个输出点；东、西、南、北方向数码管可并联输出，20个数码管需20个输出点，其中译码器输入端4个，译码器使能端10个，译码器/BI端6个。所有的输出点共需32个。3.4 可编程控制器选择 当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC ,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际电数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流220V的负载使用。则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。这样有可能造成输出点浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：（1）功能方面：所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。（2）价格方面：不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。 经过从功能方面和价格方面两个方面的考虑，发现松下电工可编程序控制器产品-FP1-C24比较适合交通灯的设计。因为它是一种功能很强的小型机，在设计的过程中采用先进的方法及组件使其通常只有在大型PLC中才具有的功能，且具有其他控制器所不具备的功能。虽然是小型机，但是其功能较完善，性能价格比高，较适合交通灯。经对国内外市场上各种PLC进行比较，选择了松下公司的FP1系列C24型PLC作为控制单元，它有16输入点和8个输出点，它具有抗干扰能力强、可靠性高等特点，可在恶劣的环境下长期工作，完全可以满足系统设计要求。3.4.1 松下可编程序控制器产品-FP1-C24介绍现在就对FP1-C24的组成各部分和技术性能做一个简单介绍。在松下电工公司生产的FP系列产品中，FP1属于小型PLC产品，其中C24是具有高级处理功能的型号。从型号可以看出FP1-C24可编程控制器的输入和输出点数（即I/O点）之和为24。3.4.1.1 技术性能 FP1-C24的主机I/O点数为16/8；最大I/O点数为104；运行速度为1.6s/步；容量为2720步；基本指令数为80；高级指令数为111；内部继电器为1008点；特殊内部继电器为64点；定时器/计数器为144点；数据寄存器为1660字