基于PLC的智能交通灯控制

1 绪论

随着社会经济的发展，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。在城市交通中，交通灯信号是交通网络控制中最重要的元素，今年来城市交通的车流量较大，给交通带来了巨大的压力。提高路口的车辆通行效率，对于缓解路口车辆阻塞，便捷出行具有十分重要的意义，目前的城市交通灯，都是根据车辆的一般通行量预设固定的红绿灯转换周期。这种固定配时模式会导致某个方向的车辆已通行完毕，而另个方向的车辆要有相对较长的时间等待，这样就降低了车辆的通行效率。对此不断有学者用不同的方法，从不同的角度来研究。国内外有宏观和微观两种模型。宏观模型更适于实时模型，短期预测和速度控制等。近年来，有学者提出速度阶梯连续性模型，还利用CA模型优化交通灯控制。 但前者主要侧重于在理论方面阐释，后者把问题简化为单行道的控制，均未对实际问题提出解决方案。还有的学者从宏观角度研究改善交通控制的方法，提出通过检测各车道的车辆数量来调节时长，但只是考虑直行车道，并未解决问题。后来有学者提出直行和左转车道同时运行，但允许同时运行的车道组合教单一，通行效率提高不明显。针对以上情况，在此本文介绍一种新型交通灯智能控制系统。该系统采取车多通行时间长和同时通行的车道不冲突的原则，采用热释电红外传感器测量车辆的数量，在软硬件方面对现行的交通灯控制系统做了进一步的改进，大大提高了运行效率和车辆通行的灵活性和实时性。本方案中具体的设计思路是在入路口的各个方向附近按要求架设红外检测仪，当汽车进入检测区时，能以温度变化的形式影响红外传感器,这样红外传感器就能产生变化的电信号，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长，利用 LED数码管显示时间。

1．1 PLC的定义

PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

PLC英文全称Programmable Logic Controller ，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：“一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”

1．2 PLC的工作原理

1.2.1 PLC的工作方式

（1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。 （2）程序执行阶段：PLC对用户程序扫描。

（3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。 1.2.2 PLC的主要编程语言

采用面向控制过程，面向问题，简单直观的plc编写横语言，常用的有：梯形图，语句表，功能图等。

1.梯形图：由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但梯形图编程语言功能更强更方便。 LAD具有以下特点：

（1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，起使左母线；

（2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器” ； （3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源；

（4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。

2.语句表：又叫指令表，类似计算机汇编语言形式，用指令的记助符编程。 STL具有以下特点：

（1）利用助记符号表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握的特点； （2）在编程器的键盘上就可以进行编程设计，便于操作； （3）一般PLC程序的梯形图和语句表可以相互转换；

（4）部分LAD或其他编程语言无法表达的PLC程序，必须使用STL才能编程。 3.功能块图：采用类似于数字逻辑门电路的图形符号，逻辑直观，使用方便，它有与梯形图编程中的触点和线圈等价的指令，可以解决范围广泛的逻辑问题。

FBD具有以下特点：

（1）以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易； （2）功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；

（3）对控制规模较大、控制关系较复杂的系统，由于控制功能的关系可以较清楚

地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少。

1．3 PLC的特点

1.3.1 可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

1.3.2 配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 1.3.3易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为

不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

1.3.4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 1.3.5体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1．4 PLC的构成

1.4.1 CPU模块

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应

有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此着控制规模。 1.4.2 I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC

的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

摸拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA，0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数。 1.4.3 电源模块

24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源

（常用的为24VDC）。 1.4.4 底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，

使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

1.4.5 PLC系统的其它设备

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机.人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 1.4.6 PLC的通信联网

依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出\"网络就是控制器\"的观点说法。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。 1.4.7 PLC控制系统的设计基本原则

1 最大限度的满足被控对象的控制要求。

2 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。

3 保证控制系统安全可靠。

4 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。

1．5 PLC的国内外状况

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ，是世界上公认的第一台PLC。

限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模

上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

1．6 PLC未来展望

21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

2 热释电红外传感器

2．1 热释电效应原理

当一些晶体受热时，在晶体两端会产生数量相等而极性相反的电荷，这种由热变化产生的电极化现象被称为热释电效应。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心发

