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1、 毕业设计（论文）（成教）题 目： 交 通 灯 控 制 系 统 院 (系)： 机 电 工 程 学 院 专 业： 机 械 制 造 与 自 动 化 姓 名： 学 号： 指导教师： 二一二年三月十五日毕业设计（论文）任务书学生姓名学号专 业机 械 制 造 与 自 动 化院（系）机 械 与 电 子 工 程 学 院毕业设计（论文）题目交 通 灯 控 制 系 统任务与要求利用 PLC 对十字路口交通灯进行模拟控制，设计一个可以编程控制的交通灯控制系统。从而能够对真正的十字路口交通灯控制系统有更深入的了解的PLC为交通灯系统。适用十字路口等交通线路。要求达到基本功能，自动模式。要求设计出完整的设计方案。完成
2、时间段2011年12月15日至2012年3月15日 共13周指导教师单位重庆科创职业学院职称讲师院（系）审核意见毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字12月15日至12月25日选题12月26日至1月2日论文提纲写作1月3日至2月15日初稿写作2月15日至2月29日二稿写作3月1日至3月10日定稿并上交论文的电子文稿3月10日至3月15日做好论文评阅准备教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一2毕业设计(论文)中期检查记录表学生填写毕业设计(论文)题目: 交通灯控制系统学生姓名: 周科 学号：2009123005专业：机械
3、制造与自动化 指导教师姓名:邓文亮职称: 讲师检查教师填写毕业设计(论文)题目工作量饱满一般不够毕业设计(论文)题目难度大适中不够毕业设计(论文)题目涉及知识点丰富比较丰富较少毕业设计(论文)题目价值很有价值一般价值不大学生是否按计划进度独立完成工作任务学生毕业设计(论文)工作进度填写情况指导次数学生工作态度认真一般较差其他检查内容：存在问题及采取措施:检查教师签字: 年 月 日院（系）意见(加盖公章): 年 月 日摘 要本文是利用 PLC 对十字路口交通灯进行模拟控制，从而能够对真正的十字路口交通灯控制系统有更深入的了解。我们利用发光二级管来代替交通信号灯作为被控制对象，通过 24V 转换电
4、源为发光二极管供电。并且通过计算机软件编写程序，将编写好的程序写入到 PLC 中，通过 PLC 的16个输出信号控制相应的中间继电器的通断，进而通过中间继电器控制发光二极管的亮、灭和闪烁等状态。最后通过有效的布局将相应的器件安装到相应的地方，组成模拟的十字路口交通灯控制系统。通过对真正的十字路口交通灯控制系统的模拟，使我们比较深刻的认识了真正的十字路口交通灯控制系统的工作过程，知道了许多交通灯的相关知识。本控制系统可有效解决现有交通的道路拥挤、交通秩序混乱等问题。 关键词： 交通灯、PLC控制、中间继电器 AbstractThis is the use of PLC to simulate c
5、ontrol of traffic lights at the crossroads, so as to the true cross road traffic lights control system to have a better understanding of. We use led two tube instead of traffic lights as the controlled object, through the 24V switching power supply for light-emitting diode power supply. The computer
6、 software compilation process sequence, the prepared program is written to the PLC, through the PLC 16 output control signals corresponding to the intermediate relay, the intermediate relay control through the light emitting diode, immortal and twinkling state. Most through effective layout will be
