PLC十字路口交通燈畢業(yè)設(shè)計(jì)

PLC十字路口交通燈畢業(yè)設(shè)計(jì),plc,十字路口,交通燈,畢業(yè)設(shè)計(jì) 湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017屆畢業(yè)生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 班 級(jí)： 機(jī)電14302 姓 名： 于宗洲 指導(dǎo)教師： 黃冬來(lái) d 2017年 5月 23日 目 錄 中文摘要，中文關(guān)鍵詞..............................................2 英文摘要，英文關(guān)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(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)分析.........................................6 1.4 交通燈的目的與內(nèi)容..........................................6 1.5 交通燈的發(fā)展趨勢(shì)............................................6 1.6 現(xiàn)在研究存在的問(wèn)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(shí)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(shù)現(xiàn)狀.....................................12 2.6 PLC的介紹及選型..............................................13 2.6.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)..........................................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(shè)計(jì).............................................17 3.1 硬件的介紹..................................................17 3.2 硬件設(shè)計(jì)原則................................................19 3.3 硬件設(shè)計(jì)思路................................................21 3.4 PLC類(lèi)型的選擇...............................................21 3.5 顯示燈的選擇................................................22 3.6 LED的驅(qū)動(dòng)和顯示.............................................22 3.7 印刷電路板.................................................23 第四章 課題的軟件設(shè)計(jì)..............................................24 4.1 輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)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(shí)序圖.................................27 第五章 系統(tǒng)的調(diào)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(diào)試步驟......................................35 5.3 調(diào)試過(guò)程遇到的問(wèn)題及解決方法................................35 結(jié)論...............................................................36 參考文獻(xiàn)...........................................................37 致謝詞.............................................................38 1 PLC十字路口交通燈的設(shè)計(jì) 摘 要 PLC作為一種工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī),它以其編程方便、 操作簡(jiǎn)單，尤其是它的可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)、通用性高，使用方便程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易學(xué)，易懂、 采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組合靈活方便、系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短、安裝簡(jiǎn)便，調(diào)試方便，維護(hù)工作量小。對(duì)生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強(qiáng)，可進(jìn)行柔性生產(chǎn),在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通越來(lái)越引起人們的關(guān)注。利用發(fā)光二級(jí)管來(lái)代替交通信號(hào)燈作為被控制對(duì)象，通過(guò)24V轉(zhuǎn)換電源為發(fā)光二極管供電。并且通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件編寫(xiě)程序，將編寫(xiě)好的程序?qū)懭氲絇LC中，通過(guò)PLC的16個(gè)輸出信號(hào)控制相應(yīng)的中間繼電器的通斷，進(jìn)而通過(guò)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(guò)有效的布局將相應(yīng)的器件安裝到相應(yīng)的地方，組成模擬的十字路口交通燈控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)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(rèn)識(shí)了真正的十字路口交通燈控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，知道了許多交通燈的相關(guān)知識(shí)。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(wèn)題。 【關(guān)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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問(wèn)題越來(lái)越引起們的關(guān)注。人、車(chē)、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門(mén)需要解決的重要問(wèn)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(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)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(jī)動(dòng)車(chē)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(fù)荷運(yùn)行的情況。