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十字路口交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 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），簡稱PLC。它具有可靠性高，功能完善，抗干擾性好、結(jié)構(gòu)簡單、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)境及過程控制的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)并且主要用來代替繼電器實(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)超過了早期的PLC。
交通問題是現(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。無論是在古代還是現(xiàn)代，交通運(yùn)輸都具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略意義。在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，交通問題己經(jīng)被許多國家和地區(qū)提上了日程。如何高效、快捷地出行，是關(guān)乎人們生產(chǎn)和日常生活的重要問題。而與之相關(guān)的方方面面也就自然而然地成為了人們所研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。
本課題通過深入地研究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，初步解決了交通擁堵問題。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線遙控裝置對于信號(hào)燈的控制。
1.2 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，上路的車輛越來越多，但相應(yīng)的公路設(shè)施卻沒有相應(yīng)的改善。這就導(dǎo)致了城市交通擁堵問題突出，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，但是交通堵塞問題始終沒有解決，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，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，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題，這些都成為我區(qū)道路交通事故處在多發(fā)態(tài)勢的主要原因。
面對日益嚴(yán)重的交通擁堵問題，想要僅僅依靠行政措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。解決交通問題還應(yīng)該利用科技力量對城市交通進(jìn)行有效的管理，如何對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。利用交通燈對車流進(jìn)行管理，無疑是最為便捷且最為行之有效的方法。眼下一個(gè)極為迫切的問題就是如何優(yōu)化目前的交通信號(hào)燈系統(tǒng)。
1.3課題研究的目的意義
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，城市化的腳步不斷加快，交通問題日漸嚴(yán)重。龍其在國際性大都市，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了巨大的困擾。在我國這個(gè)情況尤為突出。
這就說明了交通路口的車輛指揮工作是極為重要的一環(huán)，而疏導(dǎo)交通的主要工具.交通信號(hào)燈的性能就更為重要。以往的交通燈大都采用繼電器或單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，雖然簡單可控成本低，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)。
目前我國的交通信號(hào)燈主要靠單片機(jī)甚至是更初級的控制方式。該控制方式雖然簡單易行，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，己越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代化都市對于交通控制的需求。而國內(nèi)外到目前為止尚無完善的解決方案，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)境及過程控制的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。
PLC對交通信號(hào)燈的控制，主要是考慮其具有對使用環(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PLC控制可對交通燈實(shí)施全天候無人化管理。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?，如何充分地利用PLC系統(tǒng)的控制優(yōu)勢，使其適應(yīng)現(xiàn)在的交通狀況，成為競相研究的課題。
1.4 國內(nèi)外現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢
1.4.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀
在交通信號(hào)燈的控制方面，國外尤其是歐美等發(fā)達(dá)國家，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)見不鮮。在日常出行中，高質(zhì)量的交通信號(hào)無疑也對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)國家來說，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，按地域來說可分成美國、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，各個(gè)PLC生產(chǎn)公司也因此大獲其利。就這一角度來說，以PLC控制的信號(hào)燈將極具競爭力。
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，PLC的應(yīng)用面卻越來越廣。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)算以及通信問題。PLC的應(yīng)用范圍通常可分成5種類型，它們分別是：順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、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)很大程度地超過了其剛剛出現(xiàn)時(shí)的技術(shù)水平。
1.4.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
雖然PLC在國外的研究己得到了長足的進(jìn)步，但我國工業(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在我國的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到充分發(fā)揮，PLC產(chǎn)品還有著很大的應(yīng)用空間。雖然?我國大中型企業(yè)普遍采用了先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進(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)品對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。對于交通燈這種技術(shù)要求不太高的控制，與PLC有關(guān)的研究更是無人問津。
