十字路口智能交通燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：交通燈系統(tǒng)通過對(duì)路況信息的采集和處理對(duì)路口的人和車進(jìn)行控制，從而使交通系統(tǒng)越發(fā)的穩(wěn)定，但是現(xiàn)在大多數(shù)的交通燈控制系統(tǒng)都不是很有效率，不夠人性化。甚至出現(xiàn)十字路口車輛擁擠的一方紅燈常亮，車輛稀少的一方綠燈大開，這一類的情況使得交通運(yùn)輸系統(tǒng)效率不斷下降。本設(shè)計(jì)利用可編程控制器PLC進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，利用梯形圖程序控制各個(gè)路口交通燈的時(shí)序，并在V-Meca軟件中進(jìn)行仿真。該設(shè)計(jì)的主要目的是對(duì)十字路口的各種交通狀況進(jìn)行分別考慮，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，并且能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的交通狀況智能化地選擇系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的控制狀態(tài)。如分別對(duì)東西和南北方向的車輛滯留數(shù)加以比較，滯留汽車較多的一方延長(zhǎng)綠燈時(shí)間;對(duì)警車，救護(hù)車，消防車等特殊車輛實(shí)行緊急通行。本設(shè)計(jì)通過實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)其中的一些功能，對(duì)紅綠燈進(jìn)行初步的控制。

關(guān)鍵詞：交通燈，智能控制，仿真，PLC

交通方面的問題一直是任何一個(gè)國(guó)家社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的必要問題。我國(guó)的現(xiàn)代化都市建設(shè)、都市發(fā)展、人口增長(zhǎng)壓力等都將使這個(gè)問題越來越突出。交通是否快速便捷是判斷一個(gè)城市生活水準(zhǔn)和發(fā)展前景的重要指標(biāo)之一。目前，我國(guó)絕大多數(shù)城市正在建設(shè)地鐵或輕軌來減輕交通上的壓力。但是，建設(shè)地鐵和輕軌都需要很大的人力，物力和時(shí)間，這對(duì)中小型都市來說不夠現(xiàn)實(shí)。所以，改善并提高當(dāng)前交通系統(tǒng)的效率已經(jīng)是當(dāng)務(wù)之急，其中提高交通燈運(yùn)行系統(tǒng)的效率更是至關(guān)重要[3]。所以，我們需要尋找一種智能的交通燈控制系統(tǒng)，能夠依據(jù)車輛數(shù)目多少變化而自動(dòng)變化的交通燈。

一.十字路口及車流量模型

在十字路口的各個(gè)方向埋入壓力傳感器，以南方為例，兩個(gè)壓力傳感器分別放置在車道的十字路口和距離十字路口L米處。然后在該方向車道通行時(shí)間（即綠燈時(shí)間加黃燈時(shí)間）結(jié)束時(shí)，打開PLC接受數(shù)據(jù)通道，每當(dāng)車輛進(jìn)入十字路口必先經(jīng)過檢測(cè)器1和2，檢測(cè)器就會(huì)發(fā)生2個(gè)脈沖給PLC，然后記錄距離路口L米處車輛通行數(shù)m1和路口車輛通行數(shù)m2，在下一個(gè)通行時(shí)間到來之前關(guān)閉接受數(shù)據(jù)通道。這樣得到m1-m2的差值n1即為南方直行路口的滯留車輛數(shù)量。然后以同樣的方式計(jì)算出北方直行路口滯留車輛數(shù)量n2，比較n1和n2并取兩者最大值記為Mn。同理得出東西方向路口滯留車輛最大數(shù)量Ms。設(shè)Mn-Ms>10，那么南北方向擁堵，東西方向正常，南北直行方向的綠燈時(shí)間延長(zhǎng)5s，南北左轉(zhuǎn)方向的綠燈時(shí)間延長(zhǎng)5s，東西方向紅燈時(shí)長(zhǎng)加長(zhǎng)5s。設(shè)Mn-Ms<-10，那么東西方向擁堵，南北方向正常，東西直行方向的綠燈時(shí)間加長(zhǎng)5s，東西左轉(zhuǎn)方向的綠燈時(shí)間延長(zhǎng)5s，南北方向紅燈時(shí)間延長(zhǎng)5s。若-10=10，則為一般情況，紅綠燈正常閃亮。以上對(duì)車輛數(shù)目的計(jì)算，車輛數(shù)目的比較和信號(hào)燈的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)控制全都由PLC完成。各傳感器時(shí)刻檢測(cè)車流量，在一個(gè)信號(hào)燈周期內(nèi)，在東西或南北方向紅燈結(jié)束之時(shí)，PLC都要根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來比較東西和南北車流量，然后根據(jù)上面簡(jiǎn)述的智能控制原則和比較結(jié)果來調(diào)整綠燈延時(shí)時(shí)長(zhǎng)。

