3382 十字路口交通信號燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計,十字路口,交通,信號燈,plc,控制系統(tǒng),設(shè)計 1十字路口交通信號燈 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計第 1 章 緒 論1.1 引言可編程控制器（programmable controller）屬于微型計算機的一種，并且最早為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造。由于其在最初功能上只可實現(xiàn)定時、計數(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，是一種專門用于工業(yè)環(huán)境及過程控制的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)并且主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。PLC 以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(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)遠遠超過了早期的 PLC。交通問題是現(xiàn)代社會發(fā)展的一個重要表現(xiàn)，同時也是社會發(fā)展的重要依托。交通運輸是城市功能活動的命脈，它直接影響社會經(jīng)濟與生活的各個方面。無論是在古代還是現(xiàn)代，交通運輸都具有十分重要的經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義。在現(xiàn)代經(jīng)濟高速發(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。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燈聯(lián)系起來，初步解決了交通擁堵問題。系統(tǒng)地設(shè)計了基于PLC的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)，對包括具體信號燈配置、硬件與軟件的設(shè)計在內(nèi)的控制環(huán)節(jié)進行了深刻研究，并且探索了手持式無線遙控裝置對于信號燈的控制。1.2 課題的背景隨著社會的發(fā)展和進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重與否還是或多或少地反映出所在城市的經(jīng)濟發(fā)達程度和所處的發(fā)展階段。大多數(shù)人選擇汽車的初始動機主要是為了出行快捷和節(jié)省時間，然2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)，機動車和非機動車數(shù)量訊速增長，嚴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，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、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和熱點。隨著城鎮(zhèn)人口不斷增長，機動車、非機動車擁有量還會逐年遞增，城市安全設(shè)施建設(shè)的滯后性凸顯，交通違法事故、治安事件時有發(fā)生，城市安全防控已成為了整個社會所關(guān)注的焦點。從相關(guān)部門的事后查處的結(jié)果來看，造成這些現(xiàn)象其中的一個重要原因就是機動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。面對日益嚴重的交通擁堵問題，想要僅僅依靠行政措施是遠遠不夠的。解決交通問題還應(yīng)該利用科技力量對城市交通進行有效的管理，如何對異常的交通擁堵等交通事件進行有效的監(jiān)督管理，是城市實現(xiàn)智能交通時需要考慮的重點之一。利用交通燈對車流進行管理，無疑是最為便捷且最為行之有效的方法。眼下一個極為迫切的問題就是如何優(yōu)化目前的交通信號燈系統(tǒng)。1.3 課題研究的目的意義交通運輸是城市功能活動的命脈，它直接影響社會經(jīng)濟與生活的各個方面。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，同時也給人們的生活帶來了巨大的困擾。在我國這個情況尤為突出。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來實現(xiàn)，雖然簡單可控成本低，但同時也存在著功能少，可靠性較差，維護量很大等缺點。目前我國的交通信號燈主要靠單片機甚至是更初級的控制方式。該控制方式雖然簡單易行，但由于單片機工作穩(wěn)定性差、易受外界干擾、可實現(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3解決方案，這就為PLC 的研發(fā)應(yīng)用提供了廣闊的空間。PLC控制的信號燈的出現(xiàn)使得該問題迎刃而解。和單片機控制的十字路口信號燈相比，用PLC進行控制主要是考慮PLC具有很強的環(huán)境適應(yīng)性，同時其內(nèi)部定時器資源非常豐富，可對交通燈進行精確控制。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(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)控制自動化裝置。可靠性高，功能完善，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，是一種專門用于工業(yè)環(huán)境及過程控制的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。