然而，隨著交通量的快速增和缺乏對(duì)高速道路的系統(tǒng)研究和控制，沒(méi)有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，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(fèi)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?tīng)顩r，越來(lái)越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門(mén)亟待解決的主要問(wèn)題。 隨著交通越來(lái)越發(fā)達(dá)所出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多,路面狹窄,車(chē)輛擁擠。尤其是到了上下班的時(shí)候,許多車(chē)輛在路口浪費(fèi)了很多的時(shí)間,不僅給車(chē)主帶了很多的麻煩也給交通部門(mén)帶了不少麻煩。為了解決這些問(wèn)題,國(guó)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(wèn)題,政府對(duì)城市進(jìn)行了有規(guī)模的城市規(guī)劃和道路擴(kuò)建與維修。還有就是對(duì)交通燈進(jìn)行了研究和改善,調(diào)整交通燈的時(shí)間控制和變換頻率以及工作時(shí)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(jià)值。 第一章 課題意義與內(nèi)容 1.1 課題研究背景 隨著21世紀(jì)微機(jī)技術(shù)已經(jīng)并繼續(xù)在改變世界。以微機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的可編程控制器也正在改變著工廠自動(dòng)控制的面貌。近20年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)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(yàn)、使用極方便的巨大優(yōu)越性，迅速占領(lǐng)工業(yè)自控領(lǐng)域，成為工業(yè)自動(dòng)控制的首選產(chǎn)品與機(jī)器人、CAD/CAM并成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱。PLC交通燈的來(lái)源及現(xiàn)狀交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使得交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)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(shí)現(xiàn)城市交通道路的有效管理，力求交通管理先進(jìn)性、科學(xué)化政府花了很大精力對(duì)交通燈進(jìn)行研究和改善，利用 PLC 技術(shù)對(duì)交通燈進(jìn)行邏輯控制，此控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，能夠有效的疏導(dǎo)交通，調(diào)整交通燈的時(shí)間控制和變換頻率以及工作時(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，以及交通流理論的不斷發(fā)展完善，交通運(yùn)輸組織與優(yōu) 化理論、技術(shù)的不斷提高，國(guó)內(nèi)外逐步形成了一批高水平有實(shí)效的城市道路交通控制系統(tǒng)。 1.2 交通燈課題的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)分析 十字路口交通燈矛盾的日益突出，已開(kāi)始影響城市的發(fā)展，解決這個(gè)問(wèn)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(guó)外已經(jīng)有了多年的發(fā)展歷史，是目前發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用的交通管理方式，這種方式是在發(fā)達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，對(duì)所轄區(qū)域的交通流量實(shí)施有效控制，使有限的交通網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(jì)損失。在與世界發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)人均擁有量差距還很大的情況下，我國(guó)一些特大城市的交通擁堵已排在世界前列。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)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(diǎn)是共同的:智能交通系統(tǒng)是用各種高新技術(shù)，特別是電子信息技術(shù)提高交通效率，增加交通安全性和改善環(huán)境的技術(shù)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。日本、歐洲等眾多國(guó)家和地區(qū)在智能交通系統(tǒng)方面都取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，對(duì)當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸效率的提高起了關(guān)鍵性的作用。從各國(guó)的發(fā)展來(lái)看，智能交通系統(tǒng)能使交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮出最大的效能，提高服務(wù)質(zhì)量;同時(shí)使社會(huì)能夠高效地使用交通設(shè)施和能源，從而獲得巨大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。它不但有可能解決交通的擁堵，而且對(duì)交通安全、交通事故的處理與救援、客貨運(yùn)輸管理、道路收費(fèi)系統(tǒng)等方面都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。 1.3 十字路口交通燈的目的及內(nèi)容 在十字路口設(shè)置交通燈可以對(duì)交通進(jìn)行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強(qiáng)有力的保障。但是隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原先的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)循環(huán)運(yùn)行，工作規(guī)律按時(shí)序圖運(yùn)行（見(jiàn)附圖）綠燈閃爍時(shí)按0.5秒間隔運(yùn)行和提示警告方式運(yùn)行兩方式，通過(guò)傳感器與PLC完成對(duì)交通異常狀況（滯留或堵車(chē)）的判別及處理。 1.4 交通燈的發(fā)展趨勢(shì) 交通系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)就是要提高通行能力，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，開(kāi)展智能化運(yùn)輸和環(huán)保專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)的研究，并且要做到以人為本，重點(diǎn)開(kāi)展交通安全技術(shù)的研究，在這個(gè)過(guò)程中要確定經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)，促進(jìn)新材料的廣泛應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。 