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1、電氣控制與PLC課程設(shè)計說明書題 目：十字路口帶倒計時顯示的交通紅綠燈控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班級： 自動化F1203 姓 名： 郭夢詩 學 號： 201223910429 指導(dǎo)教師： 任勝杰 評語：成績：指導(dǎo)老師簽名： 日期： 目 錄1 系統(tǒng)概述22 方案論證3 2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計3 2.2 采用PLC構(gòu)成十字路口的南北向和東西向交通信號燈的電氣控制3 2.3 交通信號燈的控制要求4 2.4 信號燈的控制原則5 2.5 交通信號燈的控制時序53 硬件設(shè)計7 3.1 系統(tǒng)的原理方框圖7 3.2 I/O分配 7 3.3 I/O接線圖 8 3.4 元器件選 104 軟件設(shè)計 11 4.1 主流程
2、11 4.2 梯形圖 125 系統(tǒng)調(diào)試 15設(shè)計心得16 參考文獻171 系統(tǒng)概述當今時代是一個自動化時代，交通燈控制等很多行業(yè)的設(shè)備都與計算機密切相關(guān)。因此，一個好的交通燈控制系統(tǒng)，將給道路擁擠、違章控制等方面給予技術(shù)革新。隨著大規(guī)模集成電路及計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能在控制技術(shù)方面的廣泛運用，智能設(shè)備有了很大的發(fā)展，是現(xiàn)代科技發(fā)展的主流方向。本文介紹了一個智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計。該智能交通燈控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能有：對某市區(qū)的四個主要交通路口進行監(jiān)控；各路口有固定的工作周期，并且在道路擁擠時中控中心能改變其周期；對路口違章的機動車能夠即時拍照，并提取車牌號。在世界范圍內(nèi)，一個以微電子
3、技術(shù)，計算機和通信技術(shù)為先導(dǎo)的，以信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)為中心的信息革命方興未艾。而計算機技術(shù)怎樣與實際應(yīng)用更有效的結(jié)合并有效的發(fā)揮其作用是科學界最熱門的話題，也是當今計算機應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域。本文主要從單片機的應(yīng)用上來實現(xiàn)十字路口交通燈智能化的管理，用以控制過往車輛的正常運作。本文將利用PLC來設(shè)計一個十字路口帶倒計時顯示的交通紅綠燈控制系統(tǒng)設(shè)計. 本次課設(shè)將要實現(xiàn)的目標是：采用PLC構(gòu)成十字路口帶倒計時顯示的南北向和東西向交通信號燈的電氣控制。系統(tǒng)上電后，交通指揮信號控制系統(tǒng)由一個3位轉(zhuǎn)換開關(guān)SA控制。SA手柄指向左45時，交通燈正常工作。正常運行時，南北及東西向均有兩位數(shù)碼管倒計時顯示相應(yīng)
4、指示燈剩余時間值。當SA打向中間位置時，南北綠燈常亮，顯示時間為99并保持不變，當SA打向右邊位置時，東西綠燈常亮，顯示時間為99并保持不變。2 方案論證2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計 交通信號燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準許通行，黃燈表示警示。南北和東西每個方向各有紅、綠、黃三種信號燈。交通燈控制示意圖如圖2.4所示。正常控制時：它是按信號燈置1與置0兩種狀態(tài)繪制的，置1表示信號燈點亮。SA1手柄指向左45時，接點SA1-1接通，東西向紅燈亮30s，南北向綠燈亮，25s后南北向綠燈閃爍3s，然后熄滅。在綠燈熄滅的同時，南北向黃燈亮2s，然后熄滅。在該燈熄滅的同時，南北向紅燈亮