近幾年來，隨著上路的車輛越來越多，與此同時(shí)城市交通擁堵問題日益突出，城市交通問題己成為了關(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)，改善我國獨(dú)有的交通問題，所以對交通信號(hào)控制方法的研究具有重大意義。
當(dāng)前我國的十字路口信號(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，己越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化都市對于交通的需求。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題運(yùn)應(yīng)而生。PLC憑借其高精度、高可靠性及長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)國家相比有幾十年的滯后，按目前的經(jīng)濟(jì)形勢分析，我國將迎來一個(gè)PLC市場高速增長的時(shí)期。
1.4.3 未來發(fā)展趨勢
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PLC控制可對交通燈實(shí)施全天候無人化管理。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，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)，所以對其進(jìn)行一次系統(tǒng)全面的研究是十分必要的。
1.5 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線控制器。
1.信號(hào)燈的設(shè)計(jì)
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說
（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。即在某一方向?yàn)榫G燈時(shí)，另一方向?yàn)榧t燈或黃燈。
2.倒計(jì)時(shí)數(shù)碼顯示的設(shè)計(jì)
數(shù)碼顯示主要是為了顯示各個(gè)信號(hào)燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間，由于系統(tǒng)對于信號(hào)燈倒計(jì)時(shí)的顯示并無特殊要求，故本設(shè)計(jì)采用了七段數(shù)碼管。對于普通七段數(shù)碼管，其供電電壓為24V時(shí)即可正常工作，故電源采用外部接入直流24V供電。數(shù)碼管一端接外部電源，一端接PLC的COM口。
本設(shè)計(jì)中四個(gè)方向數(shù)碼管共設(shè)置了四組，分別是南北方向和東西方向，每一方向各設(shè)兩組，且每一方向的兩組數(shù)碼管顯示示內(nèi)容完全相同，所以其對應(yīng)的輸入端共用一個(gè)輸入信號(hào)。對于某一組數(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、黃燈間隔中的紅燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。
3.手動(dòng)無線強(qiáng)通的設(shè)計(jì)
對于手動(dòng)無線強(qiáng)通的設(shè)計(jì)，本文主要是通過AT89SC052單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)在南北方向和東西方向車道上各配置了一個(gè)點(diǎn)動(dòng)按鍵式紅外遙控器，通過單片機(jī)的發(fā)射發(fā)出紅外信號(hào)并通過接收端接收后譯碼，并將信號(hào)送至PLC輸入端，從而起到開關(guān)的作用。
對于無急車時(shí)，按照正常循環(huán)時(shí)序控制。當(dāng)有急車來時(shí)，打開急車強(qiáng)通開關(guān)，不管原先信號(hào)狀態(tài)如何，一律強(qiáng)制讓急車來車方向的綠燈亮，直到急車通過為止。當(dāng)斷開強(qiáng)通開關(guān)時(shí)，PLC即復(fù)位，以正常時(shí)序時(shí)進(jìn)行控制。急車強(qiáng)通控制只能響應(yīng)一條路上來的控制信號(hào)，基兩條交叉路均有信號(hào)到來，則先響應(yīng)先來的一方，再響應(yīng)另外一方。
遙控接收器是根據(jù)接收到的不同頻率的紅外光信號(hào)，由CPU轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制方法進(jìn)而對控制電路實(shí)施控制。無線遙控系統(tǒng)就其組成來說，主要分為發(fā)射電路、接收電路及外圍控制電路等部分。最后通過接收電路的輸出端與PLC輸入端相連以完成控制功能。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是對于緊急通過的車輛，可以進(jìn)行人性化管理，確保該車順利通過，最大限度地利用PLC的現(xiàn)代控制優(yōu)勢，充分發(fā)揮信號(hào)燈應(yīng)有的作用。本設(shè)計(jì)的研究技術(shù)路線如圖1.1所示：
研究了解信號(hào)燈的工作原理和動(dòng)作規(guī)律
查閱相關(guān)資料并選擇適合本課題的技術(shù)
確定PLC的技術(shù)路線
實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求并設(shè)計(jì)出PLC的控制程序
依照自己的設(shè)計(jì)做出總體布局設(shè)計(jì)
完成PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖繪制
編寫畢業(yè)論文
圖1.1 設(shè)計(jì)技術(shù)路線
第2章 控制系統(tǒng)總體方案與技術(shù)要求
2.1 系統(tǒng)的基本要求
2.1.1 信號(hào)燈的基本構(gòu)成
十字路口交通的具體的交通燈分布如圖2.1所示，在十字路口的東、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)計(jì)數(shù)器以及手持式無線控制器。
圖2.1 交通燈分布
1. 南北主干道
南北主干道的交通燈有6個(gè)，分別是左轉(zhuǎn)紅燈、左轉(zhuǎn)綠燈、左轉(zhuǎn)黃燈、直行紅燈、直行綠燈和直行黃燈。
2. 東西主干道
東西主干道的交通燈也是6個(gè)，分別是左轉(zhuǎn)紅燈、左轉(zhuǎn)綠燈、左轉(zhuǎn)黃燈、直行紅燈、直行綠燈和直行黃燈。
3. 人行道
南北向人行道和東西向人行道各2個(gè)，分別是紅燈和綠燈。
4. 計(jì)時(shí)器
分為南北向和東西向計(jì)時(shí)器，分別顯示南北和東西方向的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。
5. 無線控制器
可以實(shí)現(xiàn)人工對某一方向信號(hào)燈的強(qiáng)通控制。
2.1.2 基本控制要求
交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的要求是能夠?qū)崿F(xiàn)“正常循環(huán)運(yùn)行”和“無線手動(dòng)強(qiáng)通控制”兩種控制方式。
1. 正常循環(huán)運(yùn)行
交通信號(hào)燈的正常循環(huán)運(yùn)行邏輯流程圖如圖2.1所示，具體控制要求如下：
（1）按下啟動(dòng)按鈕后，交通信號(hào)燈系統(tǒng)開始工作。先亮南北方向綠燈和東西方向的紅燈，再亮東西方向綠燈和南北方向紅燈，然后再亮南北方向綠燈和東西方向的紅燈，如此一直循環(huán)運(yùn)行。
