郑州大学升达经贸管理学院学士学位论文

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1、郑州大学升达经贸管理学院学士学位论文十字路口交通灯控制电路（交通灯控制）Intersection traffic light control circuit (traffic light control)院系名称： 资讯管理系 班 级 ： 07级电信2班 学 号： 2007016457 姓 名： 方鸿斌 指导教师： 吕丽萍 完成日期： 二一一年四月 19 / 19摘要 随着城乡交通建设的发展，传统的十字路交通控制与管理手段已远远不能适应城乡交通现代化发展的速度。伴随着信息化技术的发展，十字路口交通灯控制系统是现代电子电路及集成芯片技术运用于城乡交通建设中有效且必然的产物，本文介绍了一种基于电子

2、电路及PLC技术集控制、与管理的城乡十字路口交通灯控制电路系统。 首先，介绍交通灯控制系统设计的简单流程及基本电路结构，属于从微观上分析；然后以定周期的信号机系统为例，介绍交通灯电路系统；最后简要介绍了应用plc实现多时段的交通灯控制系统，为十字路口交通灯控制电路设计提供了完整的方案，便于交通管理人员理解运用。关键词:十字路口交通灯，控制电路，PLC，计时器ABSTRACT With the development of urban transportation construction, the traditional crossroads of traffic control and ma

3、nagement tools have not adapt to the speed of modern development of urban and rural transport. With the development of information technology, traffic light control system is the crossroads of modern electronic circuits and integrated chip technology used in the construction of urban traffic and the

4、 inevitable product of an effective, this paper describes a technique based on set of electronic circuits and PLC control, and management urban and rural intersection traffic light control circuitry. First, the introduction of traffic light control system design process and basic circuit structure i

5、s simple, belonging to the micro analysis; then given cycle of signal system, for example, introduce traffic light circuit system; brief introduction to the application of the last multi-hour traffic plc light control system for the intersection traffic light control circuit designed to provide a co

6、mplete solution, easy to understand the use of traffic management. Keywords: intersection traffic lights, control circuit, PLC, timer 朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典详细内容1 课题背景及研究意义社会文明不断进步，城市建设飞速发展。交通灯已成为大中小城市不可或缺的便民设施。交通灯建设者们为了广大人民群众的生活方便，交通安全成年累月地付出艰辛的劳作，同时不断探索改进自己的工作条件，减轻文明社会带给自己的心理负担，提高社会效益和经济效益。1.1 城乡十

7、字路口交通控制和管理的现状目前，国内中小城市及乡村十字路口交通运行方式有定时段交警指挥、转盘转向、无人管理等。他们共同的缺点是 （1）浪费人力，一旦出现拥挤必须要交警出面指挥控制。（2）交通易出现拥挤，不利快速发展经济，方便人民生活（3）路灯系统过于简单易出现故障，无人修理。（4）交通工作被动且工作量大，人力成本高，效率很低，市民的满意度不高。根据以上对目前国内城乡交通系统实际现状的分析，可以发现，现存问题很多。就城乡交通系统的功能实现而言，虽然大部分县级城市有交通路灯。但是，还是有的城市十字路口交通灯安装不合理，乡街道十字路更是欠缺交通路灯系统管理不难发现，上述问题存在一些共同点（即造成上述

8、问题的共同因素），主要是缺少运用电子电路管理控制十字路口交通，单个交通灯之间没有信息通道，不能及时反映交通的状态，以及系统的稳定性问题。要解决这些问题，不仅需要交通管理等技术的应用，更需要新的电力电子技术和信息技术的应用。1.2 城乡十字路口交通灯控制系统的必要性城乡十字路口交通灯系统是城市建设中不可缺少的功用设施，设计自动化程度高、运行可靠、高效节电、使用维护方便的监控管理交通系统，是城乡十字路口交通控制与管理现代化的必然要求。无交通灯的十字路口难以管理控制，而且很可能会由于人为或其他因素造成主要路段十字路口交通拥挤，造成不良影响，给人民的生活带来不便。运用现代电子信息技术，保证交通路灯处于