二.傳感器的選擇

傳感器是本課題設(shè)計(jì)檢測(cè)環(huán)節(jié)所用的主要元器件之一。壓力傳感器，光電傳感器，紅外線傳感器理論上都可以進(jìn)行車輛檢測(cè)。不同的環(huán)境需要選擇不同的傳感器，光電傳感器和紅外線傳感器都需要放置在路面上，容易受到干擾?？紤]到城市復(fù)雜的環(huán)境人為因素以及自然環(huán)境等情況，本課題選擇了放置于地面之下的壓力傳感器，一方面是不易受外界干擾，另一方面是不容易被損壞。對(duì)于特殊車輛的檢測(cè)需要聲音檢測(cè)器。壓力傳感器是指能感受到壓力信號(hào)，然后按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用的輸出的電信號(hào)的器件或裝置，壓力傳感器通常由壓力敏感元器件和信號(hào)處理單元組成。壓力感應(yīng)控制是設(shè)計(jì)較為重要的一點(diǎn)也是與普通交通信號(hào)控制的不同之處。其原理為：壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)十字路口各個(gè)方向的車流量，每當(dāng)有車輛通過時(shí)，壓力檢測(cè)器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖并發(fā)送給PLC，當(dāng)路口為紅燈時(shí)，PLC就根據(jù)兩個(gè)壓力傳感器計(jì)數(shù)之差得到相應(yīng)的等待車流量，如圖1-2。之后PLC根據(jù)設(shè)定的智能時(shí)長(zhǎng)控制原則和各個(gè)方向車流量的大小，合理的調(diào)整相對(duì)應(yīng)的紅綠燈延時(shí)時(shí)間，從而盡最大可能減少車輛的等候時(shí)間。聲音傳感器內(nèi)置一個(gè)對(duì)聲音敏感的電容式駐極體話筒，聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜產(chǎn)生震動(dòng)，導(dǎo)致電容的變化從而產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)變化的微小電壓，這一電壓隨后被轉(zhuǎn)化為0-5v的電壓，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換被數(shù)據(jù)采集器接受然后傳送給計(jì)算機(jī)，聲音傳感器用來接收聲波，顯示聲音震動(dòng)圖像。

三.智能交通燈及車輛急行控制方式

交通燈被啟動(dòng)開關(guān)所控制，啟動(dòng)開關(guān)閉合后，交通信號(hào)燈系統(tǒng)開始運(yùn)行，停止開關(guān)斷開后所有交通燈熄滅。一般情況下，控制要求如下

南北方向紅燈先亮20s，然后綠燈繼續(xù)閃爍3s之后黃燈長(zhǎng)亮2s，此時(shí)南北方向左轉(zhuǎn)紅燈亮了75s，接著南北直行紅燈亮夠20s，同時(shí)南北方向左轉(zhuǎn)綠燈長(zhǎng)亮20s，閃爍3s之后黃燈亮2s。東西方向與之相對(duì)直行綠燈先亮20s，然后綠燈閃爍3s，閃爍之后黃燈亮2s，最后紅燈亮25s。此時(shí)東西方向左轉(zhuǎn)紅燈先亮了25s，接著左轉(zhuǎn)綠燈亮了20s，綠燈閃爍3s，之后黃燈長(zhǎng)亮2s，最后東西直行紅燈和左轉(zhuǎn)紅燈亮50s。理論上設(shè)計(jì)是沒問題的，但是由于V-Meca仿真軟件限制，程序中各個(gè)方向直行和左轉(zhuǎn)的紅綠燈控制時(shí)間設(shè)為一致。如圖1- 1。

當(dāng)某個(gè)方向擁堵時(shí)（假設(shè)南北方向擁堵），檢測(cè)傳感器就會(huì)檢測(cè)到信號(hào)，同時(shí)傳遞給PLC，PLC處理之后南北方向綠燈時(shí)間延長(zhǎng)5s，東西方向紅燈時(shí)間延長(zhǎng)5s，其余時(shí)間不變繼續(xù)循環(huán)。

