引言

本文研究開發(fā)出一種基于PLC的交通信號燈智能控制實驗裝置。該裝置不僅具備了一些常規(guī)的控制功能，如南北、東西紅黃綠燈循環(huán)啟動;倒計時顯示時間;手動調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時間;緊急情況下的紅綠燈控制等，還能夠根據(jù)主次干道車流量的大小自動調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時間;能夠根據(jù)時間段調(diào)節(jié)紅綠燈點亮的時間等。另外本文采用了一種易于實現(xiàn)的基于車流比的周期自動切換方法，使得在調(diào)節(jié)紅綠燈時間長度時無需進(jìn)行復(fù)雜計算，從而簡化了PLC的程序設(shè)計，設(shè)計的控制系統(tǒng)具有可靠性高、實時性好等特點。

1、系統(tǒng)設(shè)計思路

整個系統(tǒng)采用觸摸屏作為上位機(jī)，PLC為主要控制核心，光電開關(guān)與聲音傳感器為車輛檢測元器件，紅綠燈和數(shù)碼管為主要控制對象，總體設(shè)計思路如圖1所示。系統(tǒng)在智能工作模式下，能夠根據(jù)交通燈的每個工作周期內(nèi)道路的車流量，計算得到下一周期交通燈工作的最優(yōu)時間值，以此為依據(jù)，通過PLC控制方式自動調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時間，并能夠根據(jù)時間段調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時間。當(dāng)特種車輛（如救護(hù)車、消防車）到來時，還能夠自動啟動急車強(qiáng)通通行模式。圖中，觸摸屏作為一種智能控制設(shè)備，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和系統(tǒng)狀態(tài)顯示，可以實現(xiàn)工作模式的切換，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的按鈕輸入，同時可以實時監(jiān)控交通燈的工作狀態(tài)。

圖1 交通燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2、系統(tǒng)元器件選型與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置中上位機(jī)采用了eViewMT4300C觸摸屏。eViewMT4300C觸摸屏具有5．6“64KTFT彩色液晶顯示屏，提供了320×240像素的分辨率，具有多種通訊端口。由于其界面良好、功能多樣、控制靈活、編程方便、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在PLC選擇方面，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，需要模式選擇開關(guān)4個，東西和南北向車輛檢測傳感器4個，4個方向的聲音傳感器4個。由于南北向車輛檢測傳感器可以共用1個輸入點，東西向車輛檢測傳感器可以共用1個輸入點，4個方向的聲音傳感器可以共用1個輸入點，因此本系統(tǒng)總共需要輸入點7個。輸出部分需要控制信號燈和倒計時時間顯示，以及人行橫道燈等，其中信號燈需要6個輸出點，人行橫道燈可以與信號燈共用輸出點。由于只顯示1位倒計時數(shù)據(jù)，4個方向的倒計時顯示需要16個輸出點，因此整個系統(tǒng)需要22個輸出點。數(shù)碼管采用常規(guī)的2HS228021型號數(shù)碼管，用于倒計時顯示1位時間。聲音傳感器采用聲控開關(guān)代替。整個PLC控制系統(tǒng)硬件接線圖如圖2所示。

圖2 ?PLC控制系統(tǒng)硬件接線圖

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能交通燈PLC控制實驗裝置的軟件設(shè)計包括了2個部分：觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計和PLC控制程序設(shè)計。其中組態(tài)軟件設(shè)計主要設(shè)計觸摸屏的操作畫面，便于實現(xiàn)人機(jī)交互。而PLC控制程序主要實現(xiàn)交通燈的循環(huán)顯示功能與倒計時數(shù)碼顯示功能。

3．1、觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計

利用與eView觸摸屏相配套的EV5000組態(tài)軟件可以實現(xiàn)本裝置的觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計。

本系統(tǒng)設(shè)計的觸摸屏顯示畫面如圖3所示。系統(tǒng)主界面如圖3（a）所示。整個畫面由信號燈、倒計時數(shù)碼顯示、車流檢測顯示、系統(tǒng)當(dāng)前時間及操作菜單等幾部分組成。通過點擊相應(yīng)的菜單項，可分別進(jìn)入到“工作模式選擇窗口”和“系統(tǒng)時鐘設(shè)置窗口”。在“工作模式選擇窗口”中提供了4個模式選擇按鈕，通過點擊不同的按鈕系統(tǒng)可以進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。在“正常工作模式”下，可以通過手動設(shè)置東西綠燈和南北綠燈的點亮?xí)r間。在“系統(tǒng)時鐘設(shè)置窗口”中可以手動改變當(dāng)前的系統(tǒng)時間，用于時間的校正。

?