1.5 現(xiàn)在研究存在問(wèn)題及解決方法 俗話(huà)說(shuō)的好；“要想富，先修路”，如今的交通是否發(fā)達(dá)，關(guān)系著一個(gè)城市的發(fā)展速度。對(duì)于一個(gè)正在蓬勃發(fā)展的城市來(lái)說(shuō)，有著寬敞的馬路還是不夠的，交通信號(hào)燈的存在也不容忽視。 通過(guò)調(diào)查： 　司機(jī)：沒(méi)交通信號(hào)燈的地方多，路標(biāo)與交通信號(hào)燈不符。 　現(xiàn)場(chǎng)目擊：沒(méi)有信號(hào)燈、信號(hào)燈設(shè)置不合理導(dǎo)致路口混亂。 　交警部門(mén)：信號(hào)燈的設(shè)置要看交通流量以及考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)展。 城市交通系統(tǒng)是一種非線性的、時(shí)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(lái)，隨著眾多研究控制理論出身的學(xué)者的加盟，使得城市交通自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究出現(xiàn)了新的思路、新的方法。本小節(jié)就近年來(lái)交通信號(hào)控制理論的研究進(jìn)展作一簡(jiǎn)述。 (1)靜態(tài)多段配時(shí)控制 靜態(tài)多段配時(shí)控制是利用歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的一種開(kāi)環(huán)控制，其基本設(shè)計(jì)思想源于線性規(guī)劃。它沒(méi)有考慮交通需求的隨機(jī)波動(dòng)，沒(méi)有考慮城市道路交通流的實(shí)時(shí)進(jìn)化過(guò)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(dāng)程度的重復(fù)性，車(chē)流的運(yùn)動(dòng)變化仍有一定的規(guī)律可循。因此研究靜態(tài)多段配時(shí)控制，將其作為其他控制策略的“參照系”，或?yàn)樗鼈兲峁俺踔迪到y(tǒng)”還是很有意義的。這種方法簡(jiǎn)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(zhǔn)動(dòng)態(tài)多段配時(shí)控制 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)多段配時(shí)控制與靜態(tài)多段配時(shí)控制相類(lèi)似，只不過(guò)多段的劃分不是以時(shí)間為依據(jù)，而是以檢測(cè)到的實(shí)時(shí)交通狀態(tài)為依據(jù)。交通狀態(tài)可以用交通量、占有率、車(chē)速等交通數(shù)據(jù)的特征值來(lái)表達(dá)。被劃分成的若干個(gè)交通狀況分別配以不同的優(yōu)化配時(shí)。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)多段配時(shí)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(dòng)態(tài)性能比靜態(tài)多時(shí)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(dòng)態(tài)性能的改善又十分有限，故稱(chēng)之為準(zhǔn)動(dòng)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(hào)燈示意圖, 本系統(tǒng)的控制對(duì)象有八個(gè)，分別為東西方向紅燈兩個(gè)，南北方向紅燈兩個(gè)，東西方向黃燈兩個(gè)，南北方向黃燈兩個(gè)，東西方向綠燈兩個(gè)，南北方向綠燈兩個(gè)，東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個(gè)，南北方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個(gè)。本控制系統(tǒng)律分為高峰時(shí)段和正常時(shí)段進(jìn)行控制，晚上時(shí)段按提示敬告方式運(yùn)行，規(guī)律為：東、南、西、北四個(gè)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(fù)循環(huán)。 正常時(shí)段(8時(shí)~16時(shí)、18時(shí)~6時(shí))： 南北紅燈亮維持25秒，在南北紅燈亮的同時(shí)東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時(shí)，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅，在東西綠燈熄滅時(shí)，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時(shí)，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時(shí)，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(shí)南北黃燈亮，維持2秒后熄滅。這時(shí)南北紅燈又亮，東西綠燈又同時(shí)亮，如此周而復(fù)始。 高峰時(shí)段（6時(shí)~8時(shí)、16時(shí)~18時(shí)）： 南北紅燈亮維持25秒，在南北紅燈亮的同時(shí)東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時(shí)，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅，在東西綠燈熄滅時(shí)，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時(shí)，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時(shí)，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(shí)南北黃燈亮，維持2秒后熄滅。這時(shí)南北紅燈又亮，東西綠燈又同時(shí)亮，如此周而復(fù)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(hào)燈的示意圖 2.1.2 十字路口交通燈的實(shí)際接線圖 上圖是十字路口交通燈的實(shí)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(jiǎn)單的保護(hù)電器，串接于電路，當(dāng)電路發(fā)生短路或過(guò)負(fù)荷時(shí)，熔體熔斷自動(dòng)斷開(kāi)電路，保護(hù)其他電氣設(shè)備。 ② 型號(hào) 8A ③ 符號(hào) 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(hù)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(lái)傳遞信號(hào)或同時(shí)控制多個(gè)電路，也可直接用它來(lái)控制小容量電動(dòng)機(jī)或其他電氣執(zhí)行元件，它的結(jié)構(gòu)和交流接觸器基本相同，只是電磁系統(tǒng)小些，觸點(diǎn)多些。 ② 型號(hào) DC24V ③ 符號(hào) 線圈 常開(kāi)觸點(diǎn) 常閉觸點(diǎn) ④ 工作要求 中間繼電器實(shí)質(zhì)是一種電壓繼電器，觸點(diǎn)對(duì)數(shù)多，觸點(diǎn)容量較大(額定電流5—10A) ⑤ 優(yōu)點(diǎn) 體積小，動(dòng)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(hào)燈是交通安全產(chǎn)品中的一個(gè)類(lèi)別，是為了加強(qiáng)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(hào)控制機(jī)控制，指導(dǎo)車(chē)輛和行人安全有序地通行 交通信號(hào)燈的種類(lèi)有:機(jī)動(dòng)車(chē)道信號(hào)燈,人行橫道信號(hào)燈,非機(jī)動(dòng)車(chē)道信號(hào)燈,方號(hào)燈是交通信號(hào)指揮中的重要組成部分，是道路交通的基本語(yǔ)言。交通信號(hào)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(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈、非機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈、人行橫道信號(hào)燈、車(chē)道信號(hào)燈、方向指示信號(hào)燈、閃光警告信號(hào)燈、道路與鐵路平面交叉道口信號(hào)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(xiǎn)路段，指揮司機(jī)或行人交通，促進(jìn)交通暢通，避免交通事故和意外事故發(fā)生。向指示信號(hào)燈,移動(dòng)式交通信號(hào)燈,太陽(yáng)能閃光警告信號(hào)燈,收費(fèi)站天棚信號(hào)燈 紅綠燈的歷史其實(shí)并不復(fù)雜。從最初發(fā)明時(shí)的手牽皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)燈箱，到20世紀(jì)開(kāi)始的電氣控制，從采用計(jì)算機(jī)控制到電子監(jiān)控感應(yīng)，其發(fā)展不超過(guò)150年 1859年10月，英國(guó)一位紡紗工人想出一個(gè)用燈光顏色控制交通的辦法，他制造了一盞有活動(dòng)遮沿設(shè)備的油燈帶到倫敦，可惜這個(gè)發(fā)明并未引起政府重視，后來(lái)由于英國(guó)議會(huì)大廈前時(shí)常出現(xiàn)馬車(chē)撞人事故，人們才再次重拾這項(xiàng)發(fā)明 世界上第一盞正式投入使用的交通信號(hào)燈出現(xiàn)在1868年12月10日，這盞身高7米，由德·哈特設(shè)計(jì)的紅綠兩色煤氣燈出現(xiàn)在議會(huì)大廈前的十字路口。一位警察手持長(zhǎng)桿牽動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)換紅綠兩色：紅燈停，綠燈行。據(jù)說(shuō)，英國(guó)人之所以選擇這樣的顏色，是因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)的英國(guó)，婦女著紅裝代表已婚，綠裝代表未婚。可惜的是，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(hào)燈便在美國(guó)人的系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)中不斷進(jìn)出現(xiàn)，。這時(shí)的交通信號(hào)燈已從煤氣進(jìn)化為電氣，這與現(xiàn)代的交通信號(hào)燈已經(jīng)沒(méi)有多大的差距了，除了交通信號(hào)本身，美國(guó)人還完善了信號(hào)控制系統(tǒng)，1917年，美國(guó)鹽海市開(kāi)始使用聯(lián)動(dòng)式信號(hào)系統(tǒng)，他們吧六個(gè)交叉路口作為一個(gè)系統(tǒng)，以人工方式加以集中控制。美國(guó)還最早使用車(chē)輛感應(yīng)式控制器，20世紀(jì)30年代，他們已經(jīng)開(kāi)始根據(jù)檢測(cè)器測(cè)量的交通流量來(lái)調(diào)整綠燈時(shí)間的長(zhǎng)短，到了50年代，美國(guó)人已經(jīng)御用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)調(diào)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(hào)燈發(fā)展至今在燈光表示上已經(jīng)基本上能完全的適應(yīng)道路的狀況，燈信號(hào)是準(zhǔn)許通行信號(hào)。按《交通安全法實(shí)施條例》規(guī)定：綠燈亮 時(shí)，準(zhǔn)許車(chē)輛、行人通行，但轉(zhuǎn)彎的車(chē)輛不準(zhǔn)妨礙被放行的直行車(chē)輛和行人通行。紅燈信號(hào)是絕對(duì)禁止通行信號(hào)。紅燈亮?xí)r，禁止車(chē)輛通行。右轉(zhuǎn)彎車(chē)輛在不妨礙被放行的車(chē)輛和行人通行的情況下，可以通行。紅燈信號(hào)是帶有強(qiáng)制意義的禁行信號(hào)，遇此信號(hào)時(shí)，被禁行車(chē)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(jī)動(dòng)車(chē)等候放行時(shí)，不準(zhǔn)熄火，不準(zhǔn)開(kāi)車(chē)門(mén)，各種車(chē)輛駕駛員不準(zhǔn)離開(kāi)車(chē)輛；自行車(chē)左轉(zhuǎn)彎不準(zhǔn)推車(chē)從路口外邊繞行，直行不準(zhǔn)用右轉(zhuǎn)彎方法繞行。黃燈亮?xí)r，已越過(guò)停止線的車(chē)輛，可以繼續(xù)通行。黃燈信號(hào)的含義介于綠燈信號(hào)和紅燈信號(hào)之間，既有不準(zhǔn)通行的一面，又有準(zhǔn)許通行的一面。黃燈亮?xí)r，警告駕駛?cè)撕托腥送ㄐ袝r(shí)間已經(jīng)結(jié)束，馬上就要轉(zhuǎn)換為紅燈，應(yīng)將車(chē)停在停止線后面，行人也不要進(jìn)入人行橫道。但車(chē)輛如因距離過(guò)近不便停車(chē)而越過(guò)停止線時(shí)，可以繼續(xù)通行。已在人行橫道內(nèi)的行人要視來(lái)車(chē)情況， 或盡快通過(guò)，或原地不動(dòng)，或退回原處。為持續(xù)閃爍的黃燈，提示車(chē)輛、行人通行時(shí)注意瞭望，確認(rèn)安全后通過(guò)。這種燈沒(méi)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(hào)燈夜間停止使用后僅用其中的黃燈加上閃光，以提醒車(chē)輛、行人注意前方是交叉路口，要謹(jǐn)慎行駛，認(rèn)真觀望，安全通過(guò)。在閃光警告信號(hào)燈閃爍的路口，車(chē)輛、行人通行時(shí)，即要遵守確保安全的原則，同時(shí)還應(yīng)遵守沒(méi)有交通信號(hào)或交通標(biāo)志控制路口的通行規(guī)定。方向信號(hào)燈是指揮機(jī)動(dòng)車(chē)行駛方向的專(zhuān)用指示信號(hào)燈，通過(guò)不同的箭頭指向，表示機(jī)動(dòng)車(chē)直行、左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。它由紅色、黃色、綠色箭頭圖案組成。車(chē)道燈由綠色箭頭燈和紅色×形燈組成，設(shè)在可變車(chē)道上，只對(duì)本車(chē)道起作用。綠色箭頭燈亮?xí)r，準(zhǔn)許本車(chē)道車(chē)輛按指示方向通行；紅色叉形燈或者箭頭燈亮?xí)r，禁止本車(chē)道車(chē)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(gè)站立的人形象，在綠燈面上有一個(gè)行走的人形象。人行橫道燈設(shè)在人流較多的重要交叉路口的人行橫道兩端。