9、良性状态，方便人民生活，减少交通事故，遏制夜间作案，改善投资环境，促进经济腾飞，提高城乡道路交通的现代化控制和管理水平，社会效益也非同一般。即使是在全无人过问的情况下，系统也将严谨有序的工作。在各种管理自动化的大潮下，加上我国各个城乡的大规模建设，交通灯控制系统必然有着广阔的市场空间！1.3 本课题的目的和意义现代城乡飞速发展对城乡道路交通和管理提出了更高的要求，城乡交通灯不仅要确保准确稳定，保障城乡人民正常的生产和生活，而且要通化、美化城市。同时，随着城乡道路设施投资的不断加速，十字路口的数量也在逐年增加，管理和规划的工作量也随之加大。在这一新形势下，实施新的十字路口交通灯控制系统，对提高城

10、乡十字路口交通现代化控制和管理水平，显然十分必要。根据城乡十字路口交通事业管理的现状，本课题研究的是由振荡电路、计数器和译码显示电路、主控制电路和信号灯译码驱动城乡十字路口交通灯控制系统，定周期的信号机系统以及基于PLC的多时段十字路口交通灯控制系统等。进行本课题研究的目的和意义在于以下几个方面：（1）对城乡十字路口交通管理者和使用者来说，本系统给他们带来了极大的方便，他们只需在管理中心的微机上进行简单操作就可以对线路上的任意城乡十字路口交通灯节点进行控制以及所有城乡十字路口交通灯的状态和相关信息的控制，使用少量人力进行维修。（2）对于政府管理部门来说，也是一件一劳永逸的事情。只要进行一次投入

11、，安装了必要的城乡十字路口交通灯设备和本控制系统，在以后的运行当中就不需要再投入较大的人力和物力，因为本系统具有自动检测和报警功能，并且可以落实到具体的一个城乡十字路口交通灯，可以省去了大量的人力。（3）对于城乡十字路口交通来说，提高城乡的形象和人民的满意度将有十分积极的作用。提高市政硬件水平，与现代科技接轨，增强城乡十字路口交通可靠性和可控性。（4）及时发现线路故障和单个城乡十字路口交通灯故障，提高城乡十字路口交通灯系统工作质量。减轻工人线路巡检工作量，提高工作效率。天气变化或有特殊事件，城乡十字路口交通灯可快速投入，方便人民生活，消除不良影响。 2. 交通灯控制系统设计在城镇街道的十字路口

12、中,为保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯。图1是一个典型的十字路口的平面位置示意图:有主干道和支干道两条道路,每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯。主干道与支干道上的车辆交替运行,主干道上的车辆比较多,因此主干道的车辆通行时间长,支干道上的车辆少,因此支干道的车辆通行时间短。主干道通行时,主干道绿灯亮,支干道红灯亮,时间为60 s;支干道通行时,主干道绿灯亮,主干道红灯亮,时间为30 s。每次绿灯变红时,黄灯先闪烁3 s(频率为5 Hz)。此时另一路口的红灯不变。基于以上规则设计的交通控制器控制十字路口两组红、黄、绿交通信号灯的状态转换,可以方便地实现指挥各

13、种车辆和行人通行实现十字路口交通管理的自动化。 图1十字路口的平面位置示意图2.1交通控制器电路设计交通控制器电路按功能分成3个单元电路:振荡电路、计数器和译码显示电路、主控制电路和信号灯译码驱动。2.1.1振荡电路振荡电路输出频率分别为1 Hz和5 Hz、幅度为5 V的时钟脉冲。为提高精度,本设计系统利用555定时器设计一个输出频率为100 Hz的多谐振荡器,再通过100分频(100进制计数器)而得到1 Hz的时钟脉冲,通过20分频得到5 Hz的时钟脉冲。a.555定时器构成的100 Hz多谐振荡器555定时器是一种多用途的模拟、数字混合集成电路,在波形的产生与变换、控制与检测、家用电器以及