5、及東西向綠燈亮，以下的變化規(guī)律與上述相同。到南北向綠燈亮，東西向紅燈亮開始第二個循環(huán)，以后周而復(fù)始地循環(huán)動作。同時南北向及東西向均有兩位數(shù)碼管倒計時顯示相應(yīng)指示燈的剩余時間值。非正?？刂茣r：SA1手柄指向中間0時，接點SA1-2接通，交通指揮系統(tǒng)南北向綠燈常亮，東西向紅燈常亮，數(shù)碼管顯示99不變。SA1手柄指向右45時，接點SA1-3接通，交通指揮系統(tǒng)東西向綠燈常亮，南北向紅燈常亮，數(shù)碼管顯示99不變。2.2 采用 PLC構(gòu)成十字路口的南北向和東西向交通信號燈的電氣控制 采用PLC構(gòu)成十字路口帶倒計時顯示的南北向和東西向交通信號燈的電氣控制。系統(tǒng)上電后，交通指揮信號控制系統(tǒng)由由一個3位轉(zhuǎn)換開關(guān)
6、SA控制。SA手柄指向左45時，接點SA-1接通，交通指揮系統(tǒng)開始按常規(guī)正?？刂乒δ芄ぷ鳎凑杖鐖D2.1所示工作時序周而復(fù)始，循環(huán)往復(fù)工作。正常運行時，南北向及東西向均有兩位數(shù)碼管倒計時顯示牌同時顯示相應(yīng)的指示燈剩余時間值，SA手柄指向中間0時。接點SA-2接通，交通指揮系統(tǒng)南北向綠燈常亮，東西向紅燈常亮，數(shù)碼管顯示99不變。SA手柄指向右45時，接點SA-3接通，交通指揮系統(tǒng)東西向綠燈常亮，南北向紅燈常亮，數(shù)碼管顯示99不變。轉(zhuǎn)換開關(guān)示意圖如圖2.1所示：圖2.1 轉(zhuǎn)換開關(guān)2.3交通信號燈的控制要求 隨著城市和經(jīng)濟的發(fā)展，交通信號燈發(fā)揮的作用越來越大，正因為有了交通信號燈，才使車流、人流有了
7、規(guī)范，同時，減少了交通事故發(fā)生的概率。然而，交通信號燈不合理使用或設(shè)置，也會影響交通的順暢。因此，在實際設(shè)計時要遵循一定的原則和要求交通信號燈由紅燈，黃燈，綠燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準許通行，黃燈表示警示。交通信號燈分為機動車信號燈，非機動車信號燈，人行橫道信號燈，車道信號燈，方向指示信號燈，閃光警告信號燈，道路與鐵路平面交叉道口信號燈。交通信號燈用于道路平面交叉道口，通過對車輛行人發(fā)出行進或停止的指令，使各個同時到達的人，車交通流盡可能減少相關(guān)干擾，從而提高路口的通行能力，保障路口暢通和安全。 在本設(shè)計中，我們僅以機動車信號燈為例，來說明它的控制要求。一般的十字路口交通信號燈現(xiàn)場示
8、意圖如圖2.2所示：圖2.2 十字路口交通信號燈現(xiàn)場示意圖2.4 交通信號燈的控制原則 其南北和東西每個方向各有紅、綠、黃三種信號燈，為確保交通安全，對其控制系統(tǒng)的要求如下。 1) 當東西方向允許通行（綠燈）時，南北方向應(yīng)禁止通行（紅燈）；同樣，當南北方向允許通行（綠燈）時，東西方向應(yīng)禁止通行（紅燈）。2) 在綠燈信號要切換為紅燈信號之前，為提醒司機提前減速并剎車，應(yīng)有明顯的提示信號：綠燈閃爍。3) 信號燈控制系統(tǒng)啟動后應(yīng)能自動循環(huán)動作。2.5 交通信號燈的控制時序 交通信號燈的控制時序如圖2.3所示，它是按信號燈置1與置0兩種狀態(tài)繪制的，置1表示信號燈點亮，置0表示信號燈點滅.圖2.3 交通
