PLC十字路口交通燈畢業(yè)設計,plc,十字路口,交通燈,畢業(yè)設計 湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術學院2017屆畢業(yè)生 畢 業(yè) 設 計 班 級： 機電14302 姓 名： 于宗洲 指導教師： 黃冬來 d 2017年 5月 23日 目 錄 中文摘要，中文關鍵詞..............................................2 英文摘要，英文關鍵詞..............................................3 前 言..........................................................4 第一章 課題介紹及研究意義.........................................5 1.1 課題的背景...................................................5 1.2 課題的研究意義...............................................5 1.3 課題的特點及優(yōu)點分析.........................................6 1.4 交通燈的目的與內容..........................................6 1.5 交通燈的發(fā)展趨勢............................................6 1.6 現(xiàn)在研究存在的問題及解決辦法................................7 第二章 課題方案的介紹.............................................8 2.1 十字路口交通的原理...........................................8 2.1.1 十字路口交通燈的原理及示意圖..............................8 2.1.2 十字路口交通燈的實際接線圖............................8 2.2 電路中主要元器件的介紹.......................................9 2.2.1 熔斷器...................................................9 2.2.2 中間繼電器...............................................9 2.3 交通燈的發(fā)展概述.............................................10 2.4 交通燈的作用.................................................11 2.5 現(xiàn)在交通路口控制技術現(xiàn)狀.....................................12 2.6 PLC的介紹及選型..............................................13 2.6.1 PLC的基本結構..........................................13 2.6.2 PLC的工作原理..........................................14 2.6.3 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀...........................................15 第三章 課題的硬件設計.............................................17 3.1 硬件的介紹..................................................17 3.2 硬件設計原則................................................19 3.3 硬件設計思路................................................21 3.4 PLC類型的選擇...............................................21 3.5 顯示燈的選擇................................................22 3.6 LED的驅動和顯示.............................................22 3.7 印刷電路板.................................................23 第四章 課題的軟件設計..............................................24 4.1 輸入點輸出點的分配表.......................................25 4.2 十字路口交通燈的接線圖.....................................26 4.3 十字路口交通燈的控制時序圖.................................27 第五章 系統(tǒng)的調試與解決方法........................................35 5.1 編程思想....................................................35 5.2 控制系統(tǒng)的程序調試步驟......................................35 5.3 調試過程遇到的問題及解決方法................................35 結論...............................................................36 參考文獻...........................................................37 致謝詞.............................................................38 1 PLC十字路口交通燈的設計 摘 要 PLC作為一種工業(yè)控制微型計算機,它以其編程方便、 操作簡單，尤其是它的可靠性高，抗干擾能力強、通用性高，使用方便程序設計簡單，易學，易懂、 采用先進的模塊化結構，系統(tǒng)組合靈活方便、系統(tǒng)設計周期短、安裝簡便，調試方便，維護工作量小。