（2）南北向主干道直行綠燈先亮35s，再亮直行黃燈5s，然后是直行紅燈亮80s；同時(shí)南北向左轉(zhuǎn)紅燈先亮40s，其次左轉(zhuǎn)綠燈亮15s，然后是左轉(zhuǎn)黃燈亮5s。
（3）東西主干道直行紅燈先亮60s，其次是直行綠燈亮35s，最后是直行黃燈亮5s；同時(shí)東西向左轉(zhuǎn)紅燈亮100s,其次是左轉(zhuǎn)綠燈亮15s，最后是左轉(zhuǎn)黃燈亮5s后轉(zhuǎn)至左轉(zhuǎn)紅燈，依次循環(huán)。
（4）南北向和東西向人行道均設(shè)有紅燈、黃燈、綠燈。人行道上的紅、黃、綠燈與同方向主干道上的直行紅、黃、綠燈運(yùn)行方式相同。
開始
南北直行綠燈亮35S
南北直行黃燈亮5s
南北直行紅燈亮80s
南北左轉(zhuǎn)紅燈亮40s
南北左轉(zhuǎn)綠燈亮15s
南北左轉(zhuǎn)黃燈亮5s
東西直行紅燈亮60s
東西直行綠燈亮35s
東西直行紅燈亮20s
東西左轉(zhuǎn)紅燈亮100s
東西左轉(zhuǎn)綠燈亮15s
東西左轉(zhuǎn)黃燈亮5s
南北左轉(zhuǎn)紅燈亮60s
東西直行黃燈亮5s
圖2.2 交通燈正常循環(huán)運(yùn)行流程圖
2. 無線手動(dòng)強(qiáng)通控制
無線手動(dòng)強(qiáng)通控制是為了適應(yīng)警車、救護(hù)車等急車所設(shè)計(jì)的，它可以實(shí)現(xiàn)對某一方向燈的開關(guān)控制，其邏輯流程圖如圖2.3所示。具體控制要求如下：
（1）強(qiáng)通控制受無線遙控開關(guān)控制。無急車時(shí)，按照正常循環(huán)時(shí)序控制。當(dāng)有急車來時(shí)，打開急車強(qiáng)通開關(guān)，不管原先信號(hào)狀態(tài)如何，一律強(qiáng)制讓急車來車方向的綠燈亮，直到急車通過為止。當(dāng)斷開強(qiáng)通開關(guān)時(shí)，PLC即復(fù)位，以正常時(shí)序時(shí)進(jìn)行控制。
（2）急車強(qiáng)通控制只能響應(yīng)一條路上來的控制信號(hào)，基兩條交叉路均有信號(hào)到來，則先響應(yīng)先來的一方，再響應(yīng)另外一方。
（3）當(dāng)無線強(qiáng)通停止按鈕按下后，該信號(hào)將原先的強(qiáng)通電路關(guān)閉，同時(shí)PLC復(fù)位，各個(gè)通路以初始狀態(tài)為起始點(diǎn)開始循環(huán)運(yùn)行，進(jìn)入原先的運(yùn)行狀態(tài)之中，道路恢復(fù)通車。由于該過程對時(shí)間的要求并無限制，所以該系統(tǒng)同時(shí)還可以作為交通故障及道路施工時(shí)關(guān)閉交通來用。
開始
正常運(yùn)行
按下南北強(qiáng)通銨鈕
南北方向綠燈亮，
東西方向紅燈亮
按下東西強(qiáng)通停止按鈕
南北方向綠燈亮，
南北方向紅燈亮
按下南北強(qiáng)通停止按鈕
按下東西強(qiáng)通按鈕
東西方向強(qiáng)通失效
南北方向強(qiáng)通失效
圖2.3 無線手動(dòng)強(qiáng)通控制的邏輯流程圖
3. 倒數(shù)計(jì)時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)
在路中央四個(gè)方向均設(shè)置一組數(shù)碼管，每組2個(gè)。信號(hào)燈程序啟動(dòng)后，隨著信號(hào)燈的亮滅，七段數(shù)碼管構(gòu)成的倒計(jì)時(shí)鐘也隨之顯示信號(hào)燈的亮滅時(shí)間。
(1)南北方向
該方向上共有兩組共6個(gè)信號(hào)燈，分別控制直行和左轉(zhuǎn)方向的行車。
在該方向，先顯示直行綠燈的接通時(shí)間35s，然后進(jìn)入黃燈倒數(shù)5s計(jì)時(shí)，其次是左轉(zhuǎn)綠燈顯示15s,后是左轉(zhuǎn)黃燈5s，最后是紅燈顯示60s，此次工作循環(huán)節(jié)束，進(jìn)入下一循環(huán)。
（2）東西方向
在該方向，先顯示紅燈接通時(shí)間60s,然后是直行綠燈顯示35s，其次是直行黃燈顯示5s，后是左轉(zhuǎn)綠燈顯示15s，最后是左轉(zhuǎn)黃燈顯示5s，此次工作循環(huán)節(jié)束，進(jìn)入下一循環(huán)。
2.2PLC的結(jié)構(gòu)及原理
2.2.1 PLC的分類
1. 按I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量可分為：（1）小型PLC；（2）中型PLC；（3）大型PLC
2. 按結(jié)構(gòu)型式可分為：（1）整體式PLC；（2）模塊式PLC；（3）疊裝式PLC
3. 按功能可分為：（1）低檔機(jī)；（2）中檔機(jī)；（3）高檔機(jī)
2.2.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)及原理
可編程控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要由微處理器、存儲(chǔ)器、電源、I/O接口電路、擴(kuò)展接口、外設(shè)接口和編程器等構(gòu)成。PLC接受了來自現(xiàn)場的控制信號(hào)后經(jīng)過中央處理元件處理后送入驅(qū)動(dòng)受控元件進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對象的操作控制。
PLC分為整體式和組合式兩種結(jié)構(gòu)，整體式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊以及電源等。所有這些元素組合成為一個(gè)不可拆解的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、電源模塊、內(nèi)存、機(jī)架等，這些硬件設(shè)施可以按不同的排列組合形成一定功能的模板。
PLC工作時(shí)主要是取指令及執(zhí)行指令以完成一定的功能，其內(nèi)部工作過程大致可分為如下階段：
(1)輸入采樣階段
在此階段中， PLC以掃描的方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，立即轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會(huì)因此而改變。
(2)程序執(zhí)行階段
在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按照由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描一條梯形圖的同時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的控制線路，并按照先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算得出的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中所對應(yīng)位的狀態(tài)；或者是刷新該輸出線圈在I/O映象中所對應(yīng)位的狀態(tài)；又或者是確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。
（3）輸出刷新階段
當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)來刷新所有的輸出鎖存電路，和外接電路，再經(jīng)輸出放大電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。
2.2.3 PLC設(shè)計(jì)的基本原則
任何一種控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：
1、最大限度地滿足被控對象的控制要求