生相对移位，晶体表面产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。热释电传感器利用的是热释电效应，它是一种温度敏感传感器。当传感器监测范围内温度有ΔT 的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷ΔQ，并在两电极之间产生一个微弱电压ΔV。

由于热释电元件的输出阻抗极高，因此，传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会与空气中的离子所结合而消失。当环境温度稳定不变，即ΔT = 0时，传感器无输出；当检测区间的温度分布发生变化产生ΔT时，则有信号输出；当检测区间的温度分布保持稳定时，传感器没有输出。因此,传感器能够根据温度场的变化检测物体的移动状态。传感器主要由外壳、滤光片、热释电元件、场效应管等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口，即滤去无用的红外线，让有用的红外线进入窗口；场效应管起到阻抗变换的作用;热释电元件将红外信号的微弱变化转变为电信号。

2．2 热释电红外传感器的性能

任何发热物体都会产生红外线，而凡是温度高于绝对零度的物体都是红外辐射源。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了不向外输出信号，而传感器的低频响应和特定的红外波长响应决定了传感器只对外界的红外辐射敏感并引起本身的温度变化，即只对相关物体的运动敏感。因此，传感器可以抵抗可见光及其中大部分红外线的干扰。热释电红外传感器以非接触形式检测来自外界物体放射出的微弱红外线能量,并转化成电信号输出。它既有主动式又有被动式。被动式热释电红外传感器本身不产生任何类型的辐射，功耗小且价格低廉。但是热释电传感器也有缺点，如信号幅度小，易受各种热源、光源以及射频辐射的干扰。

为了提高物体辐射的红外线在大气中的对比度，传感器的光谱带要与大气窗口相吻合，通常在热释电传感器前加装一块光学干涉滤光片。滤光片能使带宽内的红外辐射有效通过并抑制带宽外的红外辐射，排除了近红外辐射对热释电传感器的干扰。

红外辐射的物理本质是热辐射，是由于物体内部分子的转动及振动而产生的。这类振动是由物体受热而引起的。在常温下，所有物体都是红外辐射源,如火焰、汽车、动植物等都是红外辐射源。但发射的红外波长不同，红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、干涉和吸收等特性；且温度愈低的物体，其辐射的红外线波长愈长。

2．3 菲涅尔透镜的应用

使用热释电红外传感器时，其表面必须罩上一块菲涅尔透镜。所谓的菲涅尔透镜就是一种特殊设计的、由塑料制成的光学透镜组，是根据菲涅耳原理制成的。它把红外光线分成可见区和盲区，具有聚焦的功能；其与热释电元件配合，可以提高传感器的灵敏度,扩大监视范围。菲涅耳透镜有折射式形式，它的聚焦作用是增加灵敏度,使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式影响红外传感器,这样红外传感器就能产生变化的电信号。当传感器加上菲涅尔透镜后，其检测距离大约可以增加到原来的五倍。

菲涅耳透镜的工作原理是当移动物体发射的红外线进入透镜的监视范围时,透镜会产生一个交替的“盲区”和“高敏感区”,从而使传感器晶片的两个反向串联的热释电元件轮流感受到运动物体,此时,物体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度,使它输出一串脉冲信号。如果物体静止不动地位于热释电元件前,红外元件将会无输出。

3 总体方案选择

3．1 继电器接触器控制

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。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。

3．2 单片机系统控制

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，维修较容易。

3．3可编程控制器控制

可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可

靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。PLC

是在继电器控制逻辑基础上，与

3C

技术

(Computer,Control,Communication)相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩展。可编程控制器可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，使用方便、功能完善、通用性强、设计安装简单、维护方便、体积小、重量轻、能耗低。