14、电子玩具等领域等许多领域中得到了应用。555定时器功能多样,应用广泛,只要外部配上几个阻容元器件即可构成单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器等电路。由555定时器构成的100 Hz多谐振荡器电路原理图如图2所示。电路由一个555芯片、两个电阻和两个电容组成,通过电阻给电容C充电、放电的过程来产生振荡,从而输出矩形脉冲。 图2555构成的100 Hz多谐振荡器原理图b.74LS192构成的100分频和20分频的分频器计数器是一个用以实现计数功能的时序部件,它不仅可用来计脉冲数,而且常用作数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能,在电路设计中应用相当广泛。74LS192是同步十进

15、制可逆计数器,它具有双时钟十进制可逆计数器、异步并行置数功能、保持功能以及清零功能。CLR是清零端,LOAD是置数控制端。用2片74LS192可以构成二级十分频器,将100 Hz矩形波100分频得到1 Hz的时钟脉冲、通过20分频得到5 Hz的时钟脉冲。100分频和20分频电路如图3所示。右边1片74LS192的输出端QA端是经过20分频得到的5 Hz的时钟脉冲,而输出端QD端是经过100分频后得到的1 Hz的时钟脉冲图374 LS192构成的100分频和20分频电路图2.1.274LS192构成的计数器和译码显示电路计数器电路具有60 s倒计时(计数范围为601的减数计数器)、30 s倒计时

16、(计数范围为301的减数计数器)以及3 s计时功能。此三种计数的实现主要是由2片十进制计数器74LS192芯片组成,然后通过主控制电路实现转换,最终各个方向的倒计时共用一套译码显示数码管显示出来。74LS192构成的计数器电路图如图4所示:左边的1片74LS192芯片为计数器的个位,右边的1片74LS192芯片为计数器的十位,个位和十位计数器的四个输出端都接上数码管显示。其中作为个位数的74LS192芯片的CLK接的是1 Hz时钟脉冲。图474LS192构成的计数器电路2.1.3主控制电路和信号灯译码驱动主控制电路和信号灯译码驱动用各种门电路和T触发器组成,能实现计时电路的转换、各方向信号灯的

17、控制。主控制电路和信号灯译码驱动电路如图5所示。图5中的红灯1,黄灯1,绿灯1是主干道的三个交通信号灯,红灯2,黄灯2,绿灯2则是支干道的三个交通信号灯。图4中的两片74LS192的8个输出端用或门连起来,接到LD置数端,决定倒计时器是置数还是计数。工作开始时,LD为0,计数器预置数,此时T触发器的初始状态Q=0,因此预置数为30 s。置数完后,LD变为1,计数器开始从30 s倒计时, T触发器状态发生翻转Q=1,主干道的红灯1及支干道的绿灯2亮。当计数器计数到“03”秒时,由于图4中的十位计数器的QD2,QC2,QB2,QA2与个位计数器的QD1,QC1用一个或非门连起来,使信号灯发生转换,

18、绿灯2灭,黄灯2在这3 s内以5 Hz的频率闪烁,红灯1不变。当倒计时减到数“00”时,LD又变为0,计数器又预置60 s,之后又倒计时,如此循环下去。图5主控制电路3. 定周期的信号机系统要求定周期的信号机交通灯控制系统主要由时间发生器电路、黄灯驱动电路、红绿灯驱动电路、光电检测电路、控制电路等几个部分组成。其系统原理图如图6所示。图6 交通灯系统原理图3.1时间发生器电路时间发生器电路由一片74191、时钟脉冲产生电路和几个门电路构成,其中时钟脉冲产生电路如图7所示。图7 0.25Hz矩形波发生器时钟脉冲产生电路用一片555定时器来构成多谐振荡器,设计脉冲周期为4s,其计算公式为: T1=

