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第1章绪论................................................................................................. 错误!未定义书签。
1.1研究背景........................................................................................ 错误!未定义书签。 1.2交通灯的国内外发展状况............................................................ 错误!未定义书签。 1.3本文研究的目的和意义................................................................ 错误!未定义书签。
1.4本文研究的主要内容.................................................................... 错误!未定义书签。第2章交通灯控制系统的硬件设计......................................................... 错误!未定义书签。 2.1交通灯控制系统的设计要求........................................................ 错误!未定义书签。
2.2 PLC选型........................................................................................ 错误!未定义书签。
2.3可编程控制器I/O端口分配......................................................... 错误!未定义书签。第3章交通灯控制系统的软件设计......................................................... 错误!未定义书签。
3.1时序波形图.................................................................................... 错误!未定义书签。
3.2控制系统的流程框图.................................................................... 错误!未定义书签。
3.3程序梯形图.................................................................................... 错误!未定义书签。第4章系统的软硬件调试......................................................................... 错误!未定义书签。
4.1系统硬件的调试............................................................................ 错误!未定义书签。
4.2系统软件的调试............................................................................ 错误!未定义书签。
4.3系统运行的调试............................................................................ 错误!未定义书签。总结............................................................................................................. 错误!未定义书签。致谢............................................................................................................. 错误!未定义书签。参考文献..................................................................................................... 错误!未定义书签。
第1章绪论
1.1研究背景
盲文图书19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们
压花模具受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。
从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。黄信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关
方面的肯定。于是红、黄、绿三信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界。
1.2交通灯的国内外发展状况
1、国内的研究现状
随着公路交通运输的发展，交通拥挤、道路阻塞和交通事故频繁发生等问题越来越严重地困扰着世界各大城市的发展。在我国，最近几年大城市机动车车辆每年都在大幅度增加，轿车、客车、面包车以及摩托车的增长速度也很快。相对于交通运输工具的飞速发展，我国交通配套设施建设明显滞后，道路安全网络、道路标识、交通指挥中心仍然不足。单独从车辆方面或道路方面考虑，均很难有效地解决交通问题。