燈頭面向車(chē)行道，與道路中心垂直。人行橫道燈信號(hào)有綠燈亮、紅燈亮兩種信號(hào)，其含義與路口信號(hào)燈信號(hào)的含義相似，即綠燈亮?xí)r ，準(zhǔn)許行人通過(guò)人行橫道；紅燈亮?xí)r，禁止行人進(jìn)入人行橫道，但是已經(jīng)進(jìn)入人行橫道的，可以繼續(xù)通過(guò)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(shù)現(xiàn)狀 隨著城市機(jī)動(dòng)車(chē)量的不斷增加，許多大城市出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)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(shè)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(zhǎng)和缺乏對(duì)高澎路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒(méi)有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，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(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道車(chē)流量繁忙的交通擁堵?tīng)顩r，越來(lái)越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門(mén)待解決的主要問(wèn)題。 2.6 PLC的介紹及選型 2.6.1 PLC的基本結(jié)構(gòu) 在種類(lèi)繁多的PLC中，其組成結(jié)構(gòu)和工作原理都基本相同。用PLC實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入/輸出轉(zhuǎn)換，并將這個(gè)轉(zhuǎn)換給予物理實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。PLC專(zhuān)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(yùn)算器和寄存器組成。它們都集成在一個(gè)芯片內(nèi)，CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元輸入/輸出接口電路相連接。與一般計(jì)算機(jī)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(jìn)行工作。用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲(chǔ)器中，當(dāng)PLC處于運(yùn)行方式時(shí)，CPU按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶(hù)程序。 CPU的主要任務(wù)如下： (1) 按PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器輸入用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)。 (2) 用掃描方式接收現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。 (4) 在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶(hù)，程序經(jīng)過(guò)命令解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去啟、閉有關(guān)控制電路，分時(shí)地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較、變換等動(dòng)作。完成用戶(hù)程序中規(guī)定的邏輯運(yùn)算或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更換有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸入映像寄存器的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等控制。 2.存儲(chǔ)器 PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶(hù)存儲(chǔ)器兩個(gè)部分。 (1) 系統(tǒng)存儲(chǔ)器 系統(tǒng)存儲(chǔ)器是指用來(lái)存放PLC的系統(tǒng)程序的存儲(chǔ)器。它由PLC生產(chǎn)廠家編寫(xiě)并固化在ROM內(nèi)，用戶(hù)不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。其主要內(nèi)容包括3個(gè)部分：系統(tǒng)管理程序、 用戶(hù)指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)試。 (2) 用戶(hù)存儲(chǔ)器 用戶(hù)存儲(chǔ)器由用戶(hù)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分組成，其主要任務(wù)作用是用來(lái)存放用戶(hù)針對(duì)具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語(yǔ)言編寫(xiě)的各種用戶(hù)程序。PLC使用的存儲(chǔ)器有3種類(lèi)型：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)和可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPRO)。 3. 輸入/輸出接口單元 PLC的輸入和輸出信號(hào)類(lèi)型可以是開(kāi)關(guān)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(gè)部分：一部分是與被控制設(shè)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(kuò)展接口和通信接口 PLC具有擴(kuò)展接口和通信接口的能力，其作用如下： (1) 擴(kuò)展接口的作用是將擴(kuò)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(mǎn)足不同控制的系統(tǒng)需求。 (2) 通信接口的作用是通過(guò)這些通信接口可以與監(jiān)視器打印機(jī)和其他的，PLC或計(jì)算機(jī)相連從而實(shí)現(xiàn)”人-機(jī)”或”機(jī)-機(jī)”之間的對(duì)話(huà)。 5. 電源部分 PLC一般使用220交流電源，內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源位PLC的中央處理器、存儲(chǔ)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(shè)備 編程設(shè)備的作用是供用戶(hù)進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。 7. 其他部件 有些PLC還可以有ERROM寫(xiě)入器、存儲(chǔ)器卡等其他外部設(shè)備，用于增強(qiáng)PLC的存儲(chǔ)容量和擴(kuò)展功能。 2.6.2 PLC的工作原理 PLC在程序運(yùn)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(gè)工作階段 當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為輸入采樣階段、用戶(hù)程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段三個(gè)階段完成。