如何充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，這是設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的首要目標(biāo)，這也是設(shè)計(jì)中最為重要的一條原則。要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深入現(xiàn)場來進(jìn)行調(diào)查和研究，收集控制現(xiàn)場的各方資料以及相關(guān)先進(jìn)的國內(nèi)、國外資料。
2、保證PLC控制系統(tǒng)的安全可靠
保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期可靠、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，這是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。要求設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、元器件的選擇、軟件的編程上要全面考慮，以確保控制系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行。例如：保證PLC程序不僅在正常條件下運(yùn)行，而且在各種非正常情況下如突然掉電再上電、按鈕按錯(cuò)等，也能正常工作。
3、力求簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便
一個(gè)新的控制工程固然能夠提高產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但新工程的投入和技術(shù)的培訓(xùn)以及設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo)致運(yùn)行資金的急劇增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的經(jīng)濟(jì)效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的造價(jià)成本。這些要求設(shè)計(jì)者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單并且兼具經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，而且還要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便、成本低，而不能一味盲目地追求高指標(biāo)。
4、適應(yīng)發(fā)展的需要
由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷提高，所以設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)的發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇PLC的輸入/輸出模塊、I/O點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)?shù)亓粲杏嗔?，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。
在可編程邏輯控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該確定控制方案，下一步工作就是可編程邏輯控制器的設(shè)計(jì)和選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求就是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。可編程邏輯控制器及有關(guān)設(shè)備應(yīng)該是高度集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照其易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則來選用型號(hào)，而且所選用可編程邏輯控制器應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有成熟可靠的系統(tǒng)和投運(yùn)業(yè)績的各類產(chǎn)品，與其系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)該和控制要求相適應(yīng)。
2.3 PLC的選用
PLC發(fā)展到了今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)監(jiān)測和控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多還具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，因而可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸幾乎小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積十分小從而很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。
近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，這使得PLC滲透到了溫度控制、位置控制和CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的快速發(fā)展，使用PLC組成的各種控制系統(tǒng)變得非常容易。PLC用于存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯從而大大減少控制設(shè)備外部的接線，這使得控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，與此同時(shí)維護(hù)也變得更加容易起來。最重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過了改變程序改變使得生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。
目前生產(chǎn)可編程控制的器的廠家很多，并且每個(gè)廠家本身生產(chǎn)的產(chǎn)品也不盡相同，但就其基本構(gòu)造和指令都相近，因此只需從中選擇一款適合控制系統(tǒng)要求的PLC即可。
本文采用的是三菱公司的FX2N-128MT-001，其中輸入點(diǎn)：64，輸出點(diǎn)：64，晶體管輸出。FX2N-128MT-001屬于第三代小型可編程控制器，集高速、高性能及高容量于一身。作為一種新型PLC，具有自身一些獨(dú)有特點(diǎn)，下列是關(guān)于FX2N-128MT-001的一些基本介紹：
PLC平均無故障時(shí)間（MTBF）高達(dá)30萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。從PLC的外部電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到了數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就因此大大降低。此外，PLC還帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)地發(fā)出警報(bào)信息。
從PLC功能來看，該型號(hào)PLC的CPU 處理速度達(dá)到了0.065us并且內(nèi)置了高達(dá)64K 的大容量RAM 存儲(chǔ)器。高內(nèi)存大幅增加了內(nèi)部軟元件的數(shù)量，強(qiáng)化了指令的功能，提供了多達(dá)209 條應(yīng)用指令，包括像與三菱變頻器通訊的指令，CRC 計(jì)算指令，以及產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)指令等等。晶體管輸出型的基本單元內(nèi)置了3 軸獨(dú)立最高100kHz 的定位功能，并且增加了新的定位指令；帶DOG 搜索的原點(diǎn)回歸（DSZR ），中斷單速定位（DVIT）和表格設(shè)定定位（TBL），從而使得定位控制功能更加強(qiáng)大，使用更加地方便；內(nèi)置了6 點(diǎn)同時(shí)100kHz 的高速計(jì)數(shù)功能，雙相計(jì)數(shù)時(shí)可以進(jìn)行4 倍頻計(jì)數(shù)，大大地提升了運(yùn)行速度。此外該型號(hào)PLC還有一些其它特殊功能：