7、a corresponding device installed into place, consisting of the crossroads traffic lights control system simulation. Through to the real crossroads traffic lights control system simulation, so that we deeply recognize the general real crossroads traffic lights control system work process, know a lot
8、of knowledge, knowledge of traffic lights. The control system can effectively solve the existing traffic congestion, traffic disorder problems. KEY WORD ：The traffic lights PLC controls The intermediate relay 目录第一章 绪论1第二章 总体设计思路、基本原理和框图2第一节 设计思路2第二节 基本原理2第三节 总体设计框图2第三章 交通灯自动控制电路硬件设计4第一节 单片机的结构4第二节 主
9、要元器件选择4第三节 设计显示部分4第四节 交通路口模型5第五节 总电路图5第六节 显示原理6第四章 交通灯自动控制电路软件设计8第一节 单片机中断系统基本结构8第二节 设计指标11第三节 系统结构框图11第四节 系统各功能模块12第五节 交通信号灯顺序工作流程图14第六节 状态译码器16第七节 状态译码电路组成如图17第五章 系统仿真18结论20致谢21参考文献222第一章 绪论 随着我国经济的飞速发展，城市人口越来越多，居民出行次数和机动车拥有 量不断增加，城市道路拥挤、车流量不均衡等问题日趋严重。人们经常会为道路 拥挤、交通秩序混乱、出行时间过长等城市交通问题倍感苦恼，例如：绿灯方向 几
10、乎没有什么车辆,而红灯方向却排着长队等候通过。因此提高城市路网的通行 能力、 实现道路交通的科学化管理迫在眉睫， 如何才能保持城市交通的安全便捷、 高效畅通和绿色环保，已成为政府政策规划的一个重点问题。作为一种交通规则的指示,交通灯它起着及其重要的作用。从最初的单车道到现在的四车道八车道等,交通指示的自动控制也越来越完善。它不再仅仅拥有交通指示的作用,还有其它特殊情况的处理,比如对闯红灯的肇事者进行的监督,紧急救护车的通过时保持道路畅通,等等都需要非常的处理,这也是对交通灯功能的新要求。而且,也从最初的只有红,黄,绿三种灯的指示到现在的倒计时电子显示,让人们从单一的信号判别到时间的准确明了有了
11、进一步认知。这都表明交通灯的研究还具有它实际的意义。 通过对十字路口交通灯控制系统的设计与制作， 使我们进一步巩固和加深了对所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识掌握。同时也培养自身综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，更使 我们受到了 PLC 系统开发的综合训练，从而能够使我们进行 PLC 系统设计和实施，并且掌握典型自动控制系统的工作原理和设计思路。更重要的是：通过对十 字路口交通灯系统的每个环节的实际制作，锻炼了自身的刻苦钻研、勇于探索、实事求是、善于与他人合作的工作作风，这为我们将来的上岗实习做好了充分的准备。 第二章 总体设计思路、基本原理和框图
12、 第一节 设计思路 交通灯的自动控制系统的主要功能包括:普通交通灯的显示,LED倒计时显示,突发事件的外部处理和交通路口的模拟。本设计的控制系统由以下电路模块组成: 振荡器和时钟电路:这部分电路主要由 80C51 单片机和一些电容,晶振组成。 设计控制部分:主要由 80C51 单片机的外部中断电路组成。设计显示部分:LED 数码显示部分。LED 数码显示部分由七段数码显示管组成。第二节 基本原理 主体电路:交通灯自动控制模块。这部分电路主要由 80C51 单片机的 I/O 端口，定时计数器，外部中断扩展等组成。本设计先是从普通三色灯的指示开始进行设计，用P1口作为输出。程序的初始化是东西南北方
13、向的红灯全亮。然后南北方向红灯亮,东西方向绿灯亮60 秒后东西方向黄灯闪亮5秒后南北方向绿灯亮,东西方向红灯亮。重复执行，倒计时用到定时器T0, 用P2口作为LED的显示。二位一体的LED重复执行60秒的倒计时。作为突发事件的处理,本设计主要用到外部中断 EX0。用一模拟开关作为中断信号。实际中可以接其它可以产生中断信号的信号源。第三节 总体设计框图 图 2-1 交通灯总体设计框图图 2-2 交通灯自动控制流程图第三章 交通灯自动控制电路硬件设计第一节 单片机的结构单片微机(Single-Chip Microcomputer)简称为单片机。它在一块芯片上集中成了中央处理单元 CPU,随机存储器