上述3個(gè)階段即為一個(gè)周期。在整個(gè)運(yùn)行期間PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)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(duì)應(yīng)的輸入元件映像寄存器。此時(shí)，輸入元件映像寄存器被刷新，接著進(jìn)入用戶(hù)程序執(zhí)行階段。在用戶(hù)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(wú)論輸入端子信號(hào)如何變化，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個(gè)掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新內(nèi)容重新寫(xiě)入。 （2) 用戶(hù)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(dāng)指令中涉及輸入/輸出時(shí)，PLC從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入的對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對(duì)應(yīng)輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果在存入元件映像寄存器中。對(duì)元件映像來(lái)說(shuō)，每一個(gè)元件的狀態(tài)會(huì)隨程序的執(zhí)行過(guò)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(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過(guò)一定方式輸出驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。對(duì)于小型PLC，I/O點(diǎn)數(shù)較少，用戶(hù)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(yīng)速度，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。 2. PLC對(duì)輸入/輸出的處理規(guī)則 PLC對(duì)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(diǎn)在上有個(gè)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(jiǎn)稱(chēng)PC或PLC，是60年代末發(fā)明的工業(yè)控制器件，是美國(guó)數(shù)字公司(DEC )為美國(guó)通用公司(GM)研制開(kāi)發(fā)并成功應(yīng)用于汽車(chē)生產(chǎn)線上，可編程控制器自此誕生。PLC早期主要應(yīng)用于工業(yè)控制，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC軟硬件水平與規(guī)模也發(fā)生了質(zhì)與量的變化，其控制技術(shù)也朝著智能化方向不斷發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)了先進(jìn)制造技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展，現(xiàn)代PLC已經(jīng)成為真正的工業(yè)控制設(shè)備。 第三章 課題的硬件設(shè)計(jì) 3.1硬件介紹 （一）PLC的類(lèi)型 PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類(lèi)，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類(lèi)；按CPU字長(zhǎng)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(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類(lèi)型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開(kāi)關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)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(yīng)用要求應(yīng)一致。 （三）CPU的構(gòu)成 CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶(hù)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(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。 CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。 在使用者看來(lái)，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)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(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU速度和內(nèi)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(guò)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(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開(kāi)關(guān)量輸入（DI），開(kāi)關(guān)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(lèi)如下： 開(kāi)關(guān)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(hào)類(lèi)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(diǎn)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(jī)架槽數(shù)限制。 （五）電源的選擇 根據(jù)PLC輸出端所帶的負(fù)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(diǎn)動(dòng)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(fù)載選用不同的輸出方式，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(shí)還應(yīng)考慮今后I/O模塊的擴(kuò)展等因素;電源輸入電壓一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要而定。 直流輸入電源對(duì)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(chǔ)器的選擇 由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲(chǔ)器容量，按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲(chǔ)器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。 經(jīng)濟(jì)性的考慮 選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比。