1.定位指令增加。
2.可擴(kuò)展高速脈沖輸出模塊FX3U-WHSY-ADP 用于定位。
3.可擴(kuò)展定位模塊FX3U-20SSC-H模塊用于定位。
4.可連接FX系列之前的定位模塊。
2.4 本章小結(jié)
本章提出了信號(hào)燈系統(tǒng)的總體構(gòu)思，并且提出了十字路口信號(hào)燈系統(tǒng)的具體構(gòu)成元素：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)計(jì)數(shù)器以及手持式無線控制器。并且通過對PLC各個(gè)型號(hào)的對比以及從設(shè)計(jì)的實(shí)際要求出發(fā)選擇了PLC的具體型號(hào)。
第3章 信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 信號(hào)燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文以十字路口信號(hào)燈的PLC控制為主進(jìn)行研究。該課題中的十字路口信號(hào)燈包括南北方向左轉(zhuǎn)和直行紅黃綠燈和人行道紅綠燈各兩組，東西方向左轉(zhuǎn)紅黃綠燈以及人行道紅綠燈各兩組；東西、南北方向各有兩組七段數(shù)碼管顯示屏，由于同一方向控制時(shí)間相同，所以該方向兩組數(shù)碼管顯示時(shí)間完全相同。本節(jié)設(shè)計(jì)主要圍繞各個(gè)信號(hào)燈的工作時(shí)序圖和具體的PLC控制程序來做介紹，同時(shí)分配了各個(gè)信號(hào)燈以及數(shù)碼管的PLC端口。
3.1.1 工作時(shí)序圖
1．南北方向
對于該方向，信號(hào)燈配置為左轉(zhuǎn)紅黃綠燈和直行紅黃綠燈以及人行道紅綠燈各兩組。直行紅黃綠燈控制直行車輛，同時(shí)左轉(zhuǎn)紅黃綠燈控制左轉(zhuǎn)車輛，兩組信號(hào)燈狀態(tài)相反，分別在不同時(shí)段放行直行以及左轉(zhuǎn)的車輛。本文采用的是以120s為周期，其信號(hào)燈工作時(shí)序如圖3.1所示。
對于直行紅黃綠燈，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)。
對于左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的3個(gè)燈以紅燈（40s） 綠燈（15s） 黃燈(5s) 紅燈（60s）依次循環(huán)。
對于人行道紅綠燈，本設(shè)計(jì)配置了紅燈和綠燈兩種狀態(tài)，且該紅、綠燈各自均以紅燈（60s） 綠燈（60s）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。即對于某一車道，當(dāng)直行及左轉(zhuǎn)紅燈均亮?xí)r該側(cè)的人行道綠燈才亮，當(dāng)任一直行或左轉(zhuǎn)綠燈亮?xí)r該人行道都顯示為紅燈亮。該循環(huán)方式保證了車、人的有序通過，并充分保證了行人的人身安全。
圖3.1 南北方向信號(hào)燈工作時(shí)序圖
2．東西方向
東西方向的信號(hào)燈工作與南北方向呈對稱方式，行車與南北方向道路交替進(jìn)行，其工作時(shí)序如圖3.2所示。
對于東西直行紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的3個(gè)燈以紅燈（60s） 綠燈(35s) 黃燈（5s） 紅燈（20s）依次循環(huán)。
對于東西左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的3個(gè)燈以紅燈（100s） 綠燈(15s) 黃燈（5s）依次循環(huán)。
對于東西側(cè)人行道紅綠燈，各自以綠燈（60s） 紅燈（60s）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。
圖3.2 東西方向信號(hào)燈工作時(shí)序圖
3.1.2 可編程控制器I/O端口分配
由于本設(shè)計(jì)所選用的PLC為輸入點(diǎn)：64，輸出點(diǎn)：64，晶體管輸出。而本設(shè)計(jì)中的輸入輸出點(diǎn)數(shù)共為52點(diǎn)，均在PLC的基本輸入輸出點(diǎn)數(shù)范圍之內(nèi)，所以無需進(jìn)行I/O擴(kuò)展，在設(shè)計(jì)時(shí)只需賦與其不同的端口地址即可。
1.外部輸入控制按鈕
本設(shè)計(jì)當(dāng)中的6個(gè)外部控制按鈕的具體I/O端口分配方式如表3.3所示。PLC上的外部輸入控制按鈕總共分為6個(gè)，分別是系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕、系統(tǒng)停止按鈕、南北無線手動(dòng)強(qiáng)通啟動(dòng)按鈕、南北無線手動(dòng)強(qiáng)通停止按鈕、東西手動(dòng)強(qiáng)通啟動(dòng)按鈕、東西手動(dòng)強(qiáng)通停止按鈕。各個(gè)按鈕均占用1個(gè)PLC輸入端口，當(dāng)PLC正常運(yùn)行時(shí)，各個(gè)輸入按鈕均獨(dú)立工作。
表3.3 外部輸入控制按鈕I/O端口分配
啟動(dòng)
停止
南北強(qiáng)通 啟動(dòng)
南北強(qiáng)通 停止
東西強(qiáng)通 啟動(dòng)
東西強(qiáng)通 停止
X000
X001
X002
X003
X004
X005
2.信號(hào)燈輸出
PLC系統(tǒng)的信號(hào)燈輸出量主要是由各個(gè)方向的紅、黃、綠燈所構(gòu)成的。對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，其中兩組車輛信號(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。另一方行車方向上信號(hào)燈的設(shè)置與該方向完全相同；對于東西方向，由于其行車與南北方向?qū)ΨQ，所以其信號(hào)燈的設(shè)置也與南北向相同。信號(hào)燈輸出的I/O端口分配方式如表3.4所示：
表3.4 信號(hào)燈輸出的I/O端口分配
南北直行綠燈
Y000
東西直行綠燈
Y010
南北直行黃燈
Y001
東西直行黃燈
Y011
南北直行紅燈
Y002
東西直行紅燈
Y012
南北左轉(zhuǎn)綠燈
Y003
東西左轉(zhuǎn)紅燈
Y013
南北左轉(zhuǎn)黃燈
Y004
東西左轉(zhuǎn)綠燈
Y014
南北左轉(zhuǎn)紅燈
Y005
東西左轉(zhuǎn)黃燈
Y015
南北人行綠燈
Y006
東西人行綠燈
Y016
南北人行紅燈
Y007
東西人行紅燈
Y017
3.數(shù)碼管輸出
本設(shè)計(jì)中四個(gè)方向數(shù)碼管共設(shè)置了四組，分別是南北方向和東西方向，每一方向各設(shè)兩組，且每一方向的兩組數(shù)碼管顯示示內(nèi)容完全相同，所以其對應(yīng)的輸入端共用一個(gè)輸入信號(hào)。對于某一組數(shù)碼管，又分為了個(gè)位數(shù)字顯示和十位顯示。
由于本設(shè)計(jì)中的顯示裝置為七段數(shù)碼管，每個(gè)數(shù)碼管有7個(gè)輸入端與PLC的輸出端口相連，所以本設(shè)計(jì)當(dāng)中的四組數(shù)碼管共占用28點(diǎn)輸出。數(shù)碼管輸出的I/O端口分配如表3.5所示：
表3.5 數(shù)碼管輸出的I/O端口分配
南北組數(shù)碼管個(gè)位
a