3．4 数控装置控制

CNC装置需处理)后，进行插补计算、位置控制，控制伺服系统实现坐标轴的协同移动。

CNC软件的特点是多任务并行处理：CNC系统软件需要完成多项任务，包括输入、I／O处理、显示、诊断等管理任务和译码、刀具补偿、速度处要执行两种控制，即数字控制和顺序控制(或称辅助控制)。因此，CNC软件要处理两种信息，即辅助控制信息和数字控制信息。各种控制指令、参数及加工数据通过输入设备送入CNC装置的存储器中，加工时从存储器中调出零件加工程序，按程序段进行译码，将零件加工程序转变为CNC装置能够接受的代码。译码后分成两路；一路是辅助控制信息，包括辅助功能M、主轴转速功能S和刀具功能T，该路信息通过PLC处理并输出；另一路是数字控制信息，通过预处理(刀具补偿处理和速度理、插补、位置控制等控制任务。在许多情况下CNC装置中的管理和控制的某些任务必须同时执行，即所谓的并行处理。

根据各个控制方式的特点，在设计时最佳的选择方案为可编程控制器控。

4 交通灯控制系统的设计

4．1控制系统的组成

车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器(PLC)来实现。当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。本例选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力；它采用一类可编程的存储器，用

于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程；它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便如图4-1所示。

图4-1 用PLC实现智能交通灯控制原理框图

本设计例中,PLC选用西门子S7-300，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。

4．2 车辆的存在与通过的检测

4.2.1 车流量检测放大电路

在本设计中,采用新型热释电红外传感器探测外界信息,并将其转换成微弱的电信号输出，再经运算放大器放大及比较器滤去干扰后，所得信号被送入PLC以启动计数器计数。检测放大电路的原理图如图4-2所示。

图4-2 检测放大电路原理图

图4-2中: PT为高灵敏度热释电红外传感器，放大器选用LM324集成运算放大器。当检测区间有车辆通过时，PT输出相应的电压脉冲信号，经U1D放大、电容C5隔直后，由U1 C进行第二级放大，输出信号进入窗口电压比较器。电位器RW2决定

了一个窗口电压区间，低于该电压区间，则或门U3A输出为低电平；高于该电压区间，则或门U3A输出为高电平。或门的输出与PLC T0 端和INT0端同时相连接。R2和C1构成阻容滤波，其他滤波电路根据测试情况进行调整。RW1是对放大倍数进行调整。

当U1C的输出在V1 (U1B - )和V2 (U1A + ) 之间时，比较器1 (U1B)和比较器2 (U1A)均输出低电压，或门U3A输出为低电平；当U1 C的输出高于V1 (U1B - )时，比较器1 (U1B)输出高电平，或门U3A输出为高电平；U1C的输出低于V2 (U1A + ) 时，比较器2 (U1A)输出高电平，或门U3A输出为高电平，即U1B和U1A的输出经逻辑或输出脉冲信号到PLC。变阻器RW2用于设定窗口的阀值电平，RW1和RW2可调节检测放大电路的灵敏度，使得低于车辆红外特征的干扰信号被滤除。 4.2.2 车流量检测系统

车流量检测系统由热释电红外传感器检测电路、放大电路、PLC s7-300、MAX813L 组成的看门狗电路等组成。该系统可以实现对应车道的车流量统计。车流量检测系统的方案设计如图4-3所示。

热释电 传感器 滤波及二级放大电路 窗口比较器 PLC S7-300

看门狗电路 图4-3 车流量检测系统框图

4.2.3 传感器的放置

热释电红外传感器安装于道路上方适当的高度位置。当有车辆通过时，传感器输出的微弱信号被送到检测放大电路，经放大整形后输出脉冲信号，最终形成矩形脉冲送入PLC进行计。我们设采取在每个车行道上中的出口地(停车线处)以及在离出口地一定远的进口的地方各安放一个相同的传感器，方案如图4-4(以典型的十子路口为

例)，同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车长为好。

图4-4 传感器的铺设

4.2.4 输出波形图

车流量检测装置通过道路测试，记录的输出波形如图4-5所示。图中信息表明了

车辆通过时的红外特征，且通过判别分组内的高低电平和组与组之间的间隔，可以得到车流量信息。

图4-5 输出波形图

4．3 数码管显示电路

显示电路主要应用元件为译码器CD4511，LED 数码管。CD4511将由PLC输出的BCD码形式的值转换成七段码，送到LED七段数码管显示出来，一个译码器对应一个数码管。显示两位数值，个位和十位。显示电路图如图4-6所示。