圖3 ?觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計

3．2、PLC控制程序設(shè)計

3．2．1、主程序設(shè)計

系統(tǒng)首先通過READ_RTC指令讀取PLC的時間，然后判斷當(dāng)前時間是否處在白天段還是夜晚段。如果處在白天段則系統(tǒng)自動進(jìn)入智能工作模式;如何處在夜晚段則進(jìn)入夜間工作模式。在智能工作模式或夜間工作模式期間，如果聲音傳感器檢測到有緊急車輛通過時，則系統(tǒng)暫停原先的工作模式，快速進(jìn)入到緊急情況工作模式，并開始計時，15s后待車輛通過，則系統(tǒng)回到原先的工作模式繼續(xù)工作。在任何一種工作模式下，均可通過觸摸屏來手動修改工作模式，進(jìn)入相應(yīng)的處理環(huán)節(jié)。主程序設(shè)計思路如圖4所示。

圖4 ?主程序設(shè)計流程圖

3．2．2、智能工作模式

智能工作模式下程序設(shè)計思路描述如下：

（1）設(shè)置車輛檢測周期T0，周期可通過觸摸屏進(jìn)行手動調(diào)節(jié);

（2）在一個車輛檢測周期內(nèi)，檢測東西向和南北向的車流量，分別放入MW1000和MW2000數(shù)據(jù)變量存儲器中。其中MW1000為一個車輛檢測周期內(nèi)東西向的車流量，MW2000為一個車輛檢測周期內(nèi)南北向的車流量。

（3）如果僅南北向的車流量MW2000為0，則設(shè)置VW10為35s，VW100為15s，其中VW10為東西向綠燈亮的時間，VW100為南北向綠燈亮的時間。如果僅東西向的車流量MW2000為0，則設(shè)置VW10為15s，VW100為35s。如果2個方向的車流量均為0，則設(shè)置VW10、VW100均為25s。

（4）如果MW1000和MW2000均不為零，則計算MW1000和MW2000的比值，放入存儲器MW1500中。并根據(jù)比值的大小設(shè)置東西向和南北向綠燈點亮的時間。設(shè)置情況如下：

（5）計算紅黃綠燈的循環(huán)點亮周期T1：T1=VW10+VW100+綠燈閃爍時間（此處設(shè)置為3s）+黃燈點亮的時間（此處設(shè)置為2s）

（6）在一個循環(huán)周期內(nèi)，依次點亮東西向和南北向的紅綠黃燈，周期如圖5所示。

圖5 ?循環(huán)周期設(shè)置時序圖

（7）在1個循環(huán)周期內(nèi)，觸摸屏倒計時顯示2位綠燈點亮及閃爍的時間，而數(shù)碼管倒計時顯示最后9s鐘內(nèi)綠燈點亮及閃爍的時間。

3．2．3、常規(guī)工作模式

常規(guī)工作模式的程序設(shè)計思路與智能工作模式相類似。只不過東西向綠燈點亮?xí)r間設(shè)定值VW10和南北向綠燈點亮?xí)r間設(shè)定值VW100由系統(tǒng)設(shè)定，同時可以通過觸摸屏手動修改。

3．2．4、夜間工作模式

在20：00到6：00時間段，系統(tǒng)進(jìn)入夜間工作模式，此時2個方向的黃燈以1s周期進(jìn)行閃爍，提醒車輛注意，同時倒計時數(shù)碼顯示自動停止工作。

3．2．5、緊急工作模式

緊急工作模式下，系統(tǒng)利用在每條道路上設(shè)置的聲音檢測傳感器，檢測特種車輛的到來，如救護(hù)車、消防車、警車等。當(dāng)任何一個方向的聲音傳感器檢測到信號時，系統(tǒng)即進(jìn)入緊急情況工作模式，此時2個方向的紅燈以1s周期進(jìn)行閃爍，提示有緊急車輛需要通過。同時倒計時數(shù)碼顯示自動停止工作。待緊急車輛通過時（此處設(shè)置為15s），系統(tǒng)退出緊急工作模式，回到原先的工作模式繼續(xù)工作。