對生產(chǎn)工藝改變適應性強，可進行柔性生產(chǎn),在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通越來越引起人們的關注。利用發(fā)光二級管來代替交通信號燈作為被控制對象，通過24V轉換電源為發(fā)光二極管供電。并且通過計算機軟件編寫程序，將編寫好的程序寫入到PLC中，通過PLC的16個輸出信號控制相應的中間繼電器的通斷，進而通過中間繼電器控制發(fā)光二極管的亮、滅和閃爍等狀態(tài)。最后通過有效的布局將相應的器件安裝到相應的地方，組成模擬的十字路口交通燈控制系統(tǒng)。通過對真正的十字路口交通燈控制系統(tǒng)的模擬，使我們比較深刻的認識了真正的十字路口交通燈控制系統(tǒng)的工作過程，知道了許多交通燈的相關知識。本控制系統(tǒng)可有效解決現(xiàn)有交通的道路擁擠、交通秩序混亂等問題。 【關鍵詞】：十字路口；交通燈；PLC The design of the PLC intersection traffic lights Abstract PLC as a kind of in control microcomputer, it by its programming is convenient, simple operation, especially its advantages of high reliability, has been widely used in the process of industrial production. With the development of economy, the urban traffic is becoming more and more aroused people's concern. Using to replace traffic lights as controlled object, through 24 v switching power supply for led power supply. And writing good through the computer software program, the program written to the PLC, controlled by PLC 16 output signal corresponding intermediate relay on and off, and then through the intermediate relay control on and off and flicker, etc. Finally through effective layout and the corresponding device installed in the corresponding place, simulated intersection traffic light control system. Through the simulation of a real intersection traffic light control system, make us more profound understanding of the real intersection traffic light control system work process, know the knowledge of many traffic lights. This control system can effectively solve the existing road traffic congestion, traffic order, and other issues. 【key words】：The crossroads Traffic lights PLC 前 言 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起們的關注。人、車、路三者關系的協(xié)調，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。 隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況。然而，隨著交通量的快速增和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，沒有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在構造上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。 隨著交通越來越發(fā)達所出現(xiàn)的問題也越來越多,路面狹窄,車輛擁擠。尤其是到了上下班的時候,許多車輛在路口浪費了很多的時間,不僅給車主帶了很多的麻煩也給交通部門帶了不少麻煩。為了解決這些問題,國家政府也花了不少的心思和精力去研究,探討。為了能有效地解決交通問題,政府對城市進行了有規(guī)模的城市規(guī)劃和道路擴建與維修。還有就是對交通燈進行了研究和改善,調整交通燈的時間控制和變換頻率以及工作時間的控制,從而使交通更為暢通和安全,提高了交通燈的自身作用和價值。 第一章 課題意義與內容 1.1 課題研究背景 隨著21世紀微機技術已經(jīng)并繼續(xù)在改變世界。以微機技術為基礎的可編程控制器也正在改變著工廠自動控制的面貌。近20年來，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，可編程控制器以其可靠性極高、能經(jīng)受惡 劣環(huán)境的考驗、使用極方便的巨大優(yōu)越性，迅速占領工業(yè)自控領域，成為工業(yè)自動控制的首選產(chǎn)品與機器人、CAD/CAM并成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱。PLC交通燈的來源及現(xiàn)狀交通信號燈的出現(xiàn)，使得交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。為了實現(xiàn)城市交通道路的有效管理，力求交通管理先進性、科學化政府花了很大精力對交通燈進行研究和改善，利用 PLC 技術對交通燈進行邏輯控制，此控制系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、經(jīng)濟，能夠有效的疏導交通，調整交通燈的時間控制和變換頻率以及工作時間的控制，從而提高交通路口的通行能力，使交通更加通暢與安全。隨著計算機技術和自動控制技術的發(fā)展，以及交通流理論的不斷發(fā)展完善，交通運輸組織與優(yōu) 化理論、技術的不斷提高，國內外逐步形成了一批高水平有實效的城市道路交通控制系統(tǒng)。 1.2 交通燈課題的特點及優(yōu)點分析 十字路口交通燈矛盾的日益突出，已開始影響城市的發(fā)展，解決這個問題最行之有效的良方或許就是大力發(fā)展智能化交通。智能化交通管理體系在國外已經(jīng)有了多年的發(fā)展歷史，是目前發(fā)達國家普遍采用的交通管理方式，這種方式是在發(fā)達的交通網(wǎng)絡基礎上，對所轄區(qū)域的交通流量實施有效控制，使有限的交通網(wǎng)絡功能得到充分合理的利用，極大發(fā)揮城市的載體功能。智能交通系統(tǒng)將大大提高交通效率而節(jié)省大量的燃料和時間。除此之外，智能交通系統(tǒng)能夠減少交通事故，減少因事故造成部分經(jīng)濟損失。在與世界發(fā)達國家機動車人均擁有量差距還很大的情況下，我國一些特大城市的交通擁堵已排在世界前列。 目前國內外對智能交通系統(tǒng)的理解不盡相同，但不論從何種角度出發(fā)，有一點是共同的:智能交通系統(tǒng)是用各種高新技術，特別是電子信息技術提高交通效率，增加交通安全性和改善環(huán)境的技術經(jīng)濟系統(tǒng)。日本、歐洲等眾多國家和地區(qū)在智能交通系統(tǒng)方面都取得了相當大的進展，對當?shù)亟煌ㄟ\輸效率的提高起了關鍵性的作用。從各國的發(fā)展來看，智能交通系統(tǒng)能使交通基礎設施發(fā)揮出最大的效能，提高服務質量;同時使社會能夠高效地使用交通設施和能源，從而獲得巨大的社會及經(jīng)濟效益。它不但有可能解決交通的擁堵，而且對交通安全、交通事故的處理與救援、客貨運輸管理、道路收費系統(tǒng)等方面都會產(chǎn)生巨大的影響。 1.3 十字路口交通燈的目的及內容 在十字路口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強有力的保障。但是隨著社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，原先的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應現(xiàn)在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統(tǒng)，使其適應現(xiàn)在的交通狀況，成為研究的課題。 按照城市交通控制的需要，本文討論了用PLC實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)循環(huán)運行，工作規(guī)律按時序圖運行（見附圖）綠燈閃爍時按0.5秒間隔運行和提示警告方式運行兩方式，通過傳感器與PLC完成對交通異常狀況（滯留或堵車）的判別及處理。 1.4 交通燈的發(fā)展趨勢 交通系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢就是要提高通行能力，加強環(huán)境保護，開展智能化運輸和環(huán)保專項技術的研究，并且要做到以人為本，重點開展交通安全技術的研究，在這個過程中要確定經(jīng)濟合理的目標，促進新材料的廣泛應用和開發(fā)。 1.5 現(xiàn)在研究存在問題及解決方法 俗話說的好；“要想富，先修路”，如今的交通是否發(fā)達，關系著一個城市的發(fā)展速度。對于一個正在蓬勃發(fā)展的城市來說，有著寬敞的馬路還是不夠的，交通信號燈的存在也不容忽視。 通過調查： 　司機：沒交通信號燈的地方多，路標與交通信號燈不符。 　現(xiàn)場目擊：沒有信號燈、信號燈設置不合理導致路口混亂。 　交警部門：信號燈的設置要看交通流量以及考慮到經(jīng)濟發(fā)展。 城市交通系統(tǒng)是一種非線性的、時變的、滯后的大系統(tǒng)，以往的交通控制研究多是基于啟發(fā)式的考慮，而不是基于控制理論的方法。近多年來，隨著眾多研究控制理論出身的學者的加盟，使得城市交通自動控制領域的研究出現(xiàn)了新的思路、新的方法。本小節(jié)就近年來交通信號控制理論的研究進展作一簡述。 (1)靜態(tài)多段配時控制 靜態(tài)多段配時控制是利用歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)的一種開環(huán)控制，其基本設計思想源于線性規(guī)劃。它沒有考慮交通需求的隨機波動，沒有考慮城市道路交通流的實時進化過程，其控制能力和抗干擾能力非常有限。但就城市某一區(qū)域而言，每日的交通狀況畢竟表現(xiàn)出相當程度的重復性，車流的運動變化仍有一定的規(guī)律可循。因此研究靜態(tài)多段配時控制，將其作為其他控制策略的“參照系”，或為它們提供“初值系統(tǒng)”還是很有意義的。這種方法簡便易行，尤其適用于穩(wěn)態(tài)交通環(huán)境，頗受交通工程人員歡迎。 (2) 準動態(tài)多段配時控制 準動態(tài)多段配時控制與靜態(tài)多段配時控制相類似，只不過多段的劃分不是以時間為依據(jù)，而是以檢測到的實時交通狀態(tài)為依據(jù)。交通狀態(tài)可以用交通量、占有率、車速等交通數(shù)據(jù)的特征值來表達。被劃分成的若干個交通狀況分別配以不同的優(yōu)化配時。