PLC對交通信號燈的控制，主要是考慮其具有對使用環(huán)境適應(yīng)性強的特性，同時其內(nèi)部定時器資源豐富，可實現(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)部均配有實時時鐘，因此通過PLC控制可對交通燈實施全天候無人化管理。另外因為PLC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)進行的統(tǒng)一調(diào)度管理，這樣就可以縮短車輛等候時間，進而實現(xiàn)科學(xué)化管理。該課題的提出和研究有利于填補國內(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。也正是因為如此，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)狀在交通信號燈的控制方面，國外尤其是歐美等發(fā)達國家，PLC 控制的交通信號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，平時并不需要人工維護，這在人力資源奇缺的西方發(fā)達國家來說，是節(jié)約勞動力的最好方式。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)計先進，結(jié)構(gòu)緊湊，價格便宜，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 PLC 生產(chǎn)公司也因此大獲其利。就這一角度來說，以 PLC 控制的信號燈將極具競爭力。4PLC 的初期由于其價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，也能夠解決復(fù)雜的計算以及通信問題。PLC 的應(yīng)用范圍通?？煞殖?5種類型，它們分別是：順序控制、運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理和通信網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，國外的 PLC 己經(jīng)成為大多數(shù)自動化系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)，由于綜合了計算機和自動化技術(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步，但我國工業(yè)企業(yè)的自動化程度還普遍較低，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行控制。PLC在我國的應(yīng)用潛力遠遠沒有得到充分發(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)普遍采用了先進的自動化系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行控制，但絕大部分的小型企業(yè)還尚未應(yīng)用自動化系統(tǒng)和產(chǎn)品對生產(chǎn)過程進行控制。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，改善我國獨有的交通問題，所以對交通信號控制方法的研究具有重大意義。當前我國的十字路口信號燈還主要靠單片機控制，該控制方式雖然簡單易行，但由于單片機工作穩(wěn)定性差、易受外界干擾、可實現(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燈正是為了解決上述問題運應(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“用信息化帶動工業(yè)化”的發(fā)展計劃，大量傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動化改造將為PLC控制。我國的工業(yè)發(fā)展及自動化應(yīng)用水平與工業(yè)發(fā)達國家相比有幾十年的滯后，按目前的經(jīng)濟形勢分析，我國將迎來一個PLC市場高速增長的時期。1.4.3 未來發(fā)展趨勢5和單片機控制的十字路口信號燈相比，用PLC進行控制主要是考慮PLC具有很強的環(huán)境適應(yīng)性，同時其內(nèi)部定時器資源非常豐富，可對交通燈進行精確控制。由于PLC內(nèi)部均配有實時時鐘，因此通過PLC 控制可對交通燈實施全天候無人化管理。另外因為PLC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)進行的統(tǒng)一調(diào)度管理，這樣就可以縮短車輛等候時間，進而實現(xiàn)科學(xué)化管理。正是由于PLC較之單片機及其它控制的種種優(yōu)點，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 控制與智能化計算機結(jié)合，利用模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的技術(shù)進行十字路口交通信號燈控制能夠取得比定時控制更為有效的結(jié)果。這是今后的交通信號燈的主要研究方向。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燈的控制將很有可能成為今后交通信號燈控制研究的重點，所以對其進行一次系統(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)計主要研究了基于 PLC 的十字路口交通信號燈控制。十字路口信號燈系統(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、綠燈和四個數(shù)碼管倒計時顯示裝置以及手持式無線控制器。1.信號燈的設(shè)計PLC 系統(tǒng)的信號燈的設(shè)計主要是各個方向的紅、黃、綠燈信號。