14、 RAM,只读存储器 ROM,定时/计数和多功能输入/输出 I/O 口,如并行口 I/O,串行口 I/O 和转换 A/D 等就其组成而言,一块单片机就是一台计算机。其典型结构如图所示。由于它具有体积小,功能强和价格便宜等优点,因而被广泛地应用于产品智能化和工业控制自动化上。第二节 主要元器件选择 一、开关管的选择:BUTTON 按钮 二、LED 发光二极管 LED-RED LED-YELLOW LDE-GREEN 发光二极管的主要技术参数有额定电压和额定工作电流。LED显示电路如图 3-1所示,图中限流电阻 Ri是限制线路电流的,阻值的大小由 I=U/R 计算得到。 例如发光二极管的额定电压2
15、V, 额定工作电流为20mA ,计算Ri = (5-2)/0.02=150。 三、二位一体数码管 7SEG-MPX2-CAT-RED（共阳数码管(红色) 四、PN4249:驱动三极管 五、AT89S51 系列单片机第三节 设计显示部分LED 数码显示部分.LED 数码显示部分由七段数码显示管组成。一发光二极管显示原理： 发光二极管是采用砷化镓,镓铝砷和磷化镓等材料制成,其内部结构为一个PN结,具有单向导电性。发光二极管在制作时,使用的材料不同,那么就可以发出不同颜色的光。第四节 交通路口模型 图3-1 交通路口模型第五节 总电路图总电路功能介绍：设计主要研究二车道的交通灯自动控制。本次设计的内
16、容包括四个方面，一是普通三色灯的指示；二是两位一体数码管的倒计时显示；三是对一此交通中的意外情况进行的处理。最后就是对交通灯的模拟设计。如图3-2所示。图 3-2 总电路图第六节 显示原理当定时器定时为 1 秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间 ，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值 ，重新进入循环。如图3-3所示。 图3-3 LED 与单片机连接电路 第四章 交通灯自动控制电路软件设计第一节 单片机中断系统基本结构中断是一项重要的计算机技术，是处理正常工作与紧急
17、状态的好办法，是实现人机实时交互的重要途径，在单片机应用系统中，中断技术得到了广泛应用。下面详细介绍单片机中断系统基本结构，与中断相关的特殊寄存器的设置及中断应用系统编程方法。 当 CPU 查询到系统有中断请求时，如果系统处于中断允许状态，CPU 将停止当前的工作，响应中断请求，转向中断服务，中断服务完成后,返回原程序继续执行当前任务, 这叫单片机中断。 8051 系列单片机中断系统结构如图4-1所示. 能让 CPU 产生中断的信号源叫中断源. 8051 单片机有 NT0,INT1,T0,T1,TI,RI 六个中断源,但只有 EX0,ET0,EX1,ET1, ES 五个向量,下面简要介绍六个中
18、断源。 图4-1单片机中断系统基本结构 INT0，INT1:外部中断源，由 P3.2 和 P3.2 引脚输入。具有低电平和脉冲两种触发方式，在每个机器周期的 S5P2 采样引脚信号，如有效则由硬件将它的中断请求标志 IE 置 1，请求中断。当 CPU 响应中断时,由硬件复位。T0,T1:定时/计数器中断，当定时/计数器产生溢出时，置位中断请求标志 TF 请 求中断处理。 RI,TI:串行中断，RI 是接收，TI 为发送。单片机串行口接收到一个字符后 RI置1，发送完一个字符 TI 置1。值得注意的是，RI，TI 在响应中断后，必须由用指令将其复位。中断响应CPU 在执行程序的过程中， 在每个机
19、器周期的 S5P2 对中断标志位按中断优先级进行查询，一旦查询到有中断请求，CPU 只要不在执行同级或高级的中断服务程序和当前指令(RETI 指令或访问 IE，IP 的指令除外)执行完毕两种情况，则响应中断。如果当前正在执行的指令是 RETI 或访问 IE，IP 的指令，则当前指令执行完毕后，CPU 才可响应中断。中断响应时间可以从中断信号被查询开始算起，中断响应时间在以下三种情况下, 响应时间还会更长:一、CPU 正在执行一个比要响应的中断源优先级相等或更高的中断源的中断服务程 8 序，此时须等到中断服务程序执行完毕才可中断响应。 二、 正在执行的当前指令不是在最后一个机器周期， 只有指令执
20、行完后才响应中断。 三、如果当前执行的是 RETI 或访问 IE，IP 的指令，则当前指令执行完毕后，CPU 需再执行一条指令才可以中断响应，因此附加等待响应时间不会超过 5 个机器周期。 中断入口 单片机响应中断后，将转向特定的入口进行中断服务，单片机的中断入口地址如表4-2所示。 表 4-2 MCS-51 单片机中断服务程序入口地址表中 断 源入口地址IE0(外部中断 0)0003HTF0(定时器 0 溢出中断) 000BH IE1(外部中断 1) 0013H TF1(定时器 1 溢出中断)001BH RI+TI(串行口中断)0023H 从表中可以看出，两相邻中断源的入口地址间隔为 8 个