19、(2R2+R1) Cln2=0.75.7M1F,以此信号作为74191的CP。74191的四个状态输出端QAQBQCQD可用四个门电路进行译码。当QAQBQCQD=0000时,电路输出低电平信号给D触发器和控制电路的I0输入端;而当QAQBQCQD=1000时,电路输出高电平信号给黄灯驱动电路。74191接成减计数工作状态,LD信号由控制电路的O1提供,应将置数输入端A、C接高电平Vcc,B、D端接D触发器的输出端,还可根据D触发器的不同输出状态置入数5和数15。3.2控制电路控制电路主要由单稳态触发器、RC电路和反相器构成,电路如图8所示。该电路有两个输入端和三个输出端。当QAQBQCQD=

20、0000时,输入端I0为低电平,此时信号将直接经O1输出给LD以进行异步置数,因此74191的0000状态持续时间很短暂。输入端I1由光电检测电路的输出信号提供,当有车辆时,输出低电平;无车辆时输出高电平。输出信号O1= I1,而输出信号O2则由I1经反相器、RC电路和一单稳态电路得来。O1的作用是当乡间道无车辆时,保持主干道绿灯亮,乡间道红灯亮。当主干道绿灯变亮并检测到乡间道有车辆(即I1=0)时,O2触发单稳态电路并维持主干道绿灯亮66s,即T2=RCln3=1.16M10f=66(s)。3.3光电检测电路光电检测电路由光源和光电三极管构成,该电路可根据需要选择现成产品,如CP850系列的

21、CP851,该器件的光电传感器传输距离可达15m。3.4交通灯控制及驱动电路交通灯控制电路由一个D触发器、一个三输入或门和两个反相器组成,其电路如图8所示。图8 交通灯控制系统逻辑图D触发器的作用是在乡间道非常繁忙时,对红绿灯的转换进行控制。三输入端或门的作用是当乡间道无车辆和主干道绿灯刚亮而乡间道就有车通过时维持主干道绿灯亮时间大于60s。由于红绿灯的功率较大(十几瓦),一般集成门电路无法驱动,因此需要设计一个特定的驱动电路,该电路可用功率管和高驱动能力的电源构成,具体电路如图9所示。功率管及电源大小可根据交通灯的功率进行计算。电路仿真时,可用一小灯泡直接接在门电路的后面。图9 交通灯驱动电

22、路4. EDA软件仿真实现将上述各单元电路组合起来,可以得到交通控制灯的整体电路,点击Multisim 10软件的“Simulate/Run”按钮或直接按“F5”键,便可以进行交通灯控制电路的仿真。电路的倒计时显示首先为30 s,支干道的绿灯2亮,支干道的车辆可自由通行;主干道的红灯1亮,主干道的车辆禁止通行。时间显示器从预置的30 s,以每秒减1,减到数3时,支干道的绿灯2转换为黄灯2,而且黄灯以0.2 s(5 Hz的频率)闪一次,其他灯不变。减到数1时,1 s后显示器又转换成预置的60 s,支干道的黄灯2转换为红灯2,支干道的车辆禁止通行,主干道的红灯1转换为绿灯1,主干道的车辆可自由通行

23、,如此循环下去。随着计算机与微电子技术的发展,电子设计自动化EDA领域已成为电子技术发展的主体。EDA(Electronic Design Automation电子设计自动化技术)是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统,它在教学、科研、产品设计与制造等方面发挥着巨大的作用。5 .应用plc实现多时段的交通灯控制系统如果你感觉设计电路对于城乡交通管理人员不以应付十字路口多时段的交通，还可以通过PLC来完成，下面介绍一下应用plc实现多时段的交通灯控制系统。交通灯的整个控制过程根据流量统计，分三个时段进行：高峰时段、正常时段、晚上时段。各个时段具体的时间分配为：正常时段（6：307；00