對于南北方向上某一行車方向的信號燈輸出，本設(shè)計共設(shè)置了三組信號燈，其中兩組車信號燈，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，該組信號燈的3個燈以綠燈（35s） 黃燈(5s ) 紅燈（80s ）依次循環(huán)。（2）左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號燈的3個燈以紅燈（35s） 綠燈（15s ） 黃燈(5s ) 紅燈（60s）依次循環(huán)。6（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。東西方向信號燈與南北向配置相同，但亮、滅狀態(tài)相反。即在某一方向為綠燈時，另一方向為紅燈或黃燈。2.倒計時數(shù)碼顯示的設(shè)計數(shù)碼顯示主要是為了顯示各個信號燈的倒計時時間，由于系統(tǒng)對于信號燈倒計時的顯示并無特殊要求，故本設(shè)計采用了七段數(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)計中四個方向數(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)的輸入端共用一個輸入信號。對于某一組數(shù)碼管，又分為了個位數(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)燈當中的綠、黃燈倒計時時間以及處于綠、黃燈間隔中的紅燈的倒計時時間。3.手動無線強通的設(shè)計對于手動無線強通的設(shè)計，本文主要是通過AT89SC052單片機來實現(xiàn)的。本設(shè)計在南北方向和東西方向車道上各配置了一個點動按鍵式紅外遙控器，通過單片機的發(fā)射發(fā)出紅外信號并通過接收端接收后譯碼，并將信號送至PLC輸入端，從而起到開關(guān)的作用。對于無急車時，按照正常循環(huán)時序控制。當有急車來時，打開急車強通開關(guān)，不管原先信號狀態(tài)如何，一律強制讓急車來車方向的綠燈亮，直到急車通過為止。當斷開強通開關(guān)時，PLC 即復(fù)位，以正常時序時進行控制。急車強通控制只能響應(yīng)一條路上來的控制信號，基兩條交叉路均有信號到來，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，由CPU轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制方法進而對控制電路實施控制。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)計的特點是對于緊急通過的車輛，可以進行人性化管理，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)揮信號燈應(yīng)有的作用。本設(shè)計的研究技術(shù)路線如圖1.1所示：7研究了解信號燈的工作原理和動作規(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)路線實現(xiàn) PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求并設(shè)計出PLC 的控制程序依照自己的設(shè)計做出總體布局設(shè)計完成 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖繪制編寫畢業(yè)論文圖 1.1 設(shè)計技術(shù)路線第 2 章 控制系統(tǒng)總體方案與技術(shù)要求82.1 系統(tǒng)的基本要求2.1.1 信號燈的基本構(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、綠燈和四個計數(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，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9東西主干道的交通燈也是6個，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，分別是紅燈和綠燈。4. 計時器分為南北向和東西向計時器，分別顯示南北和東西方向的倒計時時間。5. 無線控制器可以實現(xiàn)人工對某一方向信號燈的強通控制。2.1.2 基本控制要求交通信號燈控制系統(tǒng)的要求是能夠?qū)崿F(xiàn)“正常循環(huán)運行”和“無線手動強通控制”兩種控制方式。1. 正常循環(huán)運行交通信號燈的正常循環(huán)運行邏輯流程圖如圖2.1所示，具體控制要求如下：（1）按下啟動按鈕后，交通信號燈系統(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、綠燈運行方式相同。10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)運行流程圖2. 無線手動強通控制無線手動強通控制是為了適應(yīng)警車、救護車等急車所設(shè)計的，它可以實現(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）強通控制受無線遙控開關(guān)控制。無急車時，按照正常循環(huán)時序控制。當有急車來時，打開急車強通開關(guān)，不管原先信號狀態(tài)如何，一律強制讓急車來車方向的綠燈亮，直到急車通過為止。當斷開強通開關(guān)時，PLC即復(fù)位，以正常時序時進行控制。（2）急車強通控制只能響應(yīng)一條路上來的控制信號，基兩條交叉路均有信號到來，則先響應(yīng)先來的一方，再響應(yīng)另外一方。（3）當無線強通停止按鈕按下后，該信號將原先的強通電路關(guān)閉，同時PLC復(fù)位，各個通路以初始狀態(tài)為起始點開始循環(huán)運行，進入原先的運行狀態(tài)之中，道路恢復(fù)通車。