準動態(tài)多段配時控制是一閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于反饋的引入，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能比靜態(tài)多時段控制有明顯改善，但是又由于它的控制方式仍屬于方案選擇式，所以系統(tǒng)動態(tài)性能的改善又十分有限，故稱之為準動態(tài)系統(tǒng)。 - 第二章 課題系統(tǒng)方案的介紹 2.1 十字路口交通燈的原理 2.1.1 十字路口交通燈的原理及示意圖 如圖1.1是十字路口交通信號燈示意圖, 本系統(tǒng)的控制對象有八個，分別為東西方向紅燈兩個，南北方向紅燈兩個，東西方向黃燈兩個，南北方向黃燈兩個，東西方向綠燈兩個，南北方向綠燈兩個，東西方向左轉彎綠燈兩個，南北方向左轉彎綠燈兩個。本控制系統(tǒng)律分為高峰時段和正常時段進行控制，晚上時段按提示敬告方式運行，規(guī)律為：東、南、西、北四個黃燈全部閃亮，其余燈全部熄滅，黃燈閃亮按亮0.4秒，暗0.6秒的規(guī)律反復循環(huán)。 正常時段(8時~16時、18時~6時)： 南北紅燈亮維持25秒，在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅，在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時，南北紅燈熄滅，綠燈亮。 東西紅燈亮維持30秒，南北綠燈亮維持25秒，然后閃亮3秒后熄滅，同時南北黃燈亮，維持2秒后熄滅。這時南北紅燈又亮，東西綠燈又同時亮，如此周而復始。 高峰時段（6時~8時、16時~18時）： 南北紅燈亮維持25秒，在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅，在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時，南北紅燈熄滅，綠燈亮。 東西紅燈亮維持40秒，南北綠燈亮維持35秒，然后閃亮3秒后熄滅，同時南北黃燈亮，維持2秒后熄滅。這時南北紅燈又亮，東西綠燈又同時亮，如此周而復始。 Y0Y1Y2 Y0 Y1 Y2 Y4 Y3 Y5 Y3 Y4 Y5 北 東 南 西 圖1.1 十字路口交通信號燈的示意圖 2.1.2 十字路口交通燈的實際接線圖 上圖是十字路口交通燈的實際接線圖 2.2 電路中主要元器件的介紹 2.2.1 熔斷器 ① 作用；熔斷器是一種簡單的保護電器，串接于電路，當電路發(fā)生短路或過負荷時，熔體熔斷自動斷開電路，保護其他電氣設備。 ② 型號 8A ③ 符號 FU ④ 工作要求 熔體的額定電流要小于或等于熔斷器的額定電流 熔斷器的電壓大于或等于被保護的工作電壓。 2.2.2 中間繼電器 ① 作用；中間繼電器作用是用來傳遞信號或同時控制多個電路，也可直接用它來控制小容量電動機或其他電氣執(zhí)行元件，它的結構和交流接觸器基本相同，只是電磁系統(tǒng)小些，觸點多些。 ② 型號 DC24V ③ 符號 線圈 常開觸點 常閉觸點 ④ 工作要求 中間繼電器實質是一種電壓繼電器，觸點對數(shù)多，觸點容量較大(額定電流5—10A) ⑤ 優(yōu)點 體積小，動作靈敏度高，并在10A以下電路中可代替接觸器起控制作用。 2.3 交通燈的發(fā)展概述 道路交通信號燈是交通安全產(chǎn)品中的一個類別，是為了加強道路交通管理，減少交通事故的發(fā)生，提高道路使用效率，改善交通狀況的一種重要工具。適用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信號控制機控制，指導車輛和行人安全有序地通行 交通信號燈的種類有:機動車道信號燈,人行橫道信號燈,非機動車道信號燈,方號燈是交通信號指揮中的重要組成部分，是道路交通的基本語言。交通信號燈由紅燈（表示禁止通行）、綠燈（表示允許通行）、黃燈（表示警示）組成。分為：機動車信號燈、非機動車信號燈、人行橫道信號燈、車道信號燈、方向指示信號燈、閃光警告信號燈、道路與鐵路平面交叉道口信號燈。廣泛用于公路交叉路口，彎道、橋梁等存有安全隱患的危險路段，指揮司機或行人交通，促進交通暢通，避免交通事故和意外事故發(fā)生。向指示信號燈,移動式交通信號燈,太陽能閃光警告信號燈,收費站天棚信號燈 紅綠燈的歷史其實并不復雜。從最初發(fā)明時的手牽皮帶轉動燈箱，到20世紀開始的電氣控制，從采用計算機控制到電子監(jiān)控感應，其發(fā)展不超過150年 1859年10月，英國一位紡紗工人想出一個用燈光顏色控制交通的辦法，他制造了一盞有活動遮沿設備的油燈帶到倫敦，可惜這個發(fā)明并未引起政府重視，后來由于英國議會大廈前時常出現(xiàn)馬車撞人事故，人們才再次重拾這項發(fā)明 世界上第一盞正式投入使用的交通信號燈出現(xiàn)在1868年12月10日，這盞身高7米，由德·哈特設計的紅綠兩色煤氣燈出現(xiàn)在議會大廈前的十字路口。一位警察手持長桿牽動皮帶轉換紅綠兩色：紅燈停，綠燈行。據(jù)說，英國人之所以選擇這樣的顏色，是因為在當時的英國，婦女著紅裝代表已婚，綠裝代表未婚?？上У氖?，這盞燈的歷史只有23天，中斷的原因是煤氣燈突然爆炸使一位警察殉職。 交通信號燈便在美國人的系統(tǒng)性的實驗中不斷進出現(xiàn)，。這時的交通信號燈已從煤氣進化為電氣，這與現(xiàn)代的交通信號燈已經(jīng)沒有多大的差距了，除了交通信號本身，美國人還完善了信號控制系統(tǒng)，1917年，美國鹽海市開始使用聯(lián)動式信號系統(tǒng)，他們吧六個交叉路口作為一個系統(tǒng)，以人工方式加以集中控制。美國還最早使用車輛感應式控制器，20世紀30年代，他們已經(jīng)開始根據(jù)檢測器測量的交通流量來調整綠燈時間的長短，到了50年代，美國人已經(jīng)御用計算機系統(tǒng)調節(jié)紅路燈，并逐漸完善為今天的智能交通系統(tǒng)。 2.4 交通燈的作用 交通信號燈發(fā)展至今在燈光表示上已經(jīng)基本上能完全的適應道路的狀況，燈信號是準許通行信號。按《交通安全法實施條例》規(guī)定：綠燈亮 時，準許車輛、行人通行，但轉彎的車輛不準妨礙被放行的直行車輛和行人通行。紅燈信號是絕對禁止通行信號。紅燈亮時，禁止車輛通行。右轉彎車輛在不妨礙被放行的車輛和行人通行的情況下，可以通行。