交通信号灯电气控制系统设计
日趋增加的交通量，道路供给滞后于城市交通机动化的发展，交通堵塞、交通事故时有发生，不能仅仅依靠提供道路设施的方法来解决。改善交通灯控制系统便是解决方法的途径之一。交通信号灯监控系统采用组态王6.53软件和西门子S7-300系列PLC设计，组态王作为上位监控平台，对交通灯系统的运行操作进行整体全面的监控，在监控平台对交通灯系统的数据库系统查询和管理，可以查看实时曲线、历史曲线等多个界面；PLC作为系统的作为下位机控制器，控制整个交通灯系统的数据采集和正常运行。本论文基于PLC电气控制系统对交通信号灯的控制设计过程。
目录
第一章 绪论 1
1.1交通信号灯的研究背景和意义 1
1.2交通信号灯的发展史 1
1.3交通信号灯电气控制的研究现状 2
第二章 控制方案的总体设计 3
2.1控制方案的比较 3
2.2控制方案的确定 4
2.3系统设计总体设计框图 5
第三章 控制系统的硬件设计 7
3.1可编程控制器的选型 7
3.1.1 PLC的定义 7
3.1.2 PLC的选型分析 7
3.2 PLC的硬件接线图 8
3.3传感器的选择 9
3.3.1地感车辆检测器的工作原理 9
3.3.2地感线圈信号的转换装置 10
3.3.2电感线圈的埋设 10
第四章 控制系统的软件设计 12
4.1交通信号灯电气控制系统设计总体流程图 12
4.2 I/O资源的分配和定义 15
4.3控制系统各部分PLC程序的开发 16
4.3.1自动控制程序的设计 16
4.3.2紧急程序设计 16
4.3.3流量检测程序设计 17
4.3.4故障异常程序设计 17
第五章 组态王的监控界面设计 19
5.1监控软件组态王的概述 19
5.2组态变量设计 20
5.3组态王监控界面的设计 20
5.3.1组态王主界面的设计 20
5.3.2高峰界面的设
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计 21
5.3.3紧急界面的设计 22
5.3.4实时曲线以及历史曲线的设计 22
第六章系统的运行与调试 24
6.1通信的设计与调试 24
6.1.1通信方式的选择 24
6.1.2 MPI的通信 24
6.2系统总体的调试与运行 25
6.2.1系统的总体调试 25
6.3模拟调试 29
总结 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1交通信号灯的研究背景和意义
基于世界范围内的机动化以及城市化进程的加快，城市交通已是为全球化的首要解决问题之一。城市交通提供的基础设施远远落后于高速机动化快速增长的需要，道路拥堵问题日趋严重，交通事故也频频发生。之前有些发展中的国家并没有从城市交通的发展、城市规划布局等方面汲取发达国家的教训与经验，反而重演着它们在高速机动化的发展中所犯的错误。目前大中小城市都已前瞻性的解决掉城市交通问题。
衡量城市是否拥有发展潜力的指标之一是一个城市的交通是否便捷。如何采用合理的控制方式，最大的限度改善城区与周边地区的交通拥堵状况，一直都是城市规划部门和交通运输管理部门亟待解决的问题之一。顺应世界道路的交通运输发展，交通管理部门正在探索将城市交通监控系统向智能化迈进。通过智能化必将有效的推动我国交通控制的快速发展。
1.2交通信号灯的发展史
早期的交通信号灯相当简单，仅仅是由红、绿两种颜色组成，绿色交通信号灯表示可以通行；红色交通信号灯表示不可以通行；交叉路口则是由人工负责操作，当哪条路上先有车通过时，人工负责亮绿灯并且指挥该车通过；对于相交的横向道路则亮红色交通信号灯，人工指挥来车暂停，等待绿灯才能通行，以这样的方式维持相冲突的车辆有序安全的通过交叉路口。
直到20世纪初，美国发明出现了红、黄、绿三种颜色交通灯，由于其便捷则这种交通灯被普遍的应用于各路口。伴随着机动化快速发展，尤其是十字路口，不同方向的车与车、车与人冲突日趋严重，则需要对车流以及人流采用更加严密的时间分离。为了满足机动化发展的需求，迫使信号配时技术不断发展，不断开发出新兴的时间分离；同时，如今也就出现了多种分离方法且多样性的现代信号灯。
如今，大多数城市的交通灯的控制系统采用固定的转换时间间隔控制方法，因为十字路口处于不同时刻的车流量也是不固定的，固定时间的控制方法的采用，经常导致道路瘫痪浪费有效时间。不依赖使用模糊控制方法去设计交通信号灯便可以解决这个问题。