由于該過程對時間的要求并無限制，所以該系統(tǒng)同時還可以作為交通故障及道路施工時關(guān)閉交通來用。11開始正常運行按下南北強通銨鈕南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮按下東西強通停止按鈕南北方向綠燈亮，南北方向紅燈亮按下南北強通停止按鈕按下東西強通按鈕東西方向強通失效 南北方向強通失效圖2.3 無線手動強通控制的邏輯流程圖3. 倒數(shù)計時功能的實現(xiàn)在路中央四個方向均設(shè)置一組數(shù)碼管，每組2個。信號燈程序啟動后，隨著信號燈的亮滅，七段數(shù)碼管構(gòu)成的倒計時鐘也隨之顯示信號燈的亮滅時間。(1)南北方向該方向上共有兩組共6個信號燈，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間35s，然后進入黃燈倒數(shù) 5s計時，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，進入12下一循環(huán)。（2）東西方向在該方向，先顯示紅燈接通時間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點數(shù)和存儲器容量可分為：（ 1）小型PLC；（2）中型PLC；（3）大型PLC2. 按結(jié)構(gòu)型式可分為：（1）整體式PLC；（2）模塊式PLC；（3）疊裝式PLC3. 按功能可分為：（1）低檔機；（2）中檔機；（3）高檔機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、存儲器、電源、I/O接口電路、擴展接口、外設(shè)接口和編程器等構(gòu)成。PLC接受了來自現(xiàn)場的控制信號后經(jīng)過中央處理元件處理后送入驅(qū)動受控元件進而實現(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不可拆解的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、電源模塊、內(nèi)存、機架等，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 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 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 ， 又 總 是 先 掃 描 梯 形 圖 左 邊 的 控 制 線 路 ，13并 按 照 先 左 后 右 、 先 上 后 下 的 順 序 對 由 觸 點 構(gòu) 成 的 控 制 線 路 進 行 邏 輯 運 算 ， 然 后根 據(jù) 邏 輯 運 算 得 出 的 結(jié) 果 ， 刷 新 該 邏 輯 線 圈 在 系 統(tǒng) RAM存 儲 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 掃 描 用 戶 程 序 結(jié) 束 后 ， PLC就 進 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 相 應(yīng) 的 外 設(shè) 。2.2.3 PLC設(shè)計的基本原則任何一種控制系統(tǒng)都是為了實現(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 PLC 控制系統(tǒng)時，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PLC 控制系統(tǒng)的首要目標，這也是設(shè)計中最為重要的一條原則。要求設(shè)計人員在設(shè)計前就要深入現(xiàn)場來進行調(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)定地運行，這是設(shè)計控制系統(tǒng)的重要原則。要求設(shè)計者在系統(tǒng)的設(shè)計、元器件的選擇、軟件的編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)能夠安全可靠地運行。例如：保證 PLC 程序不僅在正常條件下運行，而且在各種非正常情況下如突然掉電再上電、按鈕按錯等，也能正常工作。3、力求簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便一個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)濟效益和社會效益，但新工程的投入和技術(shù)的培訓(xùn)以及設(shè)備的維護也將導(dǎo)致運行資金的急劇增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的經(jīng)濟效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的造價成本。這些要求設(shè)計者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單并且兼具經(jīng)濟性的特點，而且還要使控制系統(tǒng)的使用和維護方便、成本低，而不能一味盲目地追求高指標。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)的要求也將會不斷提高，所以設(shè)計時要適當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/O14點數(shù)和內(nèi)存容量時，要適當?shù)亓粲杏嗔?，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進。在 可 編 程 邏 輯 控 制 器 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 時 ， 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 和 選 型 。 