紅燈信號是帶有強制意義的禁行信號，遇此信號時，被禁行車輛須停在停止線以外，被禁行的行人須在人行道邊等候放行；機動車等候放行時，不準熄火，不準開車門，各種車輛駕駛員不準離開車輛；自行車左轉彎不準推車從路口外邊繞行，直行不準用右轉彎方法繞行。黃燈亮時，已越過停止線的車輛，可以繼續(xù)通行。黃燈信號的含義介于綠燈信號和紅燈信號之間，既有不準通行的一面，又有準許通行的一面。黃燈亮時，警告駕駛人和行人通行時間已經(jīng)結束，馬上就要轉換為紅燈，應將車停在停止線后面，行人也不要進入人行橫道。但車輛如因距離過近不便停車而越過停止線時，可以繼續(xù)通行。已在人行橫道內的行人要視來車情況， 或盡快通過，或原地不動，或退回原處。為持續(xù)閃爍的黃燈，提示車輛、行人通行時注意瞭望，確認安全后通過。這種燈沒有控制交通先行和讓行的作用，有的懸于路口上空，有的在交通信號燈夜間停止使用后僅用其中的黃燈加上閃光，以提醒車輛、行人注意前方是交叉路口，要謹慎行駛，認真觀望，安全通過。在閃光警告信號燈閃爍的路口，車輛、行人通行時，即要遵守確保安全的原則，同時還應遵守沒有交通信號或交通標志控制路口的通行規(guī)定。方向信號燈是指揮機動車行駛方向的專用指示信號燈，通過不同的箭頭指向，表示機動車直行、左轉或者右轉。它由紅色、黃色、綠色箭頭圖案組成。車道燈由綠色箭頭燈和紅色×形燈組成，設在可變車道上，只對本車道起作用。綠色箭頭燈亮時，準許本車道車輛按指示方向通行；紅色叉形燈或者箭頭燈亮時，禁止本車道車輛通行。人行橫道燈由紅、綠兩色燈組成。在紅燈鏡面上有一個站立的人形象，在綠燈面上有一個行走的人形象。人行橫道燈設在人流較多的重要交叉路口的人行橫道兩端。燈頭面向車行道，與道路中心垂直。人行橫道燈信號有綠燈亮、紅燈亮兩種信號，其含義與路口信號燈信號的含義相似，即綠燈亮時 ，準許行人通過人行橫道；紅燈亮時，禁止行人進入人行橫道，但是已經(jīng)進入人行橫道的，可以繼續(xù)通過或者在道路中心線處停留等候。 2.5 現(xiàn)在城市路口交通燈控制技術現(xiàn)狀 隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高澎路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在構造上的特點，也決定的城市高速道路的交通狀況，必然受高速道路與普通道路藕合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道車流量繁忙的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門待解決的主要問題。 2.6 PLC的介紹及選型 2.6.1 PLC的基本結構 在種類繁多的PLC中，其組成結構和工作原理都基本相同。用PLC實施控制，其實質是按一定算法進行輸入/輸出轉換，并將這個轉換給予物理實現(xiàn)，并應用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場而設計，采用了典型的計算機結構，它主要由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入/輸出接口電路等組成。 1.中央處理器(CPU) 中央處理器(CPU)一般由控制器運算器和寄存器組成。它們都集成在一個芯片內，CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元輸入/輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC有條不序地進行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，當PLC處于運行方式時，CPU按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。 CPU的主要任務如下： (1) 按PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器輸入用戶程序和數(shù)據(jù)。 (2) 用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。 (3) 診斷電源或PLC內部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。 (4) 在PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶，程序經(jīng)過命令解釋后，按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去啟、閉有關控制電路，分時地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較、變換等動作。完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運算或算術運算等任務。根據(jù)運算結果更換有關標志位的狀態(tài)和輸入映像寄存器的內容，實現(xiàn)輸出、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等控制。 2.存儲器 PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩個部分。 (1) 系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器是指用來存放PLC的系統(tǒng)程序的存儲器。它由PLC生產(chǎn)廠家編寫并固化在ROM內，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設計者規(guī)定的各項工作。其主要內容包括3個部分：系統(tǒng)管理程序、 用戶指令解釋程序和標準程序模塊與系統(tǒng)調試。 (2) 用戶存儲器 用戶存儲器由用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分組成，其主要任務作用是用來存放用戶針對具體控制任務用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。