1.3交通信号灯电气控制的研究现状
从硬件方面分析，交通信号灯的硬件设计方案逐渐趋同，水平也已成熟化，其主要要求集中在选材，安全性以及可靠性上。
从软件方面分析，交通信号灯的整体运行有赖于三个部分的协调运作：其一是前端信息采集系统，利用安装在每个路口的每一条车道上的车辆检测器去采集车辆到达路口信息，实现路口交通流量信息的自动采集，按一定间隔统计检测路口的交通流量、占有率和阻塞度，车速等信息，进行车流量的统计数量分析，系统监视分析，报警信息的分析等功能。这些数据既可以动态地显示在中心计算机的地图显示界面上，也可以通过网络以标准数据库文件或文本文件的形式传送到交通指挥中心的交通信息管理数据库中，以便做出相应的综合统计分析。
其二就是中央控制系统，通过对采集到交通信息分析以及处理，形成有效控制方案，实时准确地调整相位差以及周期时长等参数，使之与变化的交流相适应。同时与历史方案去比较，以此减少随机的误差，完成方案的生成和选择。
其三是安装在各个路口的控制器，负责监视设备故障，收集检测数据，把交通流和设备性能等数据传送到中心控制系统，接受中心下达的指令并按指令操作。信号机的软件设计核心主要集中在三个方面：一是控制技术，二是控制方法的选择，三是优化的方法。而这方面的水平的很大程度取决于选择中心的控制系统。
第二章 控制方案的总体设计
2.1控制方案的比较
一．基于单片机交通信号灯电气控制系统设计
采用单片机设计智能交通信号灯的控制系统，一般可以用单片机的输出信号直接控制交通信号灯状态的变化，并且通过接入LED数码管采用倒计时的方式来提醒行驶人有序通过交叉路口，更具备人性以及安全化。基于此基础之上，又设计了车流量的检测电路和违规检测电路来为单片机采集有效数据，单片机立刻对采集到数据进行有效处理，并及时调整控制系统。为了达到超越视觉的局限性，连接蜂鸣器，以此达到在听觉方面提高提醒的作用。根据本设计的控制系统具体功能，可以选用AT89C52或AT89C51单片机及外围电路器件构成控制系统，指示模块是由24个发光二极管分成四组红黄绿灯分布在四个方向构成信号灯；倒计时显示模块是由8个LED灯两两组成两位数显示模块；利用传感器采集交通流量数据，光敏传感器捕捉违反信号；采用一个蜂鸣器去负责报警；由若干个按键组成紧急以及模式按钮、时间设置。如图21所示。
目录
第一章 绪论 1
1.1交通信号灯的研究背景和意义 1
1.2交通信号灯的发展史 1
1.3交通信号灯电气控制的研究现状 2
第二章 控制方案的总体设计 3
2.1控制方案的比较 3
2.2控制方案的确定 4
2.3系统设计总体设计框图 5
第三章 控制系统的硬件设计 7
3.1可编程控制器的选型 7
3.1.1 PLC的定义 7
3.1.2 PLC的选型分析 7
3.2 PLC的硬件接线图 8
3.3传感器的选择 9
3.3.1地感车辆检测器的工作原理 9
3.3.2地感线圈信号的转换装置 10
3.3.2电感线圈的埋设 10
第四章 控制系统的软件设计 12
4.1交通信号灯电气控制系统设计总体流程图 12
4.2 I/O资源的分配和定义 15
4.3控制系统各部分PLC程序的开发 16
4.3.1自动控制程序的设计 16
4.3.2紧急程序设计 16
4.3.3流量检测程序设计 17
4.3.4故障异常程序设计 17
第五章 组态王的监控界面设计 19
5.1监控软件组态王的概述 19
5.2组态变量设计 20
5.3组态王监控界面的设计 20
5.3.1组态王主界面的设计 20
5.3.2高峰界面的设
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计 21
5.3.3紧急界面的设计 22
5.3.4实时曲线以及历史曲线的设计 22
第六章系统的运行与调试 24
6.1通信的设计与调试 24
6.1.1通信方式的选择 24
6.1.2 MPI的通信 24
6.2系统总体的调试与运行 25
6.2.1系统的总体调试 25
6.3模拟调试 29
总结 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1交通信号灯的研究背景和意义