9、信號燈的控制時序圖3 硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)的原理方框圖 PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU主板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU 模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合裝配。采用 PLC構(gòu)成十字路口的南北向和東西向交通信號燈的電氣控制的系統(tǒng)的原理方框圖如圖3.1所示：圖3.1 系統(tǒng)原理方框圖3.2 I/O分配 根據(jù)信號燈控制要求，I/O分配圖如表3.2所示輸入輸入文字符號說明文字符號說明SA-1交
10、通燈正常工作控制開關(guān)Y0（HL1）南北向綠燈指示SA-2南北向交通燈常綠控制開關(guān)Y1(HL2)南北向黃燈指示SA-3東西向交通燈常綠控制開關(guān)Y2(HL3)南北向紅燈指示Y3(HL4)東西向綠燈指示Y4(HL5)東西向黃燈指示Y5(HL6)東西向紅燈指示H11 H12南北向2位七段數(shù)碼顯示管H13 H14東西向2位七段數(shù)碼顯示管表3.2 電路I/O分配圖3.3 I/O接線 端子上，另一端接至驅(qū)動電源；驅(qū)動電源一端與負載相連，另一端則與COM接線方法：各個外部輸入元件的一端接X輸入接口端子，另一端接至PLC的COM端。FX2N2系列PLC輸入電流為DC24V（7mA），X010以后是24V（5mA
11、），即當接入信號為“ON”時，輸入接口通入電流需在4.5mA以上，輸入信號為“OFF”時，通入電流需小于1.5mA。PLC內(nèi)部輸出繼電器線圈和接口端子之間、PLC內(nèi)部電路與外部負載電路之間均有電隔離。負載接線時一端接在Y輸出接口接口端子相連。由于PLC內(nèi)部輸出電路中無保護環(huán)節(jié)，所以驅(qū)動電源與COM接口端子間應(yīng)設(shè)熔斷器。 如圖3.3所示圖3.3電路的 I/O接線圖3.4 元器件選型 在對PLC控制系統(tǒng)進行硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先，要了解各個控制對象的驅(qū)動要求，如：驅(qū)動電壓的等級、負載的性質(zhì)等；其次，要分析對象的控制要求，確定輸入/輸出接口（I/O）數(shù)量；再次，要確定所控制參數(shù)的精度及類型，如：對開關(guān)
12、量、模擬量的控制、用戶程序存儲器的存儲容量等。根據(jù)上述原則，我們要選擇適合的PLC機型及外設(shè)，完成相應(yīng)的PLC硬件結(jié)構(gòu)配置。因此，PLC的選型是設(shè)計中至關(guān)重要的一步。 目前，國內(nèi)外PLC生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC品種可達數(shù)百個，其性能各有特點。所以，在設(shè)計時首先要盡可能考慮采用便于學習、掌握、維護方便、備品配件通用性強的PLC。 我國市場上流行的PLC產(chǎn)品有以下幾家： 1) 德國西門子(Siemens)公司的產(chǎn)品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產(chǎn)品； 2) 美國羅克韋爾(Rockwell)公司所屬的AB(Allen&Bradly)公司的產(chǎn)品，目前有SLC、Micro Logi