特殊車輛急行交通燈是否打開，受急行開關(guān)SB4和SB5控制，無特殊車輛的時(shí)候交通燈按正常時(shí)序運(yùn)行，有車輛急行時(shí)將急行開關(guān)接通，不管原來交通燈的狀態(tài)怎樣，先關(guān)閉原來的交通燈，關(guān)閉之后迅速按照急行的控制方式接通交通燈：急行車輛來的方向一律變?yōu)榫G燈，車輛相對(duì)的方向交通燈一律變?yōu)榧t燈。急行車輛經(jīng)過后，將急行方式控制的交通燈斷開，恢復(fù)至原來正常的交通燈控制方式。特殊車輛急行信號(hào)優(yōu)先響應(yīng)某一方向的急行車輛，如果兩個(gè)方向一先一后出現(xiàn)急行車輛，則先響應(yīng)先來的一方，然后再響應(yīng)另一方。如果遇到非常稀少的情況，南北方向同時(shí)來車輛，則按先南北后東西的順序依此響應(yīng)。

四.硬件設(shè)計(jì)

在V-Meca中只能畫簡(jiǎn)單的圖形，建立三維模型并不容易，但是該軟件支持輸入.STL格式的外部文件。因此可以在Solidworks中畫出自己想要的三維模型并導(dǎo)入該軟件中，需要注意的是該軟件不支持裝配體導(dǎo)入，所以需要把各個(gè)零部件依次導(dǎo)入。導(dǎo)入之后選定需要移動(dòng)的零部件，在要素窗的坐標(biāo)系中進(jìn)行x、y、z方向的轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)就可以達(dá)到裝配的效果。

目錄窗中有關(guān)于氣壓、油壓、電氣、自動(dòng)化設(shè)備和其他的一些三位模型，如果需要添加一些標(biāo)準(zhǔn)配件，可以直接拖拽至3維視窗，然后根據(jù)坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整和裝配?！畮椭纠粌H可以用來學(xué)習(xí)如何建立一個(gè)仿真系統(tǒng)，還可以作為‘庫(kù)使用，十一個(gè)示例幾乎包含了該軟件所有的功能。如果需要傳送帶、指示燈、機(jī)械臂可以直接在示例里面拷貝。這個(gè)功能有利有弊，好處是初學(xué)者可以快速上手，不會(huì)產(chǎn)生畏難情緒;初學(xué)者能夠盡可能快的搭建出一個(gè)自己需要的系統(tǒng)，盡快達(dá)到自己仿真的目的;除此之外的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，熟練之后可以自己建立適合自己方向的‘庫(kù)，為自己以后的設(shè)計(jì)大大的節(jié)省時(shí)間，從而把時(shí)間用在更有創(chuàng)新的地方。

五.軟件設(shè)計(jì)

如圖二，停止按鈕SB1需要控制整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)閉，所以在2維視窗選擇一個(gè)常閉按鈕，在PLC程序中，常閉按鈕SB1對(duì)應(yīng)的是常開接點(diǎn)X001，這樣PLC通電開關(guān)打開之后X001就一直處在得電的狀態(tài)下。而接下來所有的梯形圖都要連接在X001之后，如果停止按鈕閉合的話，PLC可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)程序，一旦斷開，X001就會(huì)瞬間失電，梯形圖后面所有的接點(diǎn)也會(huì)失電，這樣就達(dá)到了停止按鈕的效果。啟動(dòng)按鈕SB0對(duì)應(yīng)的是常開接點(diǎn)X000，X000是連接在接點(diǎn)X001之后，對(duì)它再添加一個(gè)內(nèi)部接點(diǎn)，使它產(chǎn)生自鎖，它持續(xù)得電后根據(jù)梯形圖依次給以后的接點(diǎn)供電，這樣就達(dá)到了啟動(dòng)按鈕的作用。