为了解决这些问题，世界各国都在着力于发展智能交通系统（ITS）。然而，我国的ITS研究和实施起步较晚，90年代中期以来，在交通部的组织下，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始跟踪ITS技术，并取得很大的进步。我国政府在继续加快基础建设的同时，已提出将智能交通作为我国未来交通运输领域发展的重要方向和优先领域予以重点支持。1998年1月交通部批准成立了国家智能交通系统工程研究中心，依托单位为交通部公路科学研究所。在交通部的组织下，该中心承担了部分重点项目的研究“智能交通系统发展战略研究”。通过该项目的研究，提出我国智能交通系统发展的整体框架，为交通运输界提供指导性意见。在“十五”期间，由科学技术部牵头，国家智能交通系统工程技术研究中心承担、全国20余所高校和研究所参与的国家重大公共项目“ITS 体系框架”和“ITS标准体系及关键标准制定”已经通过国家鉴定。
2、国外的研究现状
灌肠袋在美国，美国是应用ITS较为成功的国家之一。1995年3月，美国交通部出版了“国家交通系统项目规划”，明确规定了智能交通灯的7大领域和29个用户服务功能，并确定了到2005年的年度开发计划。
在日本，日本早在1973年就开始了对智能交通系统的研究。1996年，“推进ITS 总体构想”推出来一个20年规划。日本走政府与明间企业相互合作的道路，如车辆信息通讯系统的运作方式极大地调动了企业的积极性，加速了日本ITS的开发与应用。
在欧洲，欧洲在ITS应用方面的进展介于日本和美国之间。在20世纪80年代中期，欧洲10多个国家投资巨额资金，旨在完善道路设施，提高服务水平。
1.3本文研究的目的和意义
和谐的城市交通具有很重要的现实意义。城市交通是城市经济生活的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志，对于城市经济的发展和人民生活水平的提高起着十分重要的作用。作为城市交通网的重要组成部分, 交叉口是道路通行能力的瓶颈和交通阻塞及事故的多发地。城市的交通拥堵，大部分是由于交叉口的通行能力不足或没有充分利用造成的，这导致车流中断、事故增多、延误严重。对交叉口实行科学的管理与控制是交通控制工程的重要研究课题，是保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行能力的重要措施，是解决城市交通问题的有效途径。
目前，我国城市的十字路口交通灯基本上都是固定配时的。红绿灯的工作时长是由交通部门根据统计人员的道路车流量统计数字确定的固定值，在车流高峰时段和低谷时段都没有区别。在车流量低峰期的晚间，我们经常看到车辆在十字路口停滞。稀少的车辆经常需要等待长时间的红灯，这给广大车主带来了无限的麻烦。同样，在白天的时候，有时车流也会很少，这就带来了同样的问题。除此之外，当有一些特殊的体和一些特殊的车辆，由于某种原因需要立刻通过红绿灯时，但这个方向却是红灯，并且此时车流 量比较大时，则无法闯红灯，这将是一个很大的潜在问题。因此我们有必要寻求一种具有智能的交通控制系统。这种智能交通灯控制系统能够依据道路的实时情况改变控制方式，减少十字路口的车辆滞留现象，缓解交通拥挤，实现十字路口交通的最优控制，从而提高交通控制系统的效率。
1.4本文研究的主要内容
本设计以PLC为核心，通过GX Developer软件进行编程；通过GX Simulator软件进行模拟仿真，以此来实现交通灯控制系统的模拟功能，从而达到有效的控制交通状况的目的。
在摘要部分，简明扼要的概述了本文的设计思想；
在第一章的绪论部分，叙述了交通灯的研究背景、交通灯的国内外发展状况、本文研究的目的和意义以及简述了本文研究的主要内容；
在第二章部分，叙述了交通灯控制系统的软件设计，其中包括交通灯控制系统的设计要求、十字路口交通示意图、PLC的选型、PLC的I/O分配表以及PLC的外部接线图等内容；
在第三章部分，叙述了交通灯控制系统的软件设计，其中包括时序波形图、流程框图及程序梯形图；
在第四章部分，简述了系统的软硬件调试及系统的运行调试。
在总结部分，对研究中遇到的问题、解决方法以及获得的心得都做了详细的总结。
第2章交通灯控制系统的硬件设计
2.1交通灯控制系统的设计要求
1、十字路口交通灯控制系统设计要求的描述
（1）按下SB1系统进入第一种工作模式，即首先是南、北红灯亮并维持30s，与此同时，东、西绿灯也亮，但只维持25s，25s时间到，东、西绿灯闪亮3s后熄灭，东、西黄灯再亮2s后熄灭，东、西红灯亮，与此同时，南、北红灯熄灭，南、北绿灯亮；然后东、西红灯亮并维持30s，南、北绿灯亮并维持25s，25s到时，南、北绿灯闪亮3s后熄灭，南、北黄灯再亮2s。2s时间到，南、北黄灯熄灭，南、北红灯亮，同时东、西红灯熄灭，东、西绿灯亮。以后开始下一周期的动作，周而复始地循环。 （2）按下SB2系统停止运行。
（3）按下X2系统进入第二种工作模式，即首先是南、北红灯亮并维持15s，与此同时，东、西绿灯也亮，但只维持10s，10s时间到，东、西绿灯闪亮3s后熄灭，东、西黄灯再亮2s后熄灭，东、西红灯亮，与此同时，南、北红灯熄灭，南、北绿灯亮；然后东、西红灯亮并维持15s，南、北绿灯亮并维持10s，10s到时，南、北绿灯闪亮3s后熄灭，南、北黄灯再亮2s。2s时间到，南、北黄灯熄灭，南、北红灯亮，同时东、西红灯熄灭，东、西绿灯亮。以后开始下一周期的动作，周而复始地循环。按下SB2系统回到初始状态。
（4）按下X3系统进入第三种工作模式，即交通灯所有红灯亮，10s后进入第一种工作模式。
（5）三种工作模式的切换。
首先，在大多数正常情况下，按下SB1，系统运行第一种工作模式；当白天车流量较小，或者车流量较小的晚间时，先按下SB2，结束工作模式一的运行，系统回到初始状态。然后再按下X2，系统运行第二种工作模式；在工作模式一或工作模式二运行之间，
若需要强行通车的时候，则均先按下SB2，让系统回到初始状态，再按下X3，系统运行第三种工作模式。工作模式三运行一个周期后，默认恢复到工作模式一，并且系统运行第一种工作模式。需要强调
的是，当系统运行第三种工作模式时，不可以按下按钮SB2，因为此时为强行通车状态，若按下按钮SB2，则表明工作模式三停止，那么还未通过路口的强行通车的车辆将处于危险状态。所以在由模式三恢复到模式一后，按下按钮SB2，系统停止运行，恢复到初始状态。