工 藝 流 程 的 特 點 和 應(yīng) 用 要 求 就 是 設(shè) 計 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 準 的 ， 按 照其 易 于 與 工 業(yè) 控 制 系 統(tǒng) 形 成 一 個 整 體 ， 易 于 擴 充 其 功 能 的 原 則 來 選 用 型 號 ， 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 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械內(nèi)部，是實現(xiàn)機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 通信能力的增強及人機界面技術(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)計及建造的周期大為縮短，與此同時維護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：64，輸出點：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，具有自身一些獨有特點，下列是關(guān)于 FX2N-128MT-001 的一些基本介紹：PLC 平均無故障時間（ MTBF）高達 30 萬小時。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。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)故障時可以及時地發(fā)出警報信息。從 PLC 功能來看，該型號 PLC 的 CPU 處理速度達到了 0.065us 并且內(nèi)置了高達1564K 的大容量 RAM 存儲器。高內(nèi)存大幅增加了內(nèi)部軟元件的數(shù)量，強化了指令的功能，提供了多達 209 條應(yīng)用指令，包括像與三菱變頻器通訊的指令， CRC 計算指令，以及產(chǎn)生隨機數(shù)指令等等。晶體管輸出型的基本單元內(nèi)置了 3 軸獨立最高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大，使用更加地方便；內(nèi)置了 6 點同時 100kHz 的高速計數(shù)功能，雙相計數(shù)時可以進行 4 倍頻計數(shù)，大大地提升了運行速度。此外該型號 PLC 還有一些其它特殊功能：1.定位指令增加。2.可擴展高速脈沖輸出模塊 FX3U-WHSY-ADP 用于定位。3.可擴展定位模塊 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)本章提出了信號燈系統(tǒng)的總體構(gòu)思，并且提出了十字路口信號燈系統(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、綠燈和四個計數(shù)器以及手持式無線控制器。并且通過對PLC各個型號的對比以及從設(shè)計的實際要求出發(fā)選擇了PLC的具體型號。16第 3 章 信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 信號燈結(jié)構(gòu)設(shè)計本文以十字路口信號燈的 PLC 控制為主進行研究。該課題中的十字路口信號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間相同，所以該方向兩組數(shù)碼管顯示時間完全相同。本節(jié)設(shè)計主要圍繞各個信號燈的工作時序圖和具體的 PLC 控制程序來做介紹，同時分配了各個信號燈以及數(shù)碼管的 PLC 端口。3.1.1 工作時序圖1．南北方向?qū)τ谠摲较颍盘枱襞渲脼樽筠D(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，同時左轉(zhuǎn)紅黃綠燈控制左轉(zhuǎn)車輛，兩組信號燈狀態(tài)相反，分別在不同時段放行直行以及左轉(zhuǎn)的車輛。本文采用的是以120s為周期，其信號燈工作時序如圖3.1所示。對于直行紅黃綠燈，該組信號燈的3個燈以綠燈（35s） 黃燈(5s ) 紅燈（80s）依次循環(huán)。對于左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號燈的3個燈以紅燈（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，當直行及左轉(zhuǎn)紅燈均亮?xí)r該側(cè)的人行道綠燈才亮，當任一直行或左轉(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。17圖3.1 南北方向信號燈工作時序圖2．東西方向東西方向的信號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行，其工作時序如圖3.2所示。對于東西直行紅黃綠燈，該組信號燈的3個燈以紅燈（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，該組信號燈的3個燈以紅燈（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。18圖3.2 東西方向信號燈工作時序圖3.1.2 可編程控制器 I/O 端口分配由于本設(shè)計所選用的 PLC 為輸入點：64，輸出點：64，晶體管輸出。而本設(shè)計中的輸入輸出點數(shù)共為 52 點，均在 PLC 的基本輸入輸出點數(shù)范圍之內(nèi)，所以無需進行 I/O 擴展，在設(shè)計時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)計當中的 6 個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，分別是系統(tǒng)啟動按鈕、系統(tǒng)停止按鈕、南北無線19手動強通啟動按鈕、南北無線手動強通停止按鈕、東西手動強通啟動按鈕、東西手動強通停止按鈕。