Y020
東西組數(shù)碼管個(gè)位
a
Y040
b
Y021
b
Y041
c
Y022
c
Y042
d
Y023
d
Y043
e
Y024
e
Y044
f
Y025
f
Y045
g
Y026
g
Y046
南北組數(shù)碼管十位
a
Y030
東西組數(shù)碼管十位
a
Y050
b
Y031
b
Y051
c
Y032
c
Y052
d
Y033
d
Y053
e
Y034
e
Y054
f
Y035
f
Y055
g
Y036
g
Y056
3.1.3 程序梯形圖
本設(shè)計(jì)的梯形圖設(shè)計(jì)力求簡單、高效，在完成設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，盡量簡化系統(tǒng)，充分利用系統(tǒng)資源。
1.南北方向
在南北直行方向，當(dāng)開始按鈕啟動(dòng)后，首先啟動(dòng)直行綠燈輸出，并設(shè)置定時(shí)器T0在35s后動(dòng)作，接通直行黃燈，斷開直行綠燈的通路，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T1。5s后T1動(dòng)作，接通直行紅燈，斷開直行黃燈通路，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T2。南北方向的程序梯形圖如圖3.6所示：
對于南北左轉(zhuǎn)方向，當(dāng)開始按鈕啟動(dòng)后，在直行黃燈啟動(dòng)5s后左轉(zhuǎn)綠燈啟動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T3。15s后啟動(dòng)左轉(zhuǎn)黃燈并斷開左轉(zhuǎn)綠燈通路，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T4。5s后斷開自身通路。對于左轉(zhuǎn)紅燈，本設(shè)計(jì)采用左轉(zhuǎn)紅燈通路上串入左轉(zhuǎn)綠燈和左轉(zhuǎn)黃燈的常閉開關(guān)控制的方法，既可以簡單地對左轉(zhuǎn)紅燈進(jìn)行控制，同時(shí)還保證了紅燈和綠燈不會(huì)同時(shí)亮，提高了系統(tǒng)安全性。
對于無線強(qiáng)通控制，當(dāng)強(qiáng)通開關(guān)X002按下后，通過X002的常開及常閉開關(guān)強(qiáng)行接通直行方向綠燈，同時(shí)強(qiáng)行斷開其它方向通路。
對于人行道信號(hào)燈，本設(shè)計(jì)采用直行及左轉(zhuǎn)紅、黃、綠燈的常開及常閉開關(guān)直接控制其紅燈和綠燈的通路，也大大簡化了系統(tǒng)，符合設(shè)計(jì)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性等要求。
圖3.6 南北方向程序梯形圖（a）
續(xù)圖（b）
(b)
續(xù)圖（c）
(c)
2.東西方向
東西方向的梯形圖構(gòu)成與南北方向相同，但啟動(dòng)次序不同，本文不加以詳細(xì)論述。具體梯形圖程序如圖3.7所示：
圖3.7 南北方向程序梯形圖(a)
續(xù)圖（b）
(b)
3.1.4 信號(hào)燈的PLC外部連線圖
信號(hào)燈的PLC外部連線較為簡便，信號(hào)燈輸出一端直接接PLC的輸出端，另一端在并上一個(gè)24V的直流電源后接入PLC的接地端COM1。信號(hào)燈的PLC外部連線圖如圖3.8所示：
圖3.8 信號(hào)燈的PLC外部連線圖
3.2 倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管的設(shè)計(jì)
在實(shí)際的交通控制中，僅有信號(hào)燈是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要系統(tǒng)將各個(gè)時(shí)序階段的具體運(yùn)行時(shí)間顯示出來。本節(jié)將就如何實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示及數(shù)碼管的外部接線作詳細(xì)介紹。3.2.1程序梯形圖
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，對于該組數(shù)碼管，又分別顯示直行、左轉(zhuǎn)時(shí)兩個(gè)燈切換之間的時(shí)間。
該段程序的設(shè)計(jì)，主要是通過D0-D4數(shù)據(jù)寄存器來實(shí)現(xiàn)。開始時(shí)，南北直行綠、南北直行黃、南北直行紅、東西直行綠、東西直行黃、東西直行紅分別在其電路接通時(shí)發(fā)送給顯示電路一個(gè)脈沖信號(hào)，同時(shí)中間繼電器M8013每隔1s發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)。當(dāng)顯示電路收到信號(hào)后首先將D0清零， 并且每秒加1，然后用要顯示的數(shù)依次減去D0中的數(shù)字并發(fā)送到寄存器D1；將D1中的數(shù)字分別取個(gè)位和十位發(fā)送到寄存器D2和D4，最后用SEGD命令將D2和D4中的數(shù)字顯示到數(shù)碼管上。
1.南北方向
該方向程序的梯形圖設(shè)計(jì)如圖3.9所示：
圖3.9 南北方向程序梯形圖(a)
續(xù)圖（b）
(b)
2.東西方向
該方向程序的梯形圖設(shè)計(jì)如圖3.10所示：
圖3.10 東西方向程序梯形圖(a)
續(xù)圖（b）
(b)
3.2.2 數(shù)碼管的PLC外部連線圖
對于數(shù)碼管的連線，南北向、東西向的兩組數(shù)碼管的各接頭依次接在PLC輸出端的Y020-Y056口上，另一端再并上一個(gè)24V的直流電源后接入PLC的接地端COM1，連線圖如圖3.11所示：
圖3.11 數(shù)碼管的PLC外部連線
3.3 本章小結(jié)
本章在就上一章課題提出以及信號(hào)燈控制的具體要求后對系統(tǒng)進(jìn)行了具體、全面地研究。本章研究了信號(hào)燈的具體配置、時(shí)序要求、端口分配、梯形圖程序的設(shè)計(jì)以及PLC外部連線；對于數(shù)碼管顯示，主要研究了數(shù)碼管的顯示原理、控制程序和外部連線等問題，己完成了交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大部分。對于系統(tǒng)的仿真，本設(shè)計(jì)選用三菱公司的GX.Developer程序開發(fā)工具進(jìn)行仿真模擬，具體程序見附錄4。
第4章 信號(hào)燈無線遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 信號(hào)燈無線遙控系統(tǒng)的原理
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展及人們生活的便捷性的要求不斷提高，遙控技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，并在近幾年得到了長足的進(jìn)步。目前市場上出現(xiàn)了越來越多的紅外線遙控家電設(shè)備及工控設(shè)備。這些都在逐漸地改變著人們的生活方式。紅外線遙控是目前為止使用最廣泛的一種通信和遙控手段。紅外線遙控裝置由于其具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)以及成本低等特點(diǎn)，從而廣泛地應(yīng)用在了彩電、攝相機(jī)、空調(diào)甚至于手機(jī)上。在工業(yè)控制中，在高壓、有毒氣體、高輻射以及粉塵等惡劣條件下，采用紅外線遙控不僅安全可靠還要能夠有效地隔離電氣干擾。