24、；8：1516：30；18：3021：30）；高峰时段（7：008：15；16：3018：30）；晚间时段（21：306：30）。高峰时段和正常时段的控制要求如时序图1、2所示。红绿灯也可以有相应的时间显示（倒计时）用七段码输出，在此不再赘述。5.1硬件系统设计根据控制功能要求，确定输出输入点如表1。选用三菱FX2N-32MR-001，共有16输入点，16继电器输出点，而且具有时钟功能和小时表功能，时间设置和比较指令易于操作。设计I/O分配图如图10。图10 I/O分配图说明：I/O分配图中的输出各方向只有一盏灯，实际安装时如需多个则要将单个改为多个并联在输出点输出。5.2软件系统设计5.2.

25、1多时段控制分析根据实时时间（要求plc自带时钟）控制状态不同，在固定的时间点变换控制状态，时段状态转换前，东西、南北黄灯按亮0.5s，暗0.5s的方式闪亮10s。黄灯闪亮期间其他交通灯按原来的状态工作。当到达状态转换时间点时所有信号灯按照新时段状态要求控制。5.2.2具体时段控制分析系统启动后，能自动连续运行。系统进入高峰时段时，按图2所示的规律运行。绿灯、左转弯绿灯、黄灯的闪亮规律为：亮0.5秒，暗0.5秒，反复循环。系统进入正常时段时，按图3所示的规律运行，绿灯、左转弯绿灯、黄灯的闪亮规律为：亮0.5秒，暗0.5秒，反复循环。晚上时段按警告方式运行，规律为：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮

26、，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮规律为：亮0.5秒，暗0.5秒，反复循环。由时序图图11和图12分析可知，高峰时段和正常时段仅仅存在两个时间段长短不同，可以使用寄存器对计时器的参数进行更改，从而实现更改寄存器内容即可实现工作状态的转换，这样可以节省程序步数，缩短扫描周期，提高运行精度。5.2.3程序实现（1）程序第一部分为判断当前属于哪个时段（正常时段、高峰时段或晚间时段）。时段判断主要在系统出故障或者停止使用后，在任何时候再次启用都可以保证在对应时段进行工作。时段判断主要用TCMP时间比较指令和AND比较触点指令，实时时钟的时分秒和时间段的分割点进行比较，并且在时段切换前10s开始黄灯闪。判断时段

27、后即可用跳转指令CJ跳转至具体时段按照顺序执行信号灯的变换。在7:00这个时段切换点的程序梯形图如图13所示。图11正常时段时序图 图12高峰时段时序图图13时段判断示例程序段（2）程序第二部分为晚间时段和高峰（正常）时段的时序控制程序。正常时段或高峰时段按照时序图图11和图12的时间要求让信号灯变换，为减少程序步数和处理时间，正常时段和高峰时段的红绿信号灯亮灯时间长短不同的时段，用改变寄存器D7D8内的数值来改变。如图14所示。图14寄存器赋值程序段（3）程序的扩展。在十字路口，经常可见一些紧急情况，如救护车或其他载有危重病人的车辆，这时候时间就是生命，但前面的车队长长，如果用本系统中的紧急

28、改变信号灯的按钮可用跳转指令直接跳转到对应的绿灯输出语句，然后从这一步开始顺序执行；或者有时会出现某个绿灯空闪没有车开过，下一信号灯红灯却有车龙，此时，也可采用强制按钮改变信号灯，改变多等少的状况。这种思路在控制系统的实施上很简单，只需在按钮按下后，输出跳转指令跳转到需要的命令行即可。相较于各种智能控制系统用传感器来计数停在红灯前的车辆，这种人为控制的方式更可靠。5.2.4程序调试GX simulator仿真软件不能单独使用，需和GX developer编程软件联合使用。程序输入完成后，即可变换，点击“梯形图逻辑测试启动/结束”按钮，在程序界面左上方出现逻辑测试工具，点击“菜单启动“下拉菜单，