考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿(mǎn)意的產(chǎn)品。 輸入輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)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(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增加對(duì)CPU選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。 （七）PLC接地 良好的接地是PLC安全可靠運(yùn)行的重要條件。為了抑制干擾，PLC一般最好單獨(dú)接地，與其它設(shè)備分別使用各自的接地裝置，PLC的接地線應(yīng)盡量短，使接地點(diǎn)盡量靠近PLC。同時(shí)，接地電阻要小于100Ω，接地線的截面應(yīng)大于２mm。 另外，PLC的CPU單元必須接地，若使用了I/O擴(kuò)展單元等，則CPU單元應(yīng)與它們具有共同的接地體，而且從任一單元的保護(hù)接地端到地的電阻都不能大于100Ω。 （八）底板或機(jī)架 大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問(wèn)底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。 3.2 硬件設(shè)計(jì)的原理 一般對(duì)于大型的硬件設(shè)計(jì)的主要思路如下: 一個(gè)大型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。 系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則： 1、盡可能選擇典型電路，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 2、系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求。 3、硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合程序設(shè)計(jì)方案一并考慮?？紤]的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。 4、系統(tǒng)中的相關(guān)元器件要盡可能做到性能匹配。 5、可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)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(qiáng)，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(jiǎn)潔。 由于本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)單片機(jī)的小型系統(tǒng),所以對(duì)于上述需要注意的事項(xiàng)在這次設(shè)計(jì)中并不需要面面具到,我總結(jié)了一下,在這次設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題有: 1) 注意硬件方案和軟件方案的結(jié)合. 2) 電路的抗干擾性能. 3) 對(duì)元器件的保護(hù)能力,要在電路中對(duì)電流敏感元器件進(jìn)行限流控制。 硬件設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它的成功與否關(guān)系到本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的成敗。首先我們依然是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，分析它有些什么功能，用什么樣的器件才能實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，分析出需要的功能有：具備時(shí)鐘功能、時(shí)間調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)、二極管(模擬路燈)的顯示功能、定時(shí)開(kāi)燈關(guān)燈的時(shí)間調(diào)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(gè)），通過(guò)電阻驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的顯示。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯。 3.3 硬件設(shè)計(jì)的思路 通過(guò)硬件電路的分析，當(dāng)開(kāi)機(jī)后，經(jīng)過(guò)上電復(fù)位，時(shí)鐘顯示為17：59：50，這時(shí)可以調(diào)整時(shí)、分、秒按鈕進(jìn)行精確調(diào)整到當(dāng)前時(shí)間，進(jìn)行正常走時(shí)。開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)內(nèi)部自定義開(kāi)路燈時(shí)間為18：00：00，關(guān)路燈時(shí)間為6：00：00，如果不做調(diào)整的話(huà)，時(shí)間就是下午六點(diǎn)鐘開(kāi)燈，早晨6點(diǎn)鐘關(guān)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(shè)計(jì)中可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，根據(jù)四季的變化來(lái)調(diào)整開(kāi)路燈和關(guān)路燈的時(shí)間，更有效的節(jié)省資源。本設(shè)計(jì)中另外的一大特點(diǎn)就是在夜晚12：00的時(shí)候，路燈會(huì)熄滅一半，這種設(shè)計(jì)也是為了節(jié)省資源，因?yàn)橐股钊遂o的時(shí)候，并不需要太多的路燈照明整個(gè)路面，只需要點(diǎn)點(diǎn)燈光就行。然后到早晨六點(diǎn)鐘或自己重新設(shè)定的時(shí)間的時(shí)候在關(guān)閉其它的路燈。本次設(shè)計(jì)中共用到了五個(gè)按鈕，和四個(gè)發(fā)光二極管，用來(lái)控制路燈和調(diào)整時(shí)間。按鈕上到下編號(hào)為①、②、③、④、⑤。①為進(jìn)入調(diào)整開(kāi)燈、關(guān)燈的時(shí)間按鈕，和為退出調(diào)整開(kāi)燈和關(guān)燈的按鈕，只有通過(guò)它才能有效的退出定義開(kāi)燈和關(guān)燈的調(diào)整狀態(tài)，②為調(diào)整加一小時(shí)的按鈕，③為調(diào)整減一小時(shí)的按鈕，④為調(diào)加一分鐘的按鈕，⑤為調(diào)整減一分鐘的按鈕。發(fā)光二極管從上至下的標(biāo)號(hào)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(lèi)型的選擇 本課程設(shè)計(jì)選擇西門(mén)子S7-200系列型號(hào)PLC。有設(shè)計(jì)題目要求可知共有一個(gè)輸入，十個(gè)輸出故選擇CPU型號(hào)為224。CPU224模塊共有24個(gè)I/O口（14/10），可帶7個(gè)擴(kuò)展模塊，用戶(hù)程序存儲(chǔ)容量為4K,內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器，具有PID控制功能；有兩個(gè)高速脈沖輸出端和一個(gè)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(shí)常用的顯示器之一，我用的是單片機(jī)并口設(shè)計(jì)的LED數(shù)碼顯示電路。