图4-6 显示电路图

3.3.1 CD4511译码器

CD4511为双列16脚封装，BCD 码—七段锁存译码驱动器，引脚图如图3.5所示。电源电压+3V--+18V.它将输入BCD标准代码变换成驱动七段数码管所需的信号。又称四线—七段译码器。在此设计中应用的译码器是一个用于驱动共阴极 LED 数码管显示器的 BCD 码—七段码译具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能.能提供较大的上拉电流。其引脚功能介绍如下：

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。本设计采用高电平。

LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 的信号状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。本设计采用低电平。

LE：5脚是锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持

状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。本设计采用高电平。A B C D为8421BCD码输入端。本设计中A B C D下接四个下拉电阻,保证低电平有效。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

图3.5 CD4511引脚图

3.3.2 LED数码管

半导体数码管（或称LED数码管）是常用的显示器件，其基本单元是发光PN结，目前较多采用磷砷化镓做成的PN结，封装成为发光二极管。发光二极管具有单向导电性, 当外加正向电压时，就能发出清晰的光线。正向导通压降一般在2V左右(最大不能超过3.6V)，点亮电流为2毫安左右但通过的电流最大不能超过50毫安,故实际电路应串接适当的限流电阻。本设计中数码管上端接的8个300欧姆的电阻即为限流电阻,调节发光二极管的电流.（电源电压为5V）。其是由多个PN结可以分段封装成半导体数码管，每段为一发光二极管，其字形结构如图3.7所示。选择不同字段发光，可显示出不同的字形。例如，当a、b、c、d、e、f、g字段亮时，显示出8；a、f、g、c、d段亮时，显示出5．半导体数码管中七个发光二极管有共阴极和共阳极两种接法。前者，某一字段接高电平时发光；后者，接低电平时发光。

图3.7 数码管的两种接法

本设计中选用共阴极数码管。

4．3 PLC控制部分的设计

4.3.1正常工作过程

图4-6正常工作过程时序图

控制要求:

（1） 信号灯及显示时间的数码管受开关控制，一个启动按钮控制其启动，一个停止按钮控制其停止。

（2） 信号灯分为东西向直通红灯、直通黄灯、直通绿灯、左转红灯、左转黄灯、左转绿灯各两个；南北向直通红灯、直通黄灯、直通绿灯、左转红灯、左转黄灯、左转绿灯各两个。

（3） 工作过程。初始状态：信号灯全部灭；显示某方向信号灯工作的时间用数码管来显示，初始显示为 0，以表示等待时间控制信号的输入。工作状态：信号灯及数码管由一个启动按钮控制其启动，启动后信号灯及数码管自动循环运行；按下停止按钮后，回到初始状态。特殊情况由五个按钮控制不同情况的应对程序启动，当车辆行驶数量回到正常时，通过一个按钮使其停止，程序执行正常工作时的程序。 正常工作：1、周期前半段。南北向直通道与左转道红灯亮，并维持 63s。在南北向红灯亮的同时：东西向左转红灯亮 35s，然后变为左转绿灯亮 23s，闪亮3s之后左转黄灯亮 2s东西向直通绿灯亮 29s，闪亮 3s，直通红黄灯亮 2S然后直通红灯亮 29s。2、周期后半段。东西向直通道和左转道红灯亮，并维持 s。在东西向红灯时的同时：南北向左转红灯亮 30s，然后变为左转绿灯亮 19s，闪亮 3s，之后左转黄灯亮 2s；南北向直通绿灯亮 24s，闪亮 3s之后直通黄灯亮2s，然后直通红灯亮 25s。然后信号灯按以上方式周而复始地工作；同时南北向、东西向的数码管显示绿灯最后 3s黄灯 2s红灯最后 3s，起着提醒作用。