各個按鈕均占用 1 個 PLC 輸入端口，當 PLC 正常運行時，各個輸入按鈕均獨立工作。表 3.3 外部輸入控制按鈕 I/O 端口分配啟動 停止 南北強通 啟動南北強通 停止東西強通 啟動?xùn)|西強通 停止X000 X001X002 X003 X004 X0052.信號燈輸出PLC 系統(tǒng)的信號燈輸出量主要是由各個方向的紅、黃、綠燈所構(gòu)成的。對于南北方向上某一行車方向的信號燈輸出，本設(shè)計共設(shè)置了三組信號燈，其中兩組車輛信號燈，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，所以其信號燈的設(shè)置也與南北向相同。信號燈輸出的 I/O 端口分配方式如表 3.4 所示：表 3.4 信號燈輸出的 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 Y0173.數(shù)碼管輸出本設(shè)計中四個方向數(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)的輸入端共用一個輸入信號。對于某一組數(shù)碼管，又分為了個位數(shù)字顯示和十位顯示。由于本設(shè)計中的顯示裝置為七段數(shù)碼管，每個數(shù)碼管有 7 個輸入端與 PLC 的輸出端口相連，所以本設(shè)計當中的四組數(shù)碼管共占用 28 點輸出。數(shù)碼管輸出的 I/O 端20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a Y020 a Y040b Y021 b Y041c Y022 c Y042d Y023 d Y043e Y024 e Y044f Y025 f Y045南北組數(shù)碼管個位g Y026東西組數(shù)碼管個位g Y046a Y030 a Y050b Y031 b Y051c Y032 c Y052d Y033 d Y053e Y034 e Y054f Y035 f Y055南北組數(shù)碼管十位g Y036東西組數(shù)碼管十位g Y0563.1.3 程序梯形圖本設(shè)計的梯形圖設(shè)計力求簡單、高效，在完成設(shè)計要求的同時，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，當開始按鈕啟動后，首先啟動直行綠燈輸出，并設(shè)置定時器T0 在 35s 后動作，接通直行黃燈，斷開直行綠燈的通路，同時啟動定時器 T1。5s 后T1 動作，接通直行紅燈，斷開直行黃燈通路，同時啟動定時器 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，當開始按鈕啟動后，在直行黃燈啟動 5s 后左轉(zhuǎn)綠燈啟動，同時啟動定時器 T3。15s 后啟動左轉(zhuǎn)黃燈并斷開左轉(zhuǎn)綠燈通路，同時啟動定時器T4。5s 后斷開自身通路。對于左轉(zhuǎn)紅燈，本設(shè)計采用左轉(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)紅燈進行控制，同時還保證了紅燈和綠燈不會同時亮，提高了系統(tǒng)安全性。對于無線強通控制，當強通開關(guān) X002 按下后，通過 X002 的常開及常閉開關(guān)強行接通直行方向綠燈，同時強行斷開其它方向通路。21對于人行道信號燈，本設(shè)計采用直行及左轉(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)計的可靠性和經(jīng)濟性等要求。圖 3.6 南北方向程序梯形圖（a） 續(xù)圖（b）22(b) 續(xù)圖23（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，但啟動次序不同，本文不加以詳細論述。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) 24續(xù)圖（b）25(b)3.1.4 信號燈的 PLC 外部連線圖信號燈的 PLC 外部連線較為簡便，信號燈輸出一端直接接 PLC 的輸出端，另一端在并上一個 24V 的直流電源后接入 PLC 的接地端 COM1。信號燈的 PLC 外部連線圖如圖 3.8 所示：26圖 3.8 信號燈的 PLC 外部連線圖3.2 倒計時數(shù)碼管的設(shè)計在實際的交通控制中，僅有信號燈是遠遠不夠的，還需要系統(tǒng)將各個時序階段的具體運行時間顯示出來。本節(jié)將就如何實現(xiàn)數(shù)碼顯示及數(shù)碼管的外部接線作詳細介紹。3.2.1 程序梯形圖本設(shè)計中四個方向數(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)時兩個燈切換之間的時間。該段程序的設(shè)計，主要是通過 D0-D4 數(shù)據(jù)寄存器來實現(xiàn)。開始時，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發(fā)送給顯示電路一個脈沖信號，同時中間繼電器 M8013 每隔 1s 發(fā)送一個脈沖信號。當顯示電路收到信號后首先將 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)計如圖 3.9 所示：圖 3.9 南北方向程序梯形圖(a) 27續(xù)圖（b）28(b) 2.東西方向該方向程序的梯形圖設(shè)計如圖 3.10 所示：圖 3.10 東西方向程序梯形圖(a) 29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 24V 的直流電源后接入 PLC 的接地端COM1，連線圖如圖 3.11 所示：30FX2N-18MT-01圖 3.11 數(shù)碼管的 PLC 外部連線313.3 本章小結(jié)本章在就上一章課題提出以及信號燈控制的具體要求后對系統(tǒng)進行了具體、全面地研究。