13、x、Control Logix等產(chǎn)品； 3） GE-Fanuc公司的產(chǎn)品； 4) 法國施耐德(Schneider)公司的產(chǎn)品； 5) 日本三菱、歐姆龍等公司產(chǎn)品。 本次設(shè)計的交通信號燈控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和內(nèi)容集中在程序編寫和梯形圖的繪制，由于在本設(shè)計中用到了大量的開關(guān)量、繼電器、計數(shù)器以及計時器等。而德國西門子出產(chǎn)的PLC功能全，性價比高，有統(tǒng)一的地址分配，完全可以滿足本設(shè)計的要求。并且，在目前相關(guān)領(lǐng)域的控制設(shè)計中，西門子產(chǎn)品的應(yīng)用比較廣泛。4 軟件設(shè)計4.1主流程系統(tǒng)主流程圖如圖4.1所示：圖4.1 系統(tǒng)主流程圖4.2 梯形圖 根據(jù)設(shè)計要求可知，南北向的指示燈與數(shù)碼管顯示完全相同，東西向亦是
14、如此，為了設(shè)計簡單明了，本設(shè)計中只設(shè)計南北向中的一向以及東西向中的一向，實際應(yīng)用中只要相應(yīng)的在指示燈與數(shù)碼管處并聯(lián)相同的裝置，即可完成全部四個方向的顯示與指示可以設(shè)置五個輸入X000,X001，X002，X003，X004分別作為系統(tǒng)總啟動、總停止、交通燈正常工作控制開關(guān)、南北向交通燈常綠控制開關(guān)、東西向交通燈常綠控制開關(guān)。用其他開關(guān)的常閉觸點設(shè)置互鎖，使三個狀態(tài)不可能同時接通。進入正常工作狀態(tài)后，東西方向紅燈亮30秒，由定時器T5實現(xiàn)，南北方向綠燈常亮25秒，由定時器T0實現(xiàn)，然后綠燈閃爍3秒，由定時器T1、T2來實現(xiàn)0.5秒振蕩，計數(shù)器C0計數(shù)3次。計數(shù)到后，C0的常開觸點閉合，可以用來控
15、制使南北方向的黃燈亮，并用T3計時2秒。T3計時到后南北紅燈亮30秒，由定時器T4實現(xiàn)，東西方向綠燈常亮25秒，由定時器T6實現(xiàn)，然后閃爍3秒，有定時器T7、T8來實現(xiàn)0.5秒振蕩，計數(shù)器C1計數(shù)3次。計數(shù)到后，C1的常開觸點閉合，可以用來控制使東西方向的黃燈亮，并用T9計時2秒。 由于在各個方向三種信號燈亮的同時還要利用數(shù)碼管顯示相應(yīng)指示燈的剩余時間，因此可以利用七段碼譯碼指令SEGD。七段碼譯碼指令SEGD是驅(qū)動七段顯示器的指令，可以顯示一位十六進制數(shù)據(jù)。源操作數(shù)S存儲待顯示數(shù)據(jù)，該單元低4位(只用低4位)所確定的十六進制數(shù)0-F經(jīng)解碼后存于指定的目的操作數(shù)D的低8位，高8位保持不變。源操
16、作數(shù)可為K、H、KnM、KnX等。由于譯碼時只對低位進行譯碼，所以一般取。使用譯碼指令輸出為十六進制數(shù)，而本設(shè)計所用到的倒計時顯示只是十進制數(shù)，使用SEGD譯碼指令需要在其自減到0時進行人為賦值使其變?yōu)?，否則將顯示F?？梢娭皇褂肧EGD指令將使程序變得十分復(fù)雜。可以采用數(shù)據(jù)變換指令中的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼并傳送BCD指令。BCD變換指令將源元件中的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼并送到目標元件中。PLC內(nèi)部的算術(shù)運算用二進制數(shù)進行，可以用BCD指令將二進制數(shù)變換為BCD數(shù)后輸出到七段數(shù)碼管顯示，可以實現(xiàn)倒計時。南北方向數(shù)碼管顯示綠燈28秒倒計時時，可以在東西紅燈亮且南北黃燈不亮時，每遇到東西紅燈的上
17、升沿，給數(shù)據(jù)寄存器賦值28，通過BCD指令轉(zhuǎn)換成BCD碼，存入八位中間繼電器K2M，低4位中間繼電器中的值經(jīng)譯碼指令由一個數(shù)碼管輸出，高4位中間繼電器中的值經(jīng)譯碼指令SEGD由另一個數(shù)碼管輸出。上升沿過后，數(shù)據(jù)寄存器D中的值每秒通過DEC指令自減1，并輸出，實現(xiàn)倒計時，其中1秒時間可由1秒的時鐘M8013的下降沿來實現(xiàn)，也可以用定時器T的0.5秒振蕩電路實現(xiàn)。南北黃燈2秒倒計時可以在黃燈上升沿時賦值，黃燈亮時自減。數(shù)碼管輸出顯示方法與前面綠燈時類似。南北方向紅燈30秒倒計時在紅燈上升沿時賦值，紅燈亮時自減，數(shù)碼管顯示方法同上。東西方向的倒計時顯示思路與南北方向相同。 當轉(zhuǎn)換開關(guān)SA的手柄指向中