PLC使用的存儲器有3種類型：隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和可擦除可編程只讀存儲器(EEPRO)。 3. 輸入/輸出接口單元 PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出接口單元從廣義上可分為2個部分：一部分是與被控制設備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 4.擴展接口和通信接口 PLC具有擴展接口和通信接口的能力，其作用如下： (1) 擴展接口的作用是將擴展單元和功能模塊與基本單元相連，是PLC的配置更加靈活以滿足不同控制的系統(tǒng)需求。 (2) 通信接口的作用是通過這些通信接口可以與監(jiān)視器打印機和其他的，PLC或計算機相連從而實現(xiàn)”人-機”或”機-機”之間的對話。 5. 電源部分 PLC一般使用220交流電源，內部的開關電源位PLC的中央處理器、存儲器等。電路提供5V、+-12V、24V等直流電源使PLC能正常工作。 6. 編程設備 編程設備的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監(jiān)視。 7. 其他部件 有些PLC還可以有ERROM寫入器、存儲器卡等其他外部設備，用于增強PLC的存儲容量和擴展功能。 2.6.2 PLC的工作原理 PLC在程序運行方式、輸入輸出操作、特殊功能模塊等方面做了特別的考慮。 1. PLC的3個工作階段 當PLC投入運行后，其工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段三個階段完成。上述3個階段即為一個周期。在整個運行期間PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述3個階段。 (1) 輸入采樣階段PLC。在輸入采樣階段，先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態(tài)存入對應的輸入元件映像寄存器。此時，輸入元件映像寄存器被刷新，接著進入用戶程序執(zhí)行階段。在用戶程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器與外界隔離，無論輸入端子信號如何變化，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新內容重新寫入。 （2) 用戶程序執(zhí)行階段。根據(jù)PLC梯形圖程序掃描規(guī)則，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句掃描。當指令中涉及輸入/輸出時，PLC從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應輸出映像寄存器的當前狀態(tài)。然后，進行相應的運算，運算結果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說，每一個元件的狀態(tài)會隨程序的執(zhí)行過程而變化。 (3) 輸出刷新階段。在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態(tài)在（通/斷）在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅動外部負載。對于小型PLC，I/O點數(shù)較少，用戶程序較短，用集中采樣集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應速度，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。 2. PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則 PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入點在上有個刷新期間的通/斷狀。 2.6.3 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀 可編程控制器(Programmable Logical Controller)簡稱PC或PLC，是60年代末發(fā)明的工業(yè)控制器件，是美國數(shù)字公司(DEC )為美國通用公司(GM)研制開發(fā)并成功應用于汽車生產(chǎn)線上，可編程控制器自此誕生。PLC早期主要應用于工業(yè)控制，但隨著技術的發(fā)展，其應用領域正在不斷擴大。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，PLC軟硬件水平與規(guī)模也發(fā)生了質與量的變化，其控制技術也朝著智能化方向不斷發(fā)展，同時推動了先進制造技術的相應發(fā)展，現(xiàn)代PLC已經(jīng)成為真正的工業(yè)控制設備。 第三章 課題的硬件設計 3.1硬件介紹 （一）PLC的類型 PLC按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。 （二）輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致。 （三）CPU的構成 CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。 CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。 在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU速度和內存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 （四）I/O的分配 PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成 了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。 