21、单元。这意味着如果要把中断源对应的中断服务程序从入口地址开始存放，则程序的长度不能超过 8 个字节，否则会影响到下一个中断源的入口地址的使用。而通常的情况下，中断服务程序的长度不止 8 个字节，因此，常见的处理方法是:在入口地址处存放一条无条件转移指令，通过这条转移指令转向对应的中断服务程序入口，中断服务程序以 RETI 为结束。中断请求的撤销 CPU 响应中断请求，在中断返回(RETI)之前，该中断请求应被撤除，否则会引发另一次中断。 定时/计数器中断请求撤销:CPU 在响应中断后，由硬件自动清除中断请求标志TF。 外部中断请求撤销:如果采用脉冲触发方式，CPU 在响应中断后，由硬件自动清除
22、:中断请求标志 IE；对于电平触发方式的外部中断请求，中断标志的撤销是自动的，由于造成中断请求的低电平继续存在，所以在响应中断后再次会产生中断请求，为此响应中断后要撤销外部信号。单片机有 INT0，INT1 两个外部中断源，INT0 对应单片机 P3.0，INT1 对应 P3.2。单片机的外部中断与特殊寄存器 IE。TCON，IP 有关。INT0 中断入口地址是 0003H，INT1 中断入口地址是 000BH，下面介绍单片机外部中断的设置与应用。 延时方法可以有两种一中是利用 MCS-51 内部定时器才生溢出中断来确定 1 秒的时间，另一种是采用软延时的方法。 定时器工作时必须给计数器送计数
23、器初值，这个值是送到 TH 和 TL 中的。我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为 C 和计数初值设定为 TC 可得到如下计算通式: TC=M-C 5 。第二节 设计指标（1）主、支干道交替通行，通行时间可在099内设定；（2）主、支干道黄灯亮的时间相同，均在099内设定；（3）主、支干道黄灯通行时间与黄灯亮的时间均同一计数器以秒为单位做减计数；（4）在减计数回0的瞬间，完成十字路口通行状态的转换；（5）计数器的状态由数码管显示，红、黄、绿信号灯由发光二极管模拟。 第三节 系统结构框图 译码、显示主道信号灯支道信号灯 减法计数器状态译码器红灯闪烁控制 置数控制状态控制器秒脉冲发生器图 4-
24、3 交通信号灯控制系统结构框图第四节 系统各功能模块状态控制器根据设计要求，交通灯顺序工作状态流程图如下图 4-4所示：主干道绿灯亮支干道红灯亮（40 进制计数器减1）主干道黄灯亮支干道红灯闪烁（5 进制计数器减1）我主干道黄灯亮 支干道红灯闪烁干道黄灯亮 支干道红灯闪烁主干道黄灯亮 支干道红灯闪烁主干道红灯亮支干道绿灯亮（40进制计数器减1）主干道红灯闪烁支干道黄灯亮（5进制计数器减1）40秒未到5秒未到40秒未到5秒未到 图 4-4 交通灯顺序工作状态流程图第五节 交通信号灯顺序工作流程图两方向车道的交通灯的运行状态共有4种，如图4-5所示 状态0支干道绿灯亮状态1支干道黄灯亮状态2主干道
25、绿灯亮状态3主干道黄灯亮图 4-5运行状态信号灯状态与车道运行状态如下：S0：支干道车道的绿灯亮，车道通行；主干道车道的红灯亮，车道禁止通行S1：支干道车道的黄灯亮，车道缓行；主干道车道的红灯亮，车道禁止通行S2：支干道车道的红灯亮，车道禁止通行；主干道车道的绿灯亮，车道通行S3：支干道车道的红灯亮，车道禁止通行；主干道车道的黄灯亮，车道通行其状态编码及状态转换图如图 4-6 所示：图 4-6 交通信号灯状态装换图显然，这是一个二位二进制计数器。在这里，我们采用中规模集成计数器 CD4029 作为中心元件构成状态控制器。电路如下图所示：图 4-7 交通灯状态控制器CD4029 可实现二进制/十
26、进制的可进位、可预置的加/减计数。它由 B/D 端控制二/十进制计数，当B/D 端为高电位（即为 1）时，为二进制计数；相反为十进制计数。由U/D 端控制其加/减计数，当此端为高电位（1）时，为加计数；反之，为减计数。由 PSE 端控制是否预置初始数，当此端为高电位时，为有预置数；为低电位时，不预置初始数。它的 CO 端的输出为借位输出，CI 端的输出为进位输出。第六节 状态译码器主、支干道上的红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见如下真值表。信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。状态控制器输出 主干道信号灯 支干道信号灯 Q1 Q2R（红）Y（黄）G（