29、点击”继电器内存监视”，就出现监视窗口，选择“软元件Y”，就出现输出继电器Y的输出窗口（图15）。此时可以对各输入进行设定（可在I/O系统设定窗口设定，也可用软元件测试命令进行）后，电脑即可模拟PLC进行程序运行，在输出继电器Y的输出窗口或时序图观察输出结果。也可以在选择软元件时选择其它软元件（X、M、T等等），观察其开关情况。由运行结果来看，本程序能实现所要求的控制功能。图15继电器Y输出监视6 结束语到此为止，我的交通灯控制系统的设计已经完成了。在这几个月的时间里，先后完成了资料的收集、设计方案的拟订、画图等多方面的工作。深深体会到了设计的复杂和艰辛，每当完成一部分设计、画出一个图形，都使

30、我受益匪浅。我主要做的工作是：首先叙述了城乡十字路口交通管理系统的现状，以及它的优缺点。接着介绍了自己的设计方案，主要是对其个部分的硬件电路进行设计，尤其是震荡电路、主控电路、应用PLC等电子器件设计。还有其他部分的电路设计等进行了详细的介绍。毕业设计全面培养了我各方面的能力，熟悉的运用Word、同时了解了一门新技术EDA，更加巩固了专业知识，交通灯控制系统PLC的设计使我对PLC技术有了深刻的认识。通过亲自设计，解决了以前学习中不了解的知识，同时也掌握了一定的设计技巧和方法，为今后的工作和学习打下了基础。设计中也遇到了不少问题，例如交通灯控制系统模块设计中所需要的EDA的硬件描述语言，PLC

31、应用都不太了解，交通灯亮灯规则以前也从为接触过，对于GX developer编程软件，这种软件从未学过，所有这些不足使得在设计过程中难免出现错误，又缺乏实践经验，在参考资料和老师的指点下才得以完成。 由于水平有限，我的设计还存在许多不足之处，有许多地方需要完善，还望各位老师多加批评指点。参考文献1陈德望,李灵犀,刘小明,等.城市高速道路交通控制方法研究的回顾与展望J.信息与控制,2002,31(4):341.2何香玲.多谐振荡器的研究与仿真J.电子技术,2009(2):53-56.3李定华.555定时器及其应用J.中小企业管理与科技,2008(35):230-231.4滕政胜,黄铭.555定时

32、器的典型应用及OrCAD/PSpice仿真J.现代电子技术,2009,32(7):181-184.5李晓东,蓝蔚.浅谈PLC在交通灯控制系统的实现J.科技信息,2008,(21):310-311.6郭循钊,邝帆,邵平等.基于单片机的多功能交通灯控制系统设计与仿真实现J.公路交通技术,2010（,1）:128-131.7经张俊,程向红.基于PLC的交通灯实时控制研究J.工业控制计算机,2008,21(12):90-91.8钟肇新,彭侃.可编程控制器原理及应用M.华南理工大学出版社,19999王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京航空航天大学出版,2008,2(2).10周波,胡修玉.可编程

33、序控制器原理与应用M.北京:国防工业出版社,2008(2).11周明侦，张少明.基于plc控制的交通灯系统设计J.广东交通职业技术学院学报,2005（,2）:61-63.12GX Developer Ver.7/Simulator Ver.6操作手册.MIT SU BISH I.致谢本设计是在吕丽萍老师的指导下完成的。吕丽萍老师平易近人，工作严谨，她的敬业精神和认真的工作态度让我由衷的敬佩。老师给了我多方面的指导和督促，在设计过程中吕老师态度认真，工作负责，对我的设计提出了宝贵的意见，能够及时解决我们设计中遇到的难题，对我的设计提供了很大的帮助。在论文完成之际，我向吕老师表示我的感谢和敬意。最后感谢所有关心，支持和帮助我的老师、同学、朋友!