無線遙控方式可分為無線電波式、聲控式、超聲波式和紅外線式等等。由于無線電式遙控方式很容易對其它電視機(jī)和無線電通訊設(shè)備造成干擾，而且，系統(tǒng)本身的抗干擾性能也很差，誤動(dòng)作多，所以未能大量地使用。超聲波式頻帶較窄，且易受噪聲干擾，系統(tǒng)抗干擾能力差以及聲控式識(shí)別正確率比較低，制造難度大而也未能大量采用。紅外遙控方式是以紅外線作為載體來傳送控制信息，信號(hào)易獲得。同時(shí)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以及單片機(jī)的出現(xiàn)，催生了數(shù)字編碼方式的紅外遙控系統(tǒng)的快速發(fā)展。另外，紅外遙控還兼具很多的優(yōu)點(diǎn)，例如紅外線發(fā)射裝置采用紅外發(fā)光二極管，遙控發(fā)射器小型化且價(jià)格低廉；采用數(shù)字信號(hào)編碼和二次調(diào)制方式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多路信息的連續(xù)控制，增加遙控功能，很大程度上提高信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性，減少了很誤動(dòng)作，而且功率消耗低；而且，紅外線不會(huì)向室外泄露，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾；傳輸效率高、反應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠等。所以現(xiàn)在很多無線遙控方式都是采用的紅外遙控方式。
紅外遙控器由于其受遙控距離、角度等影響，使用效果不太好，若是采用調(diào)頻或調(diào)幅發(fā)射接收編碼，則可以大大提高遙控距離，并且沒有角度的影響。紅外遙控發(fā)射可以用在于室內(nèi)紅外遙控中，它不影響周邊環(huán)境而且不干擾其它電器設(shè)備。但是由于它無法穿透墻壁，所以不同房間的家用電器可使用通用遙控器而不會(huì)產(chǎn)生相互干擾;很重要的是電路調(diào)試簡單，只要按給定的電路連接無誤，一般不需任何調(diào)試即可正常地投入工作;編解碼容易，可進(jìn)行多路遙控?，F(xiàn)在紅外遙控在家用電器、室內(nèi)近距離遙控中得到了極為廣泛的應(yīng)用。另外模塊還可以用在其他紅外遙控系統(tǒng)中，應(yīng)用前景十分廣闊。
4.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
從光學(xué)的角度而言，紅外線是頻率低于紅色光的不可見光，紅外線的無線光譜的整個(gè)頻率中只占有很小一個(gè)頻率段，波長為0.75—100微秒之間。紅外光就其性質(zhì)而言很簡單，與普通光線的頻率特性并沒有多大的區(qū)別，但是由于任何有熱量的物體都會(huì)有能量產(chǎn)生，所以紅外的利用非常廣泛。當(dāng)今紅外技術(shù)的一個(gè)很重要的分支，便是紅外通信技術(shù)的應(yīng)用。該應(yīng)用的發(fā)展非常廣泛而迅速，尤其是紅外通信應(yīng)用于計(jì)算機(jī)設(shè)備中，近幾年的發(fā)展已經(jīng)表現(xiàn)出十分成熟的特點(diǎn)。而目前最常見的應(yīng)用形式就是各種各樣的遙控器。
單片機(jī)紅外遙控器主要由單片機(jī)、紅外遙控發(fā)射電路、紅外遙控接收電路、狀態(tài)指示電路、控制電路以及單片機(jī)的一些外圍電路組成。此外還有電源電路及其它一些外部電路構(gòu)成。
就其工作原理來說，當(dāng)有鍵按下時(shí)，系統(tǒng)延時(shí)一段時(shí)間防止干擾，然后啟動(dòng)振蕩器，鍵編碼器取得鍵碼后從ROM中取得相應(yīng)的指令代碼。遙控器一般采用電池供電，為了節(jié)省電量和提高抗干擾能力，指令代碼都是經(jīng)32～56kHz范圍內(nèi)的載波調(diào)制后輸出到放大電路，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管可以發(fā)射出940nm的紅外光。當(dāng)發(fā)送結(jié)束時(shí)振蕩器也隨之關(guān)閉，系統(tǒng)處于低功耗休眠狀態(tài)。
該紅外遙控發(fā)射器的設(shè)計(jì)目的就是根據(jù)按鍵的不同，發(fā)射出不同的紅外信號(hào)。本系統(tǒng)采用單片機(jī)制作，采用編程的方法，由于編程具有靈活性，故應(yīng)用范圍較廣泛，并且操作碼可以隨意設(shè)定。
4.1.2 系統(tǒng)的組成
無線遙控系統(tǒng)就其組成來說，主要分為發(fā)射電路、接收電路及外圍控制電路等部分。最后通過接收電路的輸出端與PLC輸入端相連以完成控制功能。以下是幾個(gè)主要的硬件組成部分：
1. 遙控器電源
對于遙控器電源，由于普通遙控器功率一般都在幾到幾十mw，所以僅用一塊電壓為5V的干電池即可實(shí)現(xiàn)對遙控器的供電。
2. 紅外線遙控發(fā)射器
紅外遙控發(fā)射器由鍵盤矩陣、遙控專用集成電路、驅(qū)動(dòng)電路和紅外發(fā)光二極管幾
個(gè)部分組成。
紅外發(fā)射遙控電路原理框圖4.1，紅外線遙控發(fā)射器的信號(hào)是由一串由數(shù)字0和1的二進(jìn)制代碼組成的，不同的芯片對0和1的編碼會(huì)有所不同，現(xiàn)有的紅外遙控包括兩種方式：脈沖位置調(diào)制（PPM）以及脈沖寬度調(diào)制（PWW）。這兩種形式編碼的代表分別是NEC和PHILIPS的RC.5。
+5V電源
單
片
機(jī)
行列式鍵盤
低功耗電路
紅外發(fā)射
電路
圖4.1 紅外發(fā)射遙控電路原理框圖
3.紅外線遙控接收器
紅外線遙控接收器是由放大器、限幅器、帶通濾波器、解調(diào)器、積分器、比較器等組成的，比如采用較早的紅外接收二極管加專用的紅外處理電路的方法。
在實(shí)際應(yīng)用中，以上所有的電路都集成在一個(gè)電路中，也就是我們常說的一體化紅外接收頭。一體化紅外接收頭按載波頻率的不同，型號(hào)也不一樣。由于與CPU的接口的問題，大部分接收電路都是反碼輸出，只有三個(gè)引腳，分別是+5V電源、地、信號(hào)輸出。
接收部分紅外發(fā)射遙控電路的原理框圖如圖4.2所示，當(dāng)紅外線發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)到達(dá)后，紅外接收電路負(fù)責(zé)對信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行相應(yīng)的譯碼，然后輸入接收端的單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算，最后由接收端單片機(jī)將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的高、低電平輸出至PLC的X002-X005輸入端，并由PLC控制生成相應(yīng)的信號(hào)燈控制信號(hào)以及數(shù)碼管顯示信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸入。該輸入方式可以保證信號(hào)準(zhǔn)確地被PLC讀取并高效地執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的工作效率。
+5V電源
單
片
機(jī)
紅外接收
電路
狀態(tài)指示
電路
控制電路
圖4.2 紅外接收遙控電路原理框圖
4.1.3 系統(tǒng)的工作方式
本設(shè)計(jì)主要是以AT89C2051單片機(jī)作為核心，綜合應(yīng)用了單片機(jī)的中斷系統(tǒng)、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等知識(shí)。在實(shí)際操作中，遙控操作的不同，遙控發(fā)射器通過對紅外光發(fā)射頻率的控制來區(qū)別不同的操作的。遙控接收器則是通過對紅外光接收頻率的識(shí)別，判斷出控制操作，進(jìn)而來完成整個(gè)紅外遙控的接收過程。
本設(shè)計(jì)中，在與PLC的通信當(dāng)中，通過數(shù)字接收端的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)PLC的數(shù)字開關(guān)量，從而達(dá)到東西南北向強(qiáng)通開關(guān)的啟動(dòng)及停止作用。