4.3.2程序设计思路

（1）当各路口的车辆滞留量达一定值溢满时(相当于比较严重的堵车)，红绿灯切换采用现有的常规定时控制方式。

（2）交通灯智能仪器会在交通灯程序执行前进行测量车辆拥挤程度，当东西与南北车辆正常时它会执行正常工作的程序。

（3）东西车道拥挤时，智能交通灯会增加东西车道绿灯的时间，减少南北车道绿灯时间。拥挤程度分为两种，车辆拥挤程度越高，增加绿灯时间越多，但交通灯的整体周期不变。

（4）南北车道拥挤时，智能交通灯会增加南北车道绿灯的时间，减少东西车道绿灯时间。其拥挤程度也分为两种，车辆拥挤程度越高，增加绿灯时间越多，交通灯的整体周期不变。

（5）当有突发事件发生时，如急救等，智能交通灯系统会使东西与南北交通灯全部变为红灯，直到急救车开过停止红灯，交通灯回到正常，程序重新开始执行。 4.3.3车流量的计量有多种方式

(1) 每股行车道的车流量通过PLC分别统计。当车辆进入路口经过第一个传感器1时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量(动态值)，可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。

(2) 统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则(不影响行车安全的多道相向行驶)累加统计。如，东、西相向的2个左行、直行、右行道上的车辆的滞留量全部相加，再与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据(下面的例子就是按此种方式)。

（3）通过加减计数器，转换器，比较器来实现相关车流量的判别与各应对程序的调用。

以上计算判别全部由PLC完成。东西向与南北向的车流量差值为x，反之为y，皆为正值。在下面设计部分所给的车流量区间与设定时间是可变的，为方便程序编写，故采用定值。 4.3.4控制流程图

开 始 车流量是否正常

是 东西道 直行道 左转道 南北道 直行道 左转道

否 绿灯亮29s 执行应对程序 闪3s 红灯35s 绿灯63s 红灯93s 红灯亮23s 绿灯24s 绿灯19s 黄灯亮2s 闪3s 闪3s 黄灯2s 红灯25s 闪3s 黄灯2s 红灯83s 黄灯2s 红灯s 图4-7基本控制流程图

当判断车辆超出范围时，交通灯系统将执行不同方向不同程度车辆堵塞的应对程序。具体过程如下图

开 始 执行应对程序 20﹤x≦30 控制开关11闭 控制开关闭合合 x﹥30 20﹤y≦30 控制开关3闭合 y﹥30 控制开关4闭合 控制开关2闭合 东西直通绿灯增加4s 东西直通绿灯增加8s 东西直通绿灯减少4s 东西直通绿灯减少8s

图4-8应对程序控制流程图

除此之外，当有急救等突发事件时，交通等系统会把东西与南北车道所有交通灯全部变为红灯，直至急救车行驶过去，红灯停止，交通灯重新开始执行。 4.3.5 I/O引脚分配及接口线路 表4-1输入/输出点分配表

输入信号 名称 代号 输入点编号 启动开关 停止开关 调节交通启动开关1 SB3 I0.2 SB2 I0.1 SB1 I0.0 南北直通红灯 南北左转红灯 东西直通绿灯 名称 代号 输出点编号 HL1-1、 Q0.0 HL1-2 HL2-1、 Q0.1 HL2-2 HL3-1、 Q0.2 HL3-2 输出信号 名称 g d 东 西 a Q4.0 代号 输出点编号 调节交通启动开关2 调节交通启动开关3 调节交通启动开关4 应急启动 调节/应急停止开关 SB4 I0.3 东西左转红灯 HL4-1、 Q0.3 HL4-2 数码管b Q4.1 SB5 I0.4 东西直通黄灯 HL5-1、 Q0.4 HL5-2 显示 c Q4.2 SB6 I0.5 东西直通红灯 HL6-1、 Q0.5 HL6-2 e Q4.3 SB7 I0.6 东西左转绿灯 HL7-1、 Q0.6 HL7-2 HL8-1、 Q0.7 HL8-2 南 北 SB8 I0.7 东西左转黄灯 a 南北直通绿灯 HL9-1、 Q1.0 HL9-2 HL10-1、 Q1.1 HL10-2 d Q4.4 南北直通黄灯 g 南北左转绿灯 HL11-1、 Q1.2 HL11-2 HL12-1、 Q1.3 HL12-2 b Q4.5 南北左转黄灯 c Q4.6 e Q4.7 信号灯及南北向时间显示输入/输出接线图如下图4-9