基于世界范围内的机动化以及城市化进程的加快，城市交通已是为全球化的首要解决问题之一。城市交通提供的基础设施远远落后于高速机动化快速增长的需要，道路拥堵问题日趋严重，交通事故也频频发生。之前有些发展中的国家并没有从城市交通的发展、城市规划布局等方面汲取发达国家的教训与经验，反而重演着它们在高速机动化的发展中所犯的错误。目前大中小城市都已前瞻性的解决掉城市交通问题。
衡量城市是否拥有发展潜力的指标之一是一个城市的交通是否便捷。如何采用合理的控制方式，最大的限度改善城区与周边地区的交通拥堵状况，一直都是城市规划部门和交通运输管理部门亟待解决的问题之一。顺应世界道路的交通运输发展，交通管理部门正在探索将城市交通监控系统向智能化迈进。通过智能化必将有效的推动我国交通控制的快速发展。
1.2交通信号灯的发展史
早期的交通信号灯相当简单，仅仅是由红、绿两种颜色组成，绿色交通信号灯表示可以通行；红色交通信号灯表示不可以通行；交叉路口则是由人工负责操作，当哪条路上先有车通过时，人工负责亮绿灯并且指挥该车通过；对于相交的横向道路则亮红色交通信号灯，人工指挥来车暂停，等待绿灯才能通行，以这样的方式维持相冲突的车辆有序安全的通过交叉路口。
直到20世纪初，美国发明出现了红、黄、绿三种颜色交通灯，由于其便捷则这种交通灯被普遍的应用于各路口。伴随着机动化快速发展，尤其是十字路口，不同方向的车与车、车与人冲突日趋严重，则需要对车流以及人流采用更加严密的时间分离。为了满足机动化发展的需求，迫使信号配时技术不断发展，不断开发出新兴的时间分离；同时，如今也就出现了多种分离方法且多样性的现代信号灯。
如今，大多数城市的交通灯的控制系统采用固定的转换时间间隔控制方法，因为十字路口处于不同时刻的车流量也是不固定的，固定时间的控制方法的采用，经常导致道路瘫痪浪费有效时间。不依赖使用模糊控制方法去设计交通信号灯便可以解决这个问题。
1.3交通信号灯电气控制的研究现状
从硬件方面分析，交通信号灯的硬件设计方案逐渐趋同，水平也已成熟化，其主要要求集中在选材，安全性以及可靠性上。
从软件方面分析，交通信号灯的整体运行有赖于三个部分的协调运作：其一是前端信息采集系统，利用安装在每个路口的每一条车道上的车辆检测器去采集车辆到达路口信息，实现路口交通流量信息的自动采集，按一定间隔统计检测路口的交通流量、占有率和阻塞度，车速等信息，进行车流量的统计数量分析，系统监视分析，报警信息的分析等功能。这些数据既可以动态地显示在中心计算机的地图显示界面上，也可以通过网络以标准数据库文件或文本文件的形式传送到交通指挥中心的交通信息管理数据库中，以便做出相应的综合统计分析。
其二就是中央控制系统，通过对采集到交通信息分析以及处理，形成有效控制方案，实时准确地调整相位差以及周期时长等参数，使之与变化的交流相适应。同时与历史方案去比较，以此减少随机的误差，完成方案的生成和选择。
其三是安装在各个路口的控制器，负责监视设备故障，收集检测数据，把交通流和设备性能等数据传送到中心控制系统，接受中心下达的指令并按指令操作。信号机的软件设计核心主要集中在三个方面：一是控制技术，二是控制方法的选择，三是优化的方法。而这方面的水平的很大程度取决于选择中心的控制系统。
第二章 控制方案的总体设计
2.1控制方案的比较
一．基于单片机交通信号灯电气控制系统设计
采用单片机设计智能交通信号灯的控制系统，一般可以用单片机的输出信号直接控制交通信号灯状态的变化，并且通过接入LED数码管采用倒计时的方式来提醒行驶人有序通过交叉路口，更具备人性以及安全化。基于此基础之上，又设计了车流量的检测电路和违规检测电路来为单片机采集有效数据，单片机立刻对采集到数据进行有效处理，并及时调整控制系统。为了达到超越视觉的局限性，连接蜂鸣器，以此达到在听觉方面提高提醒的作用。根据本设计的控制系统具体功能，可以选用AT89C52或AT89C51单片机及外围电路器件构成控制系统，指示模块是由24个发光二极管分成四组红黄绿灯分布在四个方向构成信号灯；倒计时显示模块是由8个LED灯两两组成两位数显示模块；利用传感器采集交通流量数据，光敏传感器捕捉违反信号；采用一个蜂鸣器去负责报警；由若干个按键组成紧急以及模式按钮、时间设置。如图21所示。
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