南北紅燈亮25s，想讓紅燈亮很簡(jiǎn)單，讓一個(gè)內(nèi)部接點(diǎn)得電并自鎖，然后相連到X010。如果要控制時(shí)間的話，可以用延時(shí)接合定時(shí)器來定時(shí)。延時(shí)接合定時(shí)器與一個(gè)內(nèi)部接點(diǎn)相連，同時(shí)在紅燈的接線上添加一個(gè)剛才內(nèi)部接點(diǎn)的常閉接點(diǎn)。使延時(shí)接合定時(shí)器與X010同時(shí)得電，得電的同時(shí)開始計(jì)時(shí)。延時(shí)接合定時(shí)器定時(shí)到25s時(shí)接合，并使內(nèi)部接點(diǎn)得電后自鎖，此時(shí)，常閉的內(nèi)部接點(diǎn)會(huì)斷開，紅燈熄滅，紅燈此時(shí)亮了25s。黃燈閃爍跟紅燈定時(shí)類似，讓黃燈定時(shí)亮1s然后滅1s，再定時(shí)亮一秒然后熄滅。所有的紅綠黃燈亮滅都是類似，不過他們之間要相互控制，達(dá)到各個(gè)燈依次亮滅的效果，到此就完成了正常情況下的紅綠燈控制。東西或南北延時(shí)按鈕接通之后，斷開正常情況下的的交通燈，啟用新的交通燈系統(tǒng)，跟正常情況下的系統(tǒng)除了綠燈時(shí)長(zhǎng)沒有太大區(qū)別。實(shí)際情況下延時(shí)智能時(shí)長(zhǎng)控制沒有這么簡(jiǎn)單，但是為了簡(jiǎn)化模擬設(shè)計(jì)成這樣。東西車輛急行按鈕接通后同樣斷開正常情況下的交通燈，轉(zhuǎn)為東西方向綠燈常亮15s，南北方向紅燈常亮15s，同理南北方向急行按鈕接通后，信號(hào)燈與東西方向正好相反。流程圖如下圖三

六.結(jié) ?論

本設(shè)計(jì)將用V-Meca仿真軟件設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的由PLC控制的交通燈系統(tǒng)。首先要熟悉這個(gè)仿真軟件，但是網(wǎng)上并沒有相關(guān)教程，在老師帶領(lǐng)入門之后，根據(jù)軟件自帶的示例進(jìn)行自學(xué)。慢慢的了解到V-Meca是集PLC，電路圖，三維圖于一體的仿真軟件。在3維視窗設(shè)計(jì)好三維模型后，不僅能直觀的了解它，還能結(jié)合2維視窗讓它根據(jù)自己的想法運(yùn)動(dòng);在2維視窗里添加相應(yīng)的要素后，運(yùn)用菜單欄的功能將要素與三維模型建立聯(lián)系，可以是實(shí)現(xiàn)控制三維模型的目的;而在2維視窗最重要的就是PLC，在連接好PLC和各個(gè)要素后，通過相應(yīng)的PLC程序就可以實(shí)現(xiàn)仿真的調(diào)試功能，從而最終達(dá)到自己期望的效果。本設(shè)計(jì)是控制十字路口的紅綠燈，先讓它們按照固有的規(guī)律進(jìn)行閃爍，然后設(shè)置四個(gè)功能按鍵。一個(gè)是東西方向綠燈延時(shí)按鈕，用于解決東西方向車輛擁堵的問題，另一個(gè)自然就是南北方向綠燈延時(shí)按鈕。還有一個(gè)是東西方向特殊車輛急行按鈕，用于特殊車輛緊急通過，不需要等紅燈。與之相對(duì)應(yīng)的是南北方向特殊車輛急行按鈕，用于南北方向車輛緊急通過。在設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用延時(shí)模塊和常開，常閉I/O口完成了上述要求，學(xué)到了PLC的優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)潔，可靠。

理論上PLC內(nèi)部有計(jì)數(shù)功能和比較功能，可以根據(jù)傳感器的脈沖計(jì)數(shù)來比較東西南北方向車流量，從而智能控制綠燈時(shí)長(zhǎng)。控制方法也可以更加精細(xì)，不僅僅比較兩個(gè)方向滯留車輛數(shù)目的大小，還可以對(duì)滯留車輛數(shù)目進(jìn)行比較后分檔。根據(jù)不同的檔位設(shè)置相對(duì)應(yīng)的綠燈時(shí)長(zhǎng)。

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作者簡(jiǎn)介：

張林強(qiáng)（1990-），男，河南駐馬店，助教，助理工程師，鄭州理工職業(yè)學(xué)院教師，主要研究方向：電氣工程和思想政治。