图4-9 输入/ 输出接线图

SB1：车辆正常时的信号输入 SB2：无信号输入SB3：东西方向车辆普通拥挤的信号输入 SB4：东西方向车辆特别拥挤的信号输入SB5：南北方向车辆普通拥挤的信号输入 SB6：南北方向车辆特别拥挤的信号输入SB7：紧急情况时的信号输入 SB8：紧急情况排除时的信号输入

5 PLC程序仿真

由于实训室硬件资源有限，仿真能力未能做到全面，请大家原谅。 下表为仿真结果，其中下划线代表亮闪。 当I0.0闭合

名称 对应输出端口 时间/s 东西直通绿灯 东西直通绿灯闪 东西直通黄灯 东西左转绿灯 东西左转绿灯闪 东西左转黄灯 南北直通绿灯 南北直通绿灯闪 南北直通黄灯 南北左转绿灯 南北左转绿灯闪 南北左转黄灯 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 3 4 0 1 5 6 0 1 5 6 0 1 5 7 1 3 5 10 1 3 5 10 1 3 5 11 0 3 5 12 0 3 5 12 0 3 5 13 29 3 3 23 3 2 24 3 2 19 3 2

由于篇幅有限，这里只给出调节开关1闭合的情况。当I0.0与I0.2同时闭合，即出现东西方向车辆普通拥挤的信号

名称 东西直通绿灯 东西直通绿灯闪 东西直通黄灯 东西左转绿灯 东西左转绿灯闪 东西左转黄灯 南北直通绿灯 南北直通绿灯闪 南北直通黄灯 南北左转绿灯 南北左转绿灯闪 南北左转黄灯 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 3 4 0 1 5 6 0 1 5 6 0 1 5 7 1 3 5 10 1 3 5 10 1 3 5 11 0 3 5 12 0 3 5 12 0 3 5 13 对应输出端口 33 3 3 26 3 2 20 3 2 16 3 2 时间/s 具体过程见软件仿真演示，梯形图程序见附录。

结 论

比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知本设计最大优点在于减缓滞

流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低，特别适合繁忙的、未立交的交通路口，更适合于四个以上的路口，也可方便连网。由于使用的是PLC作为核心的控制元件，使得电路的可靠性比较高，功能也比较强大，而且可以随时的更新系统，进行不同状态的组合。

基于PLC的智能交通灯控制系统有两个主要特点，一方面是本设计采用模糊控制方法实现交通的控制，由于模糊控制不需要建立被控对象精确的数学模型，特别适合于随机的，负载的城市交通控制。另一方面，设计应急转换开关，考虑紧急车通过时，如救护车等，两车道的车都应停止，从而有效的疏导交通，提高了交通路口的通行能力。

由于时间的关系，考虑到交通灯倒计时显示部分并非本论文设计的重点，同时红绿灯的时间是可变的，用PLC控制较难实现，故这里只给出了时长中最后3s的倒计时控制显示部分，以做到提醒作用，还待完善。

致 谢

毕业设计终于接近尾声了，在这短短的几个月里，不仅考察了自己大学四年所学到

的知识，更重要的是在指导老师的悉心指导下将课本里所学到的东西应用到了实践中，锻炼了自己的能力。虽然这当中遇到很多困难，尝到了很多次失败的滋味，但却让自己的能力有了很大的提升。

论文撰写过程中，使我对当前电子领域的研究状况和发展方向有了深刻的了解，尤其在PLC编程控制领域。在此，我衷心感谢老师及其他老师的耐心指导和帮助。本论文在设计过程中还得到了一些同学朋友的帮助，在此一并表示感谢。在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报各位领导和老师，报答老师和母校的辛勤栽培，努力成为一名优秀的大学毕业生，服务社会。