18、間0時，X002的常開觸點接通，常閉觸點斷開，交通燈系統(tǒng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行南北綠燈常亮，東西紅燈常亮的運行狀態(tài)。當轉(zhuǎn)換開關(guān)SA的手柄指向右45時，X003的常開觸點接通，常閉觸點斷開，交通燈系統(tǒng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行東西綠燈常亮，南北紅燈常亮的運行狀態(tài)。梯形圖如圖4.2所示： 圖4.2 梯形圖備注：M0 初始化 M1 南北黃燈 M2 南北綠燈亮 M3 南北綠燈閃 M4 南北黃燈閃 M10 東西綠燈亮 M11 東西綠燈閃 M12 東西黃燈亮 M13 東西紅燈亮 M15 運行 Y0 南北綠燈 Y1 南北黃燈 Y2 南北紅燈亮 Y3 東西綠燈 Y4 東西黃燈 Y5 東西紅燈5 系統(tǒng)調(diào)試1）接線。將輸入按鈕線接好，撥動按鈕看
19、輸入信號指示燈亮不亮，亮的話表示輸入開關(guān)正常工作。 2）按下啟動按鈕SA-1，可以看到Y(jié)0和Y6亮了，經(jīng)過25S，Y0開始閃爍，閃爍三次后，Y0滅了，Y1亮了，Y1亮2S后，Y2亮，Y4亮，25S后Y4開始閃爍，閃三次后，Y4滅，Y5亮，亮2S后，Y5滅，Y6亮，Y0亮，之后依次循環(huán)，按下停止按鈕SA-1所有燈都滅。按下SA-2，Y0，Y6常亮；按下SA-3，Y2，Y4常亮。心得體會 本次課程設(shè)計的作品是十字路口帶倒計時顯示的交通信號燈控制，通過同學們相互交流與討論，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。使我們對過去所學知識的掌握又進一步提高，包括單片機原理及接
20、口技術(shù)，電氣可編程控制原理與應(yīng)用的知識。我們又查找了很多有關(guān)于此課程設(shè)計的資料，尤其是PLC的設(shè)計，讓我們學到了很多知識，課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。尤其重要的是通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。對于知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計之后，一定要把以前所學過的知識認真復(fù)習一下。 這次課程設(shè)計終于順利完成了，在
21、設(shè)計中遇到了很多編程與設(shè)計問題，最后在肖老師的辛勤指導(dǎo)下，都得到了解決，是我很好地完成了任務(wù)。最后，要謝謝老師與同學們的幫助與指導(dǎo)。 總之，本次課程設(shè)計使我們綜合能力得到大大提高，這是一次難忘的體驗，將深深影響我們。參考文獻 1 陳以定. 電氣控制與可編程控制器. 北京：高等教育出版社，2002. 2 湯以范. 電氣與可編程序控制器技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社，2004. 3 王庭有. 可編程控制器實用技術(shù)原理及應(yīng)用. 北京：國防工業(yè)出版社，2005. 4 常曉玲. 電氣與可編程序控制器. 北京：機械工業(yè)出版社，2005. 5 蔡紅斌. 電氣與PLC控制技術(shù). 北京：清華大學出版社，2004.16
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