常用的I/O分類如下： 開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 （五）電源的選擇 根據(jù)PLC輸出端所帶的負載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及PLC輸出點動作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或品閘管輸出。不同的負載選用不同的輸出方式，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是很重要的。 電源模塊的選擇主要考慮電源輸出額定電流和電源輸入電壓.電源模塊的輸出額定電流必須大于CPU模塊、I/O模塊和其它特殊模塊等消耗電流的總和,同時還應考慮今后I/O模塊的擴展等因素;電源輸入電壓一般根據(jù)現(xiàn)場的實際需要而定。 直流輸入電源對于輸入電壓一般都是寬范圍:如5V為4.5-9V,12V為9-18V,24V為18-36V,48V為36-72V,110V為60-160V。 交流輸入電源一般為220VAC(176-264V)和三相三線(四線),并帶有PFC功率因數(shù)校正功能。 （六）存儲器的選擇 由于計算機集成芯片技術的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 經(jīng)濟性的考慮 選擇PLC時，應考慮性能價格比。考慮經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。 輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。 （七）PLC接地 良好的接地是PLC安全可靠運行的重要條件。為了抑制干擾，PLC一般最好單獨接地，與其它設備分別使用各自的接地裝置，PLC的接地線應盡量短，使接地點盡量靠近PLC。同時，接地電阻要小于100Ω，接地線的截面應大于２mm。 另外，PLC的CPU單元必須接地，若使用了I/O擴展單元等，則CPU單元應與它們具有共同的接地體，而且從任一單元的保護接地端到地的電阻都不能大于100Ω。 （八）底板或機架 大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。 3.2 硬件設計的原理 一般對于大型的硬件設計的主要思路如下: 一個大型的單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，要設計合適的接口電路。 系統(tǒng)的擴展和配置應遵循以下原則： 1、盡可能選擇典型電路，為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎。 2、系統(tǒng)擴展與外圍設備的配置水平應充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求。 3、硬件結構應結合程序設計方案一并考慮?？紤]的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結構。 4、系統(tǒng)中的相關元器件要盡可能做到性能匹配。 5、可靠性及抗干擾設計是硬件設計必不可少的一部分。 6、盡量減少外圍。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。因而在選擇器件上盡量的簡潔。 由于本次的畢業(yè)設計是一個單片機的小型系統(tǒng),所以對于上述需要注意的事項在這次設計中并不需要面面具到,我總結了一下,在這次設計中需要注意的問題有: 1) 注意硬件方案和軟件方案的結合. 2) 電路的抗干擾性能. 3) 對元器件的保護能力,要在電路中對電流敏感元器件進行限流控制。 硬件設計是本次設計的基礎，它的成功與否關系到本次畢業(yè)設計的成敗。首先我們依然是對系統(tǒng)進行分析，分析它有些什么功能，用什么樣的器件才能實現(xiàn)。 根據(jù)任務書的要求，分析出需要的功能有：具備時鐘功能、時間調節(jié)的調節(jié)、二極管(模擬路燈)的顯示功能、定時開燈關燈的時間調整功能、按鍵控制功能。 基于以上功能要求，我們決定使用AT89C51芯片，顯示器件選用數(shù)碼管（4個），通過電阻驅動，驅動數(shù)碼管的顯示。數(shù)碼管采用動態(tài)顯。 3.3 硬件設計的思路 通過硬件電路的分析，當開機后，經(jīng)過上電復位，時鐘顯示為17：59：50，這時可以調整時、分、秒按鈕進行精確調整到當前時間，進行正常走時。開機后系統(tǒng)內部自定義開路燈時間為18：00：00，關路燈時間為6：00：00，如果不做調整的話，時間就是下午六點鐘開燈，早晨6點鐘關燈，但春、夏、秋、冬四季的晝夜并不相等，為了更好的節(jié)省資源（電力）。本設計中可以進行手動調整，根據(jù)四季的變化來調整開路燈和關路燈的時間，更有效的節(jié)省資源。本設計中另外的一大特點就是在夜晚12：00的時候，路燈會熄滅一半，這種設計也是為了節(jié)省資源，因為夜深人靜的時候，并不需要太多的路燈照明整個路面，只需要點點燈光就行。然后到早晨六點鐘或自己重新設定的時間的時候在關閉其它的路燈。本次設計中共用到了五個按鈕，和四個發(fā)光二極管，用來控制路燈和調整時間。按鈕上到下編號為①、②、③、④、⑤。①為進入調整開燈、關燈的時間按鈕，和為退出調整開燈和關燈的按鈕，只有通過它才能有效的退出定義開燈和關燈的調整狀態(tài)，②為調整加一小時的按鈕，③為調整減一小時的按鈕，④為調加一分鐘的按鈕，⑤為調整減一分鐘的按鈕。發(fā)光二極管從上至下的標號是①、②、③、④。①、③為路燈的左邊一排。②、④為路燈的右邊一排。 3.4 PLC類型的選擇 本課程設計選擇西門子S7-200系列型號PLC。有設計題目要求可知共有一個輸入，十個輸出故選擇CPU型號為224。CPU224模塊共有24個I/O口（14/10），可帶7個擴展模塊，用戶程序存儲容量為4K,內置高速計數(shù)器，具有PID控制功能；有兩個高速脈沖輸出端和一個RS-485通訊口；具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由口協(xié)議的通訊能力。 3.5 顯示燈的選擇 LED數(shù)碼顯示器時常用的顯示器之一，我用的是單片機并口設計的LED數(shù)碼顯示電路。