4、基于此裝置的實驗項目開發(fā)

利用本交通燈控制實驗裝置，已經(jīng)開發(fā)實現(xiàn)的實驗項目主要有：

①常規(guī)紅綠燈循環(huán)點亮控制項目設(shè)計與實現(xiàn);

②帶倒計時顯示的紅綠燈循環(huán)點亮控制項目設(shè)計與實現(xiàn);

③基于觸摸屏的常規(guī)紅綠燈循環(huán)點亮控制項目設(shè)計與實現(xiàn);

④基于觸摸屏的帶倒計時顯示的紅綠燈循環(huán)點亮控制項目設(shè)計與實現(xiàn);

⑤帶車輛檢測的智能交通燈控制實驗項目設(shè)計與實現(xiàn);

⑥有人行橫道燈指示的十字路口交通燈控制項目設(shè)計與實現(xiàn);

⑦人行橫道優(yōu)先的十字路口交通燈控制項目設(shè)計與實現(xiàn);

⑧帶系統(tǒng)時間顯示的夜間紅綠燈閃爍控制項目設(shè)計與實現(xiàn);

⑨特種車輛通過時交通燈控制項目設(shè)計與實現(xiàn);

⑩搶答器實驗項目設(shè)計與實現(xiàn)。

實驗項目開發(fā)案例如表1所示。

表1基于此裝置的實驗項目開發(fā)示例

5、交通燈實驗裝置與操作說明

本文研究開發(fā)的智能交通燈PLC實驗裝置如圖6所示。整個裝置以1塊有機(jī)玻璃為基底，其上按照真實道路情況繪制交通通道與人行橫道，并安裝有28盞交通信號燈、4個數(shù)碼管、兩個車輛檢測傳感器、電源、PLC、觸摸屏等模塊。

?

圖6 ?智能交通燈PLC控制實驗裝置實物圖

接通電源后，打開電源開關(guān)，此時觸摸屏顯示出主界面。通過手指點擊界面上的“菜單”項，彈出菜單窗口，在其中點擊“工作模式選擇”項，觸摸屏進(jìn)入到“工作模式選擇窗口”，在其中可點擊選擇各種工作模式（如“智能模式”），選擇完后點擊“返回”按鈕，系統(tǒng)返回到主界面。點擊主界面中的起動按鈕，系統(tǒng)即進(jìn)入智能工作模式，此時車流傳感器處于工作狀態(tài)，當(dāng)有車輛經(jīng)過時，主界面上的2個車輛檢測數(shù)據(jù)值會顯示具體的數(shù)目。當(dāng)車輛檢測周期到時（初始設(shè)置為2min），2個方向的紅綠燈會隨著2個方向的車流量改變而改變。時間顯示部分，觸摸屏倒計時顯示的是2位數(shù)據(jù)，而交通燈處顯示的是1位數(shù)據(jù)。如果選擇的是“正常工作模式”，則紅綠燈會按固定周期進(jìn)行循環(huán)工作。工作周期也可以通過點擊相應(yīng)的數(shù)值輸入按鈕進(jìn)行調(diào)整。

6、結(jié)語

本文研究開發(fā)出1種新型的交通信號燈智能控制實驗裝置。主要創(chuàng)新點為：①采用了觸摸屏與檢測傳感技術(shù)來調(diào)整和監(jiān)控交通燈的運(yùn)行狀態(tài)，人機(jī)界面良好，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制;②能夠根據(jù)每個方向的車流量自動調(diào)節(jié)紅綠燈點亮的時間;能夠根據(jù)系統(tǒng)時間自動調(diào)節(jié)紅綠燈的工作模式;③該裝置采用開放式三維立體結(jié)構(gòu)，模擬真實的交通燈控制方式，方便學(xué)生自由設(shè)計實驗項目，可鍛煉學(xué)生觸摸屏、PLC、算法設(shè)計等多種編程能力。