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1、 课程设计课程名称： PLC的原理与应用 题 目： 基于PLC的交通灯控制系统 系、专业： 电气自动化 目 录摘要3一、 系统总体方案设计31.1 系统设计任务要求31.2系统总框图41.3系统工作原理41.4 方案论证与比较41.4.1 PLC控制交通灯41.4.2 FPGA控制方式51.4.3 单片机8255扩展方式61.4.4单片机74LS164扩展方式6二、硬件设计 72.1 PLC简介72.2 红绿灯显示电路设计82.3 倒计时电路92.4报警提示电路9三、 软件设计103.1程序设计思想103.2系统程序流程图103.3 PLC梯形图编程优点11四、 系统调试与仿真11五、心得体会
2、12参考文献13附录1整机原理图14附录2本交通灯设计系统源程序14摘要：本文论述了基于PLC的交通灯模拟控制系统, 该系统根据实际公路交通灯情况进行东西和南北方向的切换控制，通过数码管显示和箭头指示来指挥车辆的轮流流通，采用高亮度数码管和发光二极管模拟交通灯的实际情况。该系统具有贴近生活、实用性强、操作简单、扩展性好等特点。关键词：PLC; 交通灯; 模拟控制一、系统总体方案设计1.1系统设计任务要求1.1.1任务 设计并制作一个能对东、西、南、北方向进行控制和显示的一个自动化交通灯系统。1.1.2要求（1）基本要求控制功能：能分别对东、西、南、北四个方向进行合理的控制，其中向右转要求能够一
3、直通行；显示功能：能实现显示当前倒数的时间。采用七段LED数码管来显示；报警功能：当其中某个方向的灯坏了或者某个线路有问题时，能够及时报警。（2）发挥部分能实时测定车辆的数量；能根据车辆的数量合理变更不同的通行方案；其他功能。1.2 系统总框图FX0N信号灯控制倒计时显示键盘报警输出图1.2.1 系统总方框图1.3 系统工作原理本系统采用FXON系列PLC作为主控器，设计的最小交通灯模拟系统。硬件方面：红绿灯指示、倒计时显示采用高亮度发光二极管和数码管。软件方面：使用PLC的普通I/O口进行数据传送，完成数码管送数和红绿灯箭头指示，实现模拟交通灯指挥系统。南北方向倒计时显示和红绿灯指示状态一致
4、，东西方向倒计时显示和红绿灯指示状态一致。因此可以用7个I/O口作为数码管送数。用6个I/0口作为红绿黄灯指示信号的传送，用一个普通I/O口输出一个CMOS逻辑电平点亮右行绿灯，使右行车辆一直可以通行；用一个普通I/O口作为报警信号输出提醒。1.4 方案论证与比较方案一：PLC控制交通灯此方案选用三菱FX0N系列PLC作为核心控制器。PLC可编程控制器核心是一台微型计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟
5、式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程;该控制系统由启动按钮、复位按钮、PLC控制器件、东西通道的灯指示与计时、南北通道的灯指示与计时、定时器组成。它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便。如图所示是PLC硬件系统结构框图输入电路电源ROMCPURAM输出电路编程器或外围设备图1.4.1 系统结构框图方案二：FPGA控制方式 此方案采用FPGA作为主控器，采用状态设计，每来一个时钟1Hz脉冲倒计时数码减一和箭头指示；用500HZ的时钟频率扫描数码管显示, 用12MHZ时钟分频成两个时钟频率。FPGA除了完成交通灯控制、存储和显示功能外，还可进行人机交互，实现定时器延时可调。交通灯控制系
6、统的原理框图如图1.5.2所示。它主要由箭头指示、倒计时显示、语音提示、FPGA控制器、键盘、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。状态转换过程：表1.4.1 状态转换过程状态直行灯（南北）左转灯（南北）直行灯（东西）左转灯（东西）有效状态时间红黄绿红黄绿红黄绿红黄绿S010010010000160S110010011000140S210010000100130S31001100110010S410000110000115
7、S51101100100015S600100110000145S70110111000015 图1.4.2交通灯控制系统的原理框图方案三：单片机8255扩展方式此方案采用MSC-51系列单片机ATSC51和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯指示；红绿灯循环点亮，倒计时显示（交通灯信号通过PA口输出，显示时间直接通过8255的PC口输出至双位数码管）；车辆闯红灯报警；绿灯时间可检测车流量并可能过双位数码管显示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。总体方框1.4.3下： 图1.4.3 总体方框图方案四：单片机
8、 74LS164扩展方式本设计采用MSC-51系列单片机AT89S51和串入并出移位寄存器74LS164作为主要控制器件。只需用普通I/O口模拟时钟和数据传送口即可对74LS164进行送数控制。根据实际交通灯控制系统本设计共需12个普通I/O口，留有大量I/O口来扩充其他创新设计和优化设计。方案比较：方案一该设计采用PLC控制器件作为系统的控制核心，模块化结构，编程简单，安装简单由于PLC可靠性高，抗干扰能力强，适应性好，功能完善，接中多样，程序简单。方案二该设计采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心，由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于能扩展进行功，特别是结合了ED