参 考 文 献

1 廖常初．PLC基础及应用[M]．北京：机械工业出版社,2003．

2 王炳实．机床电气控制[M]．第3版．北京：机械工业出版社,2004．

3 郭宗仁．可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术[M]．北京：人民邮电出版社,2002．

4 王也仿．可编程控制器应用技术[M]．北京：机械工业出版社,2003．

5 王永华．现代电气及可编控制技术[M]．北京：航空航天大学出版社,2002． 6 李建. 热释电传感器原理与应用[J]. 传感器世界, 2005,11(7)；34-35. 7 冯冬青,谢宋和．模糊智能控制[M]．北京：化工工业出版社,1998.

8 丁金婷.基于PLC的交通十字路口模糊控制.硕士学位论文.浙江：浙江大学，2006.

9 洪清辉,何燕阳. 基于PLC的交通灯智能控制[J]. 漳州师范学院学报(自然科学版) , 2005,(03).

10 徐明铭.城市十字路口交通灯控制系统的PLC程序设计[J].福建电脑,2007,(10).

11 张君霞. 基于常规交通灯控制PLC的时间顺序控制编程方法[J]. 工业控制计算机 , 2005,(04).

12 李生明,杨红.利用PLC实现十字路口交通灯的控制[J].长江工程职业技术学院学报, 2007,(03).

13 童克波.用PLC控制的有时间显示的交通灯电路[J].甘肃科技纵横,2007,(04).

14 刘畅.智能交通信号灯实时优化控制.硕士学位论文.辽宁：沈阳工业大学，2008.

15 汪然.智能交通信号控制系统的研究与开发.工程硕士学位论文.重庆：重庆大学，2006.

16 史强.智能交通系统中的车流量预测与信号协制.硕士学位论文.山东：山东大学，2006.

17 黄崇福,阮达.模糊集理论与近似推理. 武汉：武汉大学出版社，2004.150～167.

附 录

交通灯控制梯形图

数码管控制电路

指令表

A(

O I 0.0 O M 0.0 )

AN I 0.1 = M 0.0 AN T 550

L S5T#500MS SD T 550 A T AN O AN A = A M AN AN = A BLD L SD A A = A A L SD A A L SD A A L SD A A L SD A A( A( 550

M 1.0

T 550 M 1.0 M 1.0 0.0

T 14 M 0.5 L 20.0 L 20.0 102 S5T#29S T 1 L 20.0 T 1 L 20.1 L 20.1 M 0.1 S5T#4S T 15 L 20.1 M 0.2 S5T#8S T 19 L 20.0 M 0.3 S5T#25S T 23 L 20.0 M 0.4 S5T#21S T 27 L 20.0

O T 1 O T 23 O T 27 )

AN M 0.1 AN M 0.2 O T 15 O T 19 )

L S5T#3S SD T 2 A L 20.0 A T 2 L S5T#2S SD T 3 A L 20.0 A T 3 L S5T#1S SD T 4 A L 20.0 A T 4 L S5T#23S SD T 5 A L 20.0 A T 5 = L 20.1 A L 20.1 A M 0.1 L S5T#3S SD T 16 A L 20.1 A M 0.2 L S5T#6S SD T 20 A L 20.0 A T 4 A M 0.3 L S5T#20S SD T 24 A L 20.0 A( A(

O T 5 O T 24 O T 28 )

AN M 0.1 AN M 0.2 O T 16 O T 20 )

L S5T#3S SD T 6 A L 20.0 A T 6 L S5T#2S SD A T AN = A BLD L SD A A L SD A A L SD A A = A A L SD A A L SD A A( A( O O O ) AN AN T 7 7

M 0.5 L 20.0 L 20.0 102 S5T#24S T 8 L 20.0 M 0.1 S5T#20S T 17 L 20.0 M 0.2 S5T#16S T 21 L 20.0 T 8 L 20.1 L 20.1 M 0.3 S5T#4S T 25 L 20.1 M 0.4 S5T#8S T 29 L 20.0

T 8 T 17 T 21 M 0.3 M 0.4

O T 25 O T 29 )