本章研究了信號燈的具體配置、時序要求、端口分配、梯形圖程序的設(shè)計以及 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，己完成了交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計的大部分。對于系統(tǒng)的仿真，本設(shè)計選用三菱公司的 GX.Developer 程序開發(fā)工具進行仿真模擬，具體程序見附錄 4。32第 4 章 信號燈無線遙控系統(tǒng)的設(shè)計4.1 信號燈無線遙控系統(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)運而生，并在近幾年得到了長足的進步。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、功能強以及成本低等特點，從而廣泛地應(yīng)用在了彩電、攝相機、空調(diào)甚至于手機上。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，信號易獲得。同時隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以及單片機的出現(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，例如紅外線發(fā)射裝置采用紅外發(fā)光二極管，遙控發(fā)射器小型化且價格低廉；采用數(shù)字信號編碼和二次調(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傳輸?shù)目垢蓴_性，減少了很誤動作，而且功率消耗低；而且，紅外線不會向室外泄露，不會產(chǎn)生信號干擾；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。334.1.1 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頻率中只占有很小一個頻率段，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有能量產(chǎn)生，所以紅外的利用非常廣泛。當今紅外技術(shù)的一個很重要的分支，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)用于計算機設(shè)備中，近幾年的發(fā)展已經(jīng)表現(xiàn)出十分成熟的特點。而目前最常見的應(yīng)用形式就是各種各樣的遙控器。單片機紅外遙控器主要由單片機、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，當有鍵按下時，系統(tǒng)延時一段時間防止干擾，然后啟動振蕩器，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)動紅外發(fā)射管可以發(fā)射出 940nm 的紅外光。當發(fā)送結(jié)束時振蕩器也隨之關(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)計目的就是根據(jù)按鍵的不同，發(fā)射出不同的紅外信號。本系統(tǒng)采用單片機制作，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)動電路和紅外發(fā)光二極管幾個部分組成。紅外發(fā)射遙控電路原理框圖 4.1，紅外線遙控發(fā)射器的信號是由一串由數(shù)字 0 和1 的二進制代碼組成的，不同的芯片對 0 和 1 的編碼會有所不同，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34代表分別是 NEC 和 PHILIPS 的 RC.5。+5V 電源單片機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。在實際應(yīng)用中，以上所有的電路都集成在一個電路中，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，只有三個引腳，分別是+5V 電源、地、信號輸出。接收部分紅外發(fā)射遙控電路的原理框圖如圖 4.2 所示，當紅外線發(fā)射端發(fā)出的信號到達后，紅外接收電路負責(zé)對信號進行采集并進行相應(yīng)的譯碼，然后輸入接收端的單片機中進行運算，最后由接收端單片機將采集的信號轉(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)的信號燈控制信號以及數(shù)碼管顯示信號，實現(xiàn)控制信號的輸入。該輸入方式可以保證信號準確地被 PLC 讀取并高效地執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的工作效率。35+5V 電源單片機紅外接收電路狀態(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)計主要是以 AT89C2051 單片機作為核心，綜合應(yīng)用了單片機的中斷系統(tǒng)、定時器、計數(shù)器等知識。在實際操作中，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別，判斷出控制操作，進而來完成整個紅外遙控的接收過程。本設(shè)計中，在與 PLC 的通信當中，通過數(shù)字接收端的信號來驅(qū)動 PLC 的數(shù)字開關(guān)量，從而達到東西南北向強通開關(guān)的啟動及停止作用。本系統(tǒng)根據(jù)按紅外發(fā)射頻率的不同，來識別不同的按鍵。