本系統(tǒng)根據(jù)按紅外發(fā)射頻率的不同，來識(shí)別不同的按鍵。操作鍵設(shè)定為2個(gè)，K0和K1，分別接至單片機(jī)的P1.0至P1.1口。對應(yīng)的紅外發(fā)射頻率分別為300Hz、600 H。發(fā)射時(shí)間確定為一個(gè)定值，由定時(shí)器1來定時(shí)，時(shí)間為100ms。當(dāng)100ms時(shí)間到了以后，定時(shí)器1發(fā)生中斷，停止計(jì)時(shí)，紅外光也即時(shí)停止發(fā)射。
由定時(shí)/計(jì)數(shù)器來控制發(fā)射頻率，T0作為定時(shí)器，當(dāng)T0的定時(shí)時(shí)間到了以后，中斷程序使P3.4斷口的電平反轉(zhuǎn)一次，然后T0重新設(shè)置為與工作定時(shí)值與前相同，等時(shí)間到中斷程序使P3.4端口再翻轉(zhuǎn)一次，如此往復(fù)，紅外信號(hào)就可以按照一定的時(shí)間間隔發(fā)射出去。該方法可以通過設(shè)定T0的定時(shí)時(shí)間來控制紅外信號(hào)的發(fā)射頻率。遙控器平時(shí)處于閑置狀態(tài)，當(dāng)有鍵按下時(shí)，由外部中斷1產(chǎn)生中斷，使CPU回到工作狀態(tài)，待執(zhí)行完操作后才又回到低功耗狀態(tài)。
4.1.4 器件選則
由于發(fā)射電路及接收電路的技術(shù)要求較低，控制方式簡單。綜合各方面因素，本設(shè)計(jì)采用了以AT89C2051型號(hào)單片機(jī)作為遙控器的發(fā)射接收核心部件。該種型號(hào)的單片機(jī)價(jià)格低廉，可靠性高，符合設(shè)計(jì)的可靠、經(jīng)濟(jì)的要求。
AT89C2051是一個(gè)低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)。片內(nèi)含有2KB可反復(fù)擦寫的只讀存儲(chǔ)器（EPROM）以及128B的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），單片機(jī)器件采用ATMEL的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS.51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)器，功能強(qiáng)大。
AT89C2051有20個(gè)雙向輸入/輸出（I/O）端口，其中P1是完整的8位雙向I/O口，2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)外中斷，兩個(gè)全雙向串行通信口，和一個(gè)模擬比較放大器。
此外，AT89C2051的時(shí)鐘頻率可為零，這就具備了可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，因而極大地減少了系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)的喚醒方式有RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和以及內(nèi)外部中斷口，系統(tǒng)喚醒后即可再次進(jìn)入工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi)RAM將被凍結(jié)，時(shí)鐘停止震蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件系統(tǒng)復(fù)位單片機(jī)方可繼續(xù)工作。采用該方式，可以大大地節(jié)約電能，并能延長遙控器的壽命，符合實(shí)用節(jié)約的設(shè)計(jì)理念。
4.2 發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.2.1 按鍵系統(tǒng)
本文采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)，該按鍵結(jié)構(gòu)是指直接用I/O線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，每個(gè)獨(dú)立式按鍵都獨(dú)立地占有一根I/O口線，從而每根I/O口線上的按鍵的工作狀態(tài)都不會(huì)影響其他I/O口線的工作狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但I(xiàn)/O口線浪費(fèi)較大。
而本設(shè)計(jì)之所以采用了獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)，是基于系統(tǒng)的按鍵的數(shù)目少（僅有啟動(dòng)和停止按鈕），以及系統(tǒng)對于按鍵并無特殊要求，PLC輸入端只需得到南北向和東西向2組遙控器的共4個(gè)輸入信號(hào)即可工作。這種工作方式除了有結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)外，還有受外界干擾小的優(yōu)點(diǎn)。
獨(dú)立式按鍵配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)，I/O口線可以保證有確定的高電平，其具體的電路結(jié)構(gòu)如圖4.3所示，其中S0為強(qiáng)通啟動(dòng)按鈕，S1為強(qiáng)通停止按鈕。當(dāng)某一按鈕被按下之后，該電路按通，松開后斷電。當(dāng)有急車通過時(shí)，按下S0，該方向的直行綠燈亮，同時(shí)另一方向及該方向左轉(zhuǎn)方向全部顯示為紅燈亮；當(dāng)急車通過之后，通過按下S1按鈕使電路復(fù)位并以正常循環(huán)方式工作，實(shí)現(xiàn)無線手動(dòng)強(qiáng)通控制的要求。
圖4.3 獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)
鍵盤掃描程序指的是單片機(jī)通過運(yùn)行掃描程序，判斷鍵盤是否有鍵按下。如果有鍵按下，則先判斷出是哪一個(gè)鍵。掃描的方法是判斷P1口各位的電平，在確定了按下的某一個(gè)鍵后，即執(zhí)行相應(yīng)的紅外發(fā)射程序。在無按鍵按下時(shí)，各位均為高電平，在某一個(gè)按鍵按下以后，該位即變?yōu)榈碗娖健?
通常，按鍵所用的開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，該開關(guān)利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合及斷兩個(gè)狀態(tài)。但由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用以及觸點(diǎn)本身帶有雜質(zhì)灰塵等，在一個(gè)按鍵開關(guān)在閉和時(shí)電信號(hào)并不會(huì)馬上穩(wěn)定接通，在斷開時(shí)也不會(huì)馬上斷開，而是在閉合和斷開的瞬間均伴隨著一連串的抖動(dòng)。
通常這種抖動(dòng)時(shí)間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5—10ms。按鍵電路的消抖措施通常有硬件和軟件兩種方式，硬件消除鍵盤抖動(dòng)措施主要就是指外加雙穩(wěn)態(tài)電路或者濾波電路的方法。軟件方法是通過編寫某些延時(shí)程序使得單片機(jī)可以收到有效信號(hào)。本電路采用的是軟件消抖的方法，就是調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，延時(shí)時(shí)間設(shè)定為6ms，延時(shí)子程序如下：
DL1： MOV R4，#0CH
DL2： MOV R5，#0FFH
DL3： DJNZ R5，DL3
DJNZ R4，DL2