L S5T#3S SD T 9 A L 20.0 A T 9 L S5T#2S SD T 10 A L 20.0 A T 10 L S5T#1S SD T 11 A L 20.0 A T 11 L S5T#19S SD T 12 A L 20.0 A T 11 = L 20.1 A L 20.1 A M 0.1 L S5T#16S SD T 18 A L 20.1 A M 0.2 L S5T#13S SD T 22 A L 20.0 A T 12 = L 20.1 A L 20.1 A M 0.3 L S5T#3S SD T 26 A L 20.1 A M 0.4 L S5T#6S SD T 30 A L 20.0 A( A(

O T 12 O T 18 O T 22 )

AN M 0.3 AN M 0.4 O T 26 O T 30 )

L S5T#3S SD T 13 A L 20.0 A T 13 L S5T#2S SD

A(

O O ) AN AN = A(

O O ) AN AN = A(

O O ) AN AN = A(

O O ) AN AN = A(

O O ) AN = T 14 I 0.2 M 0.1 T 14 I 0.7 M 0.1 I 0.3 M 0.2 T 14 I 0.7 M 0.2 I 0.4 M 0.3 T 14 I 0.7 M 0.3 I 0.5 M 0.4 T 14 I 0.7 M 0.4 I 0.6 M 0.5 I 0.7 M 0.5

A M 0.0 A(

ON T 7 O T 10 )

= Q 0.0 A M 0.0 AN T 10 = Q 0.1 A(

A( ON O O ) AN AN AN AN O A( A( O O O ) AN AN O O ) A ) AN A AN = A M A( ON O ) = A T AN AN

T 1 M 0.1 M 0.2 T 15 T 19 T 23 T 27

T 1 T 23 T 27 M 0.1 M 0.2 T 15 T 19 M 1.0 T 2 M 0.0 M 0.5 Q 0.2 0.0

T 4 T 7 Q 0.3 2

T 3 M 0.5

= Q 0.4 O T 3

O M 0.5 = Q 0.5 A T 4 A( A(

ON T 5 O M 0.1 O M 0.2 ) AN AN AN AN O A( A( O O O ) AN AN O O ) A ) AN AN = A T AN AN = A T A( A( ON O O ) AN AN AN T 16 T 20 T 24 T 28

T 5 T 24 T 28 M 0.1 M 0.2 T 16 T 20 M 1.0 T 6 M 0.5 Q 0.6 6

T 7 M 0.5 Q 0.7 7

T 8 M 0.3 M 0.4 T 17 T 21 T 25

AN T 29 O A( A(

O T 8 O T 17 O T 21 )

AN M 0.3 AN M 0.4 O O ) A ) AN AN = A T AN AN = A T A( A( ON O O ) AN AN AN AN O A( A( O O O ) AN AN O O ) A T 25 T 29 M 1.0 T 9 M 0.5 Q 1.0 9

T 10 M 0.5 Q 1.1 11

T 12 M 0.3 M 0.4 T 18 T 22 T 26 T 30

T 12 T 18 T 22 M 0.3 M 0.4 T 26 T 30 M 1.0

)

AN T 13 AN M 0.5 = Q 1.2 A T 13

AN T 14 AN M 0.5 = Q 1.3

数码管控制电路

O T 1

O T 5 O T 13 S Q 4.0 S Q 4.1 S Q 4.2 L S5T#1S SD T 31 O T 31

O T 2 O T 6 R Q 4.2 S Q 4.3 L S5T#1S SD T 32 A T 32

R Q 4.0 S Q 4.2 R Q 4.3 L S5T#1S SD T 33 A T 33

R Q 4.4 R Q 4.1 R Q 4.2 R Q 4.3 O T 7

O T 8 O T 12 S Q 4.4 S Q 4.5 S Q 4.6 L S5T#1S SD T 34 O T 34

O T 9

O T 13 R Q 4.6 S Q 4.7 L S5T#1S SD T 35 A T 35

R Q 4.4 S Q 4.6 R Q 4.7 L S5T#1S SD A T R R R R T 36 36

Q 4.4 Q 4.5 Q 4.6 Q 4.7