LED有著顯示亮度高、響應速度快的特點，最常用的是七段式LED顯示器，又稱數(shù)碼管。七段式LED顯示器內部由7個條形發(fā)光二極管和1個小圓點發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗組合成字符。 從各發(fā)光段電極連接方式分有共陽極和共陰極兩種。 所謂共陽方式是指筆畫顯示器各段發(fā)光管的陽極（即P區(qū)）是公共的，而陰極互相隔離。 所謂共陰方式是筆畫顯示器各段發(fā)光管的陰極（即N區(qū)）是公共的，而陽極是互相隔離的。 顯示方式的論證： 方案一：靜態(tài)顯示方式，就是把共陰極或共陽極的公共端（位選端）連接在一起接地或接5V電源，形成位控端；每一位的段選線（a～dp）作為段控端。 方案二：動態(tài)顯示方式，是單片機應用系統(tǒng)中最常用的顯示方式，把所有的顯示器的同名段選端選線相互并接在一起，由同一個8位并行輸出口控制；而各顯示器的位選線則分別由不同輸出口線控制端。這樣各顯示位不能同時顯示不同的數(shù)字或字符。因此要選擇掃描的方法，即從左到右（或從右到左）依次輪流使每位顯示器顯示數(shù)字或字符并保留一段時間（通常位1ms），由于LED的余輝特性以及人眼視覺的惰性，盡管各位顯示器實際上使分時斷續(xù)地顯示，但只要適當選取掃描頻率，給人眼的視察印象就會是在連續(xù)地顯示，而察覺不到閃爍現(xiàn)象。 相對與靜態(tài)顯示動態(tài)顯示方式雖然占用的CPU空間較多，但使用的硬件少，所占用的端口也較靜態(tài)顯示方式少，可以大大的節(jié)約系統(tǒng)的端口資源，所以根據(jù)我設計中沒有擴展端口，端口資源比較緊張，因此我才用的是動態(tài)顯示，能節(jié)約線路板空間，而且效果也不亞于靜態(tài)顯示。 3.6 LED的驅動和顯示 在電路設計的過程中，單片機的的P0.0-P0.7作為段選輸出口，經(jīng)上拉電阻加到數(shù)碼管的A-G和DP上，P2.0-P2.5作為位選輸出口，經(jīng)電阻驅動分別加到數(shù)碼管的COM端。 LED的驅動問題是顯示設計中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。如果驅動能力差，顯示器高度就低；且驅動器長期在超負荷下運行很容易損壞。下面就簡單介紹選擇LED驅動器時應注意的問題。 顯示分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式，由于這兩種方式有本質的不同，因此在選擇LED驅動器時，一定要分清顯示方式。 如果是靜態(tài)顯示，則LED驅動器的選擇較為簡單，只要驅動器的驅動能力與顯示器的工作電流相匹配即可，而且只需要考慮段的驅動，因為，共陽極接+5V，而共陰極接地，所以位的驅動無須考慮。 動態(tài)顯示則不同，由于一位數(shù)據(jù)的表示是由段和位選信號共同配合完成的，因此必須同時考慮段與位的驅動能力和位的驅動能力，而且段的驅動能力決定位的驅動能力。段的驅動能力是由驅動能力決定位的驅動能力。段的驅動能力是由顯示器的亮度決定的，通過發(fā)光的二極管的電流較大，其亮度也就越多，對于靜態(tài)顯示器，當某位電量時，此位中點亮的段通過恒定的電流；而對于動態(tài)顯示器，此電流卻是以一定脈沖方式出現(xiàn)的，其峰值電流來考慮。我采用的是三個數(shù)碼管集成在一起的管子，這種管子的好處是在接線的時候比較簡單，三個COM端接位選接口，非常適合用于動態(tài)顯示。我們所采用的是動態(tài)顯示，雖然有閃爍感，占用的CPU空間較多，但使用的硬件少，能節(jié)約線路板空間。 3.7 印刷電路 印制電路板也稱為英文PCB。所謂印制電路板是指：在絕緣基板上，有選擇地加工安裝孔、連接導線和裝配焊接電子元器件的焊盤，以實現(xiàn)元器件間的電氣連接的組裝板。 硬制電路板的優(yōu)點： (1)印制電路板PCB優(yōu)點之一是可以實現(xiàn)電路中各個元器件間的電氣連接，代替復雜的布線，減少了傳統(tǒng)方式下的接線工作量，簡化了電子產(chǎn)品的裝配、焊接、調試工作。 (2)印制電路板PCB優(yōu)點二是縮小了整機體積，降低了產(chǎn)品成本，提高了電子設備的質量和可靠性。 (3)印制電路板PCB優(yōu)點三是具有良好的一致性，它可以采用標準化設計，有利于裝備生產(chǎn)的自動化和焊接的機械化，提高了生產(chǎn)率。 (4)印制電路板PCB優(yōu)點四裝備的部件有好的機械性能和電氣性能，使電子設備實現(xiàn)單元組合化，使整塊經(jīng)過裝配調試的印制電路板作為一個備件，便于整機產(chǎn)品的互換與維修。 第四章 課程軟件設計 4.1 輸入輸出點分配表 根據(jù)實驗要求，應有一個輸入控制變量，八個輸出變量。它們分別為控制啟停的變量I0.0，控制南北紅燈HL1、HL2的Q0.0,控制南北黃燈HL3、HL4的Q0.3，控制東西黃燈HL9、HL10 的Q0.4，東西綠燈HL11、HL12的Q0.5，控制南北車燈HL14的Q0.6 ，控制東西車燈HL13的Q0.7。得到I/O分配表如下所示： 輸入信號 啟動按鈕SB I0.0 輸入信號 南北紅燈 Q0.0 南北黃燈 Q0.1 南北綠燈 Q0.2 東西紅燈 Q0.3 東西黃燈 Q0.4 東西綠燈 Q0.5 東西車燈 Q0.7 南北車燈 Q0.6 3.2 輸入輸出點的分配 4.2 十字路口交通燈的接線圖 根據(jù)十字路口交通燈的實際連線，畫出如圖3.2所示的十字路口交通燈的接線圖； 3.3十字路口交通燈的接線圖 4.3 十字路口交通燈的控制時序圖 根據(jù)十字路口交通燈的控制關系畫出如圖3.3所示的時序圖； I0.0 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 10 20 30 40 50 60 t/s 正常時段的控制時序圖 高峰時段的控制時序圖 I0.0 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 10 20 30 40 50 60 70 t/s ON 圖3.3十字路口交通燈的控制時序圖 4.4十字路口梯形圖設計 根據(jù)控制要求可知這個控制過程