2、十字路口交通灯示意图
十字路口交通灯主要有12个交通灯，如图2-1所示，即南北方向各有一个红灯，一个黄灯，一个绿灯；东西方向各有一个红灯，一个黄灯，一个绿灯。共计12个。
交通灯通常指由红、黄、绿三种颜灯组成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时，准许车辆通行；黄灯亮时，车辆等待，但已经越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮禁止车辆通行。
图2-1 十字路口交通灯示意图
2.2PLC选型
1、PLC的主要性能指标
（1）输入/输出点数
PLC的外部输入、输出端子数。有开关量和模拟量两种，开关量用最大的I/O点数表示，模拟量用最大的I/O通道数表示。
（2）PLC内部继电器的种类和点数
即PLC内部的辅助继电器、特殊的辅助继电器、定时器、计数器和步状态继电器等。
（3）用户程序存储量
通常用k字（kW）、k字节（KB）、k位来表示。
（4）扫描时间
扫描时间是指PLC执行一次解读用户逻辑程序所需的时间，可用每执行1 000条指令所需时间来估算，通常为10ms左右，小型机可能大于20ms。
也有用ms/k为单位表示的，例如20ms/k字表示扫描1k字的用户程序需要的时间为20ms。
（5）编程语言及指令功能
PLC常用的语言有梯形图语言、助记符语言、流程图语言及某些高级语言等。
PLC的指令可分为基本指令和扩展指令，基本指令是各种类型的PLC都有的，其主要是逻辑指令，而不同厂家的不同型号的PLC其指令扩展的深度是不同的。
（6）工作环境
一般PLC的工作温度为0～55℃，最高为60℃，储藏温度为－20℃～＋85℃，相对湿度为5%～95%，空气条件是周围不能混有可燃性、易爆性和腐蚀性气体。
（7）可扩展性
小型PLC的基本单元（主机）多为开关量的I/O接口，各个生产厂家在PLC基本单元的基础上，发展了各种智能扩展模块，如模拟量处理、高速处理、温度控制、通信等。智能扩展模块的多少可以用于反映PLC产品功能的指标。
2、PLC选型tsf过载保护
本文采用三菱FX2N-32MR PLC进行控制设计。有16个输入点，16个输出点，继电器输出。
（1）PLC的产生和定义
1968年美国的汽车工业（通用汽车公司）首先提出了可编程控制器的概念，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC ，这时的可编程控制器只能用
于执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，所以称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logical Controller），简称PLC。
1987年2月，国际电工委员会（IEC）定义：“可编程控制器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，它采用可编程序的存储器存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入/输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统连成一个整体，并易于扩充其功能。
（2）PLC的功能及特点
①可靠性高、抗干扰能力强
抗干扰的措施：屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等，平均无故障时间达到30万小时以上。
②适应性强，应用灵活
网络电视直播系统系列化产品，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。
③编程方便，易于使用
④具有各种接口、连接方便，适应范围广
⑤功能完善
有模拟和数字量I/O接口、定时、计数、数据处理、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，可实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和生产过程控制。
（3）PLC的基本组成
可编程控制器主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出单元（I/O）、电源和编程器等组成。
（4）PLC的工作原理
①循环扫描工作方式
道口报警器
PLC在通电后，要执行用户程序及完成一些辅助的工作，PLC是分时操作工作的，采用循环扫描工作方式。
辅助工作有初始化和通信服务。初始化工作包括硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保持范围设定及其他初始化。
在开机时，CPU首先使输入暂存器清零，更新编程器的显示内容，更新时钟和特殊辅助继电器内容等。在通信服务阶段，PLC要完成数据的接收和发送任务、响应编程器的输入命令、更新显示内容等。
②PLC执行用户程序的工作过程
第一阶段：自诊断阶段。
第二阶段：输入信号处理阶段。
CPU对输入端进行扫描，将输入端子的信号送到输入暂存器存放。
第三阶段：程序处理阶段。
第四阶段：输出处理阶段。
CPU将输出信号通过输出锁存电路驱动PLC的外部负载，之后CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。
2.3可编程控制器I/O端口分配
1、I/O点数确定。
输入点数确定，一个启动按钮、一个停止按钮需两个输入点，一个模式二选择开关、一个模式三选择开关需两个输入点，共计4个输入点。其他输入点先预留，以便实现扩展功能。输出点数确定，因南、北方向及东、西方向交通灯可并联，所以12盏灯共用6个输出点，即南北红灯一个输出点，南北黄灯一个输出点，南北绿灯一个输出点，东西
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