27、绿）r(红)y(黄)G(绿)00001100010101001010000111100010 根据真值表，可求出交通信号灯逻辑函数表达式为：表4-8 交通信号灯逻辑函数表G=1：主干道车道绿灯亮Y=1：主干道车道黄灯亮R=1：主干道车道红灯亮g=1：支干道车道绿灯亮y=1：支干道车道黄灯亮r=1：支干道车道红灯亮在这里选择半导体发光二级管模拟交通灯，由于门电路的带灌电流能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出地电平时，点亮相应的发光二极管。第七节 状态译码电路组成如图图 4-9 交通灯状态译码电路由译码器真值表中看出，黄灯亮时Q1必为高电平；而红灯点亮信号与 Q1无关。现利用 Q1信号来控制
28、一个三态门电路 74LS245，当 Q1 为高电平时，将秒信号脉冲引入到驱动红灯的与非门的输入端，使红灯在黄灯亮其间闪烁；反之将其隔离。红灯信号不受黄灯信号的影响。第五章 系统仿真由交通灯自动控制程序一开始可以看到，四个红灯很快闪亮，然后就是相应的二极管点亮情况。紧接着就是数码管的六十秒倒计时显示，二极管的点亮到倒计时之间时间很短暂，所以视觉可以是同时发生的。同样按中断控制键看到不同的结果。仿真结果如图5-1、5-2、5-3所示。 图 5-1 交通灯运行仿真图 图 5-2 黄灯闪亮时的仿真图图 5-3 外部中断的响应仿真图结论这次毕业设计是一次对PLC知识综合运用的机会,在这十几天里,通过对本
29、论文专题的研究与学习,让我明白理论到实践之间的差距,以及自己在平时的学习中懒于动手的缺点。也从中深切体会到自己知识的零散性和不完备,同时也看到了自己的动手实践经验的过度缺乏和学以致用的差距, 将理论联系和实际联系起来解决实际的能力还急需提高。 这次毕业设计就我个人而言，在这十几天辛苦工作的日子里,有欢乐也有忧伤，而且这些感觉对我个人来说是一次不错的挑战的感觉, 让我在每一次的进步中得到收获，每次的欢笑不仅仅自己的一分的进步,也是对自己的肯定。在我的坚定下，这次的毕业论文的学习不仅仅是技能的知识,更重要的是那份努力中进步，在技能的提高中所获得的成就感.这也将对我后面的社会学习中有重要的指导作用。
30、还有这次设计使我学会如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己，克服各种困难和挫折。创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，从为祖国造福，做自己力所能及的，多做别人没想到的事，并将它实现出来。使之不断地战胜别人，超越前人。因为我坚信，有梦想就会有动力，为了梦想我会在前进中学习，在学习中探索。致谢本研究及论文是在邓老师的亲切关怀和细心指导下完成的。邓老师始终给予我们细心的指导和不懈的支持。邓老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远！在此谨向邓老师致以诚挚
31、的谢意和崇高的敬意！感谢邓老师的细心指导，和无微不至的关心！在写论文的时候，我遇到了很多的难题，都是在邓老师的帮助下，我才能迎刃而解，邓老师不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在邓老师的指导下完成的，在此，谨向邓老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，离不开老师、同学和朋友的关心和帮助，在此感谢你们的指导和帮助。参考文献1 张迎新，等.单片机初级教程M。北京:北京航空航天大学出版社，2000。 2 王幸之，等.AT89 系列单片机原理与接口技术M.北京:北京航空航天大学出版社，2004. 3 何立
32、民.单片机高级教程M.北京:北京航空航天大学出版社，2000.4 Atmel Corporation. Microcontroller Data Book.2004. 5 李维偍，郭强。 液晶显示应用技术M。北京:电子工业出版社，2000.12. 6 周力、 陈跃东、江明.城市智能交通信号控制系统设计J.自动化与仪器仪表，2006年6月7 潘永雄、沙河、刘向阳. 电子线路CAD实用教程J第二版. 西安电子科技大学出版社,2004年8 王成勇.智能交通灯控制系统J.广东技术师范学院学报,2006年4月9 谢自美. 电子线路综合设计M. 华中科技大学出版社,2006年10 王兆安、黄俊.电力电子技术M. 机械工业出版社,2002年11 余孟尝.数字电子技术基础简明教程M.第二版. 高等教育出版社, 1999年12 童诗白、华成英.模拟电子技术基础M.第三版.高等教育出版社,2000年13 阎石.数字电子技术基础M.第四版.高等教育出版社,1997年23