LED有著顯示亮度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，最常用的是七段式LED顯示器，又稱(chēng)數(shù)碼管。七段式LED顯示器內(nèi)部由7個(gè)條形發(fā)光二極管和1個(gè)小圓點(diǎn)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(yáng)極和共陰極兩種。 所謂共陽(yáng)方式是指筆畫(huà)顯示器各段發(fā)光管的陽(yáng)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(huà)顯示器各段發(fā)光管的陰極（即N區(qū)）是公共的，而陽(yáng)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(yáng)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(dòng)態(tài)顯示方式，是單片機(jī)應(yīng)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(gè)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(shí)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(shí)間（通常位1ms），由于LED的余輝特性以及人眼視覺(jué)的惰性，盡管各位顯示器實(shí)際上使分時(shí)斷續(xù)地顯示，但只要適當(dāng)選取掃描頻率，給人眼的視察印象就會(huì)是在連續(xù)地顯示，而察覺(jué)不到閃爍現(xiàn)象。 相對(duì)與靜態(tài)顯示動(dòng)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(shè)計(jì)中沒(méi)有擴(kuò)展端口，端口資源比較緊張，因此我才用的是動(dòng)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(qū)動(dòng)和顯示 在電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，單片機(jī)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(qū)動(dòng)分別加到數(shù)碼管的COM端。 LED的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題是顯示設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。如果驅(qū)動(dòng)能力差，顯示器高度就低；且驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)期在超負(fù)荷下運(yùn)行很容易損壞。下面就簡(jiǎn)單介紹選擇LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。 顯示分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式，由于這兩種方式有本質(zhì)的不同，因此在選擇LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)，一定要分清顯示方式。 如果是靜態(tài)顯示，則LED驅(qū)動(dòng)器的選擇較為簡(jiǎn)單，只要驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)，因?yàn)?，共?yáng)極接+5V，而共陰極接地，所以位的驅(qū)動(dòng)無(wú)須考慮。 動(dòng)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(hào)共同配合完成的，因此必須同時(shí)考慮段與位的驅(qū)動(dòng)能力和位的驅(qū)動(dòng)能力，而且段的驅(qū)動(dòng)能力決定位的驅(qū)動(dòng)能力。段的驅(qū)動(dòng)能力是由驅(qū)動(dòng)能力決定位的驅(qū)動(dòng)能力。段的驅(qū)動(dòng)能力是由顯示器的亮度決定的，通過(guò)發(fā)光的二極管的電流較大，其亮度也就越多，對(duì)于靜態(tài)顯示器，當(dāng)某位電量時(shí)，此位中點(diǎn)亮的段通過(guò)恒定的電流；而對(duì)于動(dòng)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(lái)考慮。我采用的是三個(gè)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(shí)候比較簡(jiǎn)單，三個(gè)COM端接位選接口，非常適合用于動(dòng)態(tài)顯示。我們所采用的是動(dòng)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(chēng)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(dǎo)線和裝配焊接電子元器件的焊盤(pán)，以實(shí)現(xiàn)元器件間的電氣連接的組裝板。 硬制電路板的優(yōu)點(diǎn)： (1)印制電路板PCB優(yōu)點(diǎn)之一是可以實(shí)現(xiàn)電路中各個(gè)元器件間的電氣連接，代替復(fù)雜的布線，減少了傳統(tǒng)方式下的接線工作量，簡(jiǎn)化了電子產(chǎn)品的裝配、焊接、調(diào)試工作。 (2)印制電路板PCB優(yōu)點(diǎn)二是縮小了整機(jī)體積，降低了產(chǎn)品成本，提高了電子設(shè)備的質(zhì)量和可靠性。 (3)印制電路板PCB優(yōu)點(diǎn)三是具有良好的一致性，它可以采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，有利于裝備生產(chǎn)的自動(dòng)化和焊接的機(jī)械化，提高了生產(chǎn)率。 (4)印制電路板PCB優(yōu)點(diǎn)四裝備的部件有好的機(jī)械性能和電氣性能，使電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)單元組合化，使整塊經(jīng)過(guò)裝配調(diào)試的印制電路板作為一個(gè)備件，便于整機(jī)產(chǎn)品的互換與維修。 第四章 課程軟件設(shè)計(jì) 4.1 輸入輸出點(diǎn)分配表 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，應(yīng)有一個(gè)輸入控制變量，八個(gè)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(chē)燈HL14的Q0.6 ，控制東西車(chē)燈HL13的Q0.7。得到I/O分配表如下所示： 輸入信號(hào) 啟動(dòng)按鈕SB I0.0 輸入信號(hào) 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(chē)燈 Q0.7 南北車(chē)燈 Q0.6 3.2 輸入輸出點(diǎn)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(shí)際連線，畫(huà)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(shí)序圖 根據(jù)十字路口交通燈的控制關(guān)系畫(huà)出如圖3.3所示的時(shí)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(shí)段的控制時(shí)序圖 高峰時(shí)段的控制時(shí)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(shí)序圖 4.4十字路口梯形圖設(shè)計(jì) 根據(jù)控制要求可知這個(gè)控制過(guò)程