9、A，可以达到很高的效率，系统的多个部件如分频器电路，定时器电路，译码器电路等，都可以集成到一块芯片上，大大减小了系统的体积，并且提高了系统的稳定性，但硬件设计复杂成本较高，适合大型系统设计和实际应用系统设计。方案三该电路本设计采用MSC-51系列单片机ATSC51和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，单片机技术比较成熟，开发过程中可以利用的资源和工具丰富、价格便宜、成本低。但此方案占用硬件资源多、调试过程复杂。方案四采用单片机 74LS164扩展方式。此方案通用性强，硬件设计容易，编程简单，功能强大，也可日后扩展其他功能模块，但电路图过于复杂，设计难度大，调试过程复
10、杂。综合比较后，确定采用第一种方案设计。二、硬件设计2.1PLC的简介PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC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的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程. “PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能
11、通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”PLC引脚示意图如下： 图2.1.1 FXON引脚图2.2 红绿灯显示电路设计此显示电路为公共模块。由1位高亮度的共阴极数码管组成，所有段码位选都设计为高电平点亮；红绿灯指示由高亮度的发光二极管组成，电路设计成均压均流形式，以保证二极管发光亮度一样。如图所示是电路的原理图：图2.2.1 红绿灯显示电路2.3倒计时电路 图2.3.1 倒计时电路2.4报警提示电路 图2.4.1 报警电路三、 软件设计3.1程序设计思想本交通灯设计使用FX0N系
12、列的PLC作为主控器。采用梯形图作为编程语言，发挥梯形图的灵活性和模块化来优化设计。采用并行通信，使数据一位接一位地顺序传送，通信线路简单，特别适用远距离通信。本系统使用FX0N系列的PLC的普通I/O口进行数据传送，完成数码管送数和红绿黄灯指示，实现模拟交通灯指挥系统。南北方向倒计时显示和红绿灯指示状态一致，东西方向倒计时显示和红绿灯指示状态一致。东西南北方向红绿灯指示，所以红绿黄灯指示用6个I/O口传送数据，再用一个I/O口输出一个低电平点亮右行灯，让右行车辆一直通行。3.2系统程序流程图 开始初始化倒计时显示与红绿灯指示子程序按键处理子程序报警子程序红绿灯指示子程序倒计时显示子程序图3.
13、2.1 主程序流程图3.3 PLC梯形图编程优点PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成指令表后再去执行。四、 整机系统调试进行通电测试，看电源是否正常工作，主要测试点电压
14、电流是否正常，如不正常可分析具体电路和模块，一一排解直到工作电压正常；测试主要芯片电源引脚是否达到正常工作电压。确保成功完成硬件调试的整个过程后。进行软硬件调试，先分模块调试，然后整机调试。确保子程序模块正常的情况下，调试整机系统。PLC系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。本文结合作者在单片机开发过程中体会，讨论硬件调试的技巧。.五、心得体会通过此次的设计，我们学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在设
15、计的过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但此次设计，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。在设计的过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态。做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题。在学习工作中要学会与人合作，认真听取同组人员的意见，这样做起事
16、情来就可以事半功倍。在本次设计中，本组人员充分发挥团队精神，精密的合作让我们克服一个又一个困难与疑惑，三个人互相信任、互相配合、分工合作。在顺境时相互提醒保持冷静，逆境时相互鼓励共度难关，出现问题时不相互埋怨。这种团队精神不仅有利于本次设计的成功完全，对我们今后的人生路也有重大启示作用。总之，此次课程设计过程中，我们收获了很多，电子设计制作能力、应变能力、创新能力、学习能力等得到提高，心理素质得到锻炼，团队精神得到加强等等收益促进我们综合能力大大提高，因此，本次设计应是我们学电子生涯重大转折点，它为我们的这学期结尾画上了完美的句号。参考文献1 李全利等编著 单片机原理及应用技术（第2版）高等教育出版社2004.112 周立功等编著 单片机实验与实践. 北京航空航天大学出版社2004.83 林志琦等编著 基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真. 航空航天大学出版社.2006.94杨素行.模拟电子技术基础简明教程(第二版)M.北京:高等教育出版社,20055 俞国亮等编著.PLC原理与应用(三菱FX系列21世纪高职高专规划教材)/电气自动化应用电子技术系列清华大学出版社,2005.6潘松等编著.EDA技术实用教程（第二版）.科学出版社.2005附录1：整机原理图整机原理图15