操作鍵設(shè)定為 2 個，K0 和 K1，分別接至單片機的 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)射時間確定為一個定值，由定時器 1 來定時，時間為 100ms。當100ms 時間到了以后，定時器 1 發(fā)生中斷，停止計時，紅外光也即時停止發(fā)射。由定時/計數(shù)器來控制發(fā)射頻率，T0 作為定時器，當 T0 的定時時間到了以后，中斷程序使 P3.4 斷口的電平反轉(zhuǎn)一次，然后 T0 重新設(shè)置為與工作定時值與前相同，等時間到中斷程序使 P3.4 端口再翻轉(zhuǎn)一次，如此往復(fù)，紅外信號就可以按照一定的時間間隔發(fā)射出去。該方法可以通過設(shè)定 T0 的定時時間來控制紅外信號的發(fā)射頻率。遙控器平時處于閑置狀態(tài)，當有鍵按下時，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36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)計采用了以 AT89C2051 型號單片機作為遙控器的發(fā)射接收核心部件。該種型號的單片機價格低廉，可靠性高，符合設(shè)計的可靠、經(jīng)濟的要求。AT89C2051 是一個低電壓，高性能的 CMOS 8 位單片機。片內(nèi)含有 2KB 可反復(fù)擦寫的只讀存儲器（EPROM ）以及 128B 的隨機存取存儲器（ RAM） ，單片機器件采用 ATMEL 的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS.51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲器，功能強大。AT89C2051 有 20 個雙向輸入/輸出（I/O）端口，其中 P1 是完整的 8 位雙向 I/O口，2 個 16 位可編程定時/計數(shù)器，兩個外中斷，兩個全雙向串行通信口，和一個模擬比較放大器。此外，AT89C2051 的時鐘頻率可為零，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/計數(shù)器、串行口和以及內(nèi)外部中斷口，系統(tǒng)喚醒后即可再次進入工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi) RAM 將被凍結(jié)，時鐘停止震蕩，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，符合實用節(jié)約的設(shè)計理念。4.2 發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計4.2.1 按鍵系統(tǒng)本文采用獨立式按鍵結(jié)構(gòu)，該按鍵結(jié)構(gòu)是指直接用 I/O 線構(gòu)成的單個按鍵電路，每個獨立式按鍵都獨立地占有一根 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，易于實現(xiàn)的特點，但I/O 口線浪費較大。而本設(shè)計之所以采用了獨立式按鍵結(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 個輸入信號即可工作。這種工作方式除了有結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)的特點外，還有受外界干擾小的優(yōu)點。獨立式按鍵配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，上拉電阻保證了按鍵斷開時，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 為強通啟動按鈕，S1 為強通停止按鈕。當某一按鈕被按下之后，該電路按通，松開后斷電。當有急車通過時，按下 S0，該方向的直行綠燈亮，同時另一方向及該方向左轉(zhuǎn)方向全部顯示為紅燈亮；當急車通過之后，通過按下 S1 按鈕使電路復(fù)位并以正常循環(huán)方式工作，實現(xiàn)無線手動強通控制的要求。37圖 4.3 獨立式按鍵結(jié)構(gòu)鍵盤掃描程序指的是單片機通過運行掃描程序，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鍵后，即執(zhí)行相應(yīng)的紅外發(fā)射程序。在無按鍵按下時，各位均為高電平，在某一個按鍵按下以后，該位即變?yōu)榈碗娖?。通常，按鍵所用的開關(guān)為機械彈性開關(guān)，該開關(guān)利用了機械觸點的合及斷兩個狀態(tài)。但由于機械觸點的彈性作用以及觸點本身帶有雜質(zhì)灰塵等，在一個按鍵開關(guān)在閉和時電信號并不會馬上穩(wěn)定接通，在斷開時也不會馬上斷開，而是在閉合和斷開的瞬間均伴隨著一連串的抖動。通常這種抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，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程序使得單片機可以收到有效信號。本電路采用的是軟件消抖的方法，就是調(diào)用一個延時子程序，延時時間設(shè)定為 6ms，延時子程序如下：DL1： MOV R4，#0CHDL2： MOV R5，#0FFHDL3： DJNZ R5，DL3DJNZ R4，DL2RET延時時間的計算是根據(jù)執(zhí)行指令所需時間的總和確定的。具體體現(xiàn)在執(zhí)行每一指令的步數(shù)。其中，0CH、0FFH 分別為十進制數(shù)的 12 和 255，因此這個程序所耗用的時間為：381+（255*2+2+1）*12+1+2=6160 （個）機器周期由于晶振采用的是 12MHz，所以 1 機器周期=1us，執(zhí)行程序的總時間為6.16ms，與 6ms 存在 0.16ms 的誤差，但該誤差并不影響程