十字路口智能交通燈PLC控制系統設計

摘 要：交通燈系統通過對路況信息的采集和處理對路口的人和車進行控制，從而使交通系統越發的穩定，但是現在大多數的交通燈控制系統都不是很有效率，不夠人性化。甚至出現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輸系統效率不斷下降。本設計利用可編程控制器PLC進行程序設計，利用梯形圖程序控制各個路口交通燈的時序，并在V-Meca軟件中進行仿真。該設計的主要目的是對十字路口的各種交通狀況進行分別考慮，實現自動化控制，并且能夠根據實時的交通狀況智能化地選擇系統對應的控制狀態。如分別對東西和南北方向的車輛滯留數加以比較，滯留汽車較多的一方延長綠燈時間;對警車，救護車，消防車等特殊車輛實行緊急通行。本設計通過實驗來實現其中的一些功能，對紅綠燈進行初步的控制。

關鍵詞：交通燈，智能控制，仿真，PLC

交通方面的問題一直是任何一個國家社會和經濟發展中的必要問題。我國的現代化都市建設、都市發展、人口增長壓力等都將使這個問題越來越突出。交通是否快速便捷是判斷一個城市生活水準和發展前景的重要指標之一。目前，我國絕大多數城市正在建設地鐵或輕軌來減輕交通上的壓力。但是，建設地鐵和輕軌都需要很大的人力，物力和時間，這對中小型都市來說不夠現實。所以，改善并提高當前交通系統的效率已經是當務之急，其中提高交通燈運行系統的效率更是至關重要[3]。所以，我們需要尋找一種智能的交通燈控制系統，能夠依據車輛數目多少變化而自動變化的交通燈。

一.十字路口及車流量模型

在十字路口的各個方向埋入壓力傳感器，以南方為例，兩個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間（即綠燈時間加黃燈時間）結束時，打開PLC接受數據通道，每當車輛進入十字路口必先經過檢測器1和2，檢測器就會發生2個脈沖給PLC，然后記錄距離路口L米處車輛通行數m1和路口車輛通行數m2，在下一個通行時間到來之前關閉接受數據通道。這樣得到m1-m2的差值n1即為南方直行路口的滯留車輛數量。然后以同樣的方式計算出北方直行路口滯留車輛數量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量Ms。設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間延長5s，南北左轉方向的綠燈時間延長5s，東西方向紅燈時長加長5s。設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間加長5s，東西左轉方向的綠燈時間延長5s，南北方向紅燈時間延長5s。若-10=10，則為一般情況，紅綠燈正常閃亮。以上對車輛數目的計算，車輛數目的比較和信號燈的延時時長控制全都由PLC完成。各傳感器時刻檢測車流量，在一個信號燈周期內，在東西或南北方向紅燈結束之時，PLC都要根據脈沖計數來比較東西和南北車流量，然后根據上面簡述的智能控制原則和比較結果來調整綠燈延時時長。

二.傳感器的選擇

傳感器是本課題設計檢測環節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行車輛檢測。不同的環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。考慮到城市復雜的環境人為因素以及自然環境等情況，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。對于特殊車輛的檢測需要聲音檢測器。壓力傳感器是指能感受到壓力信號，然后按照一定的規律將壓力信號轉換為可用的輸出的電信號的器件或裝置，壓力傳感器通常由壓力敏感元器件和信號處理單元組成。壓力感應控制是設計較為重要的一點也是與普通交通信號控制的不同之處。其原理為：壓力傳感器實時檢測十字路口各個方向的車流量，每當有車輛通過時，壓力檢測器就會產生一個脈沖并發送給PLC，當路口為紅燈時，PLC就根據兩個壓力傳感器計數之差得到相應的等待車流量，如圖1-2。之后PLC根據設定的智能時長控制原則和各個方向車流量的大小，合理的調整相對應的紅綠燈延時時間，從而盡最大可能減少車輛的等候時間。聲音傳感器內置一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒，聲波使話筒內的駐極體薄膜產生震動，導致電容的變化從而產生與之對應變化的微小電壓，這一電壓隨后被轉化為0-5v的電壓，再經過A/D轉換被數據采集器接受然后傳送給計算機，聲音傳感器用來接收聲波，顯示聲音震動圖像。

三.智能交通燈及車輛急行控制方式

交通燈被啟動開關所控制，啟動開關閉合后，交通信號燈系統開始運行，停止開關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，然后綠燈繼續閃爍3s之后黃燈長亮2s，此時南北方向左轉紅燈亮了75s，接著南北直行紅燈亮夠20s，同時南北方向左轉綠燈長亮20s，閃爍3s之后黃燈亮2s。東西方向與之相對直行綠燈先亮20s，然后綠燈閃爍3s，閃爍之后黃燈亮2s，最后紅燈亮25s。此時東西方向左轉紅燈先亮了25s，接著左轉綠燈亮了20s，綠燈閃爍3s，之后黃燈長亮2s，最后東西直行紅燈和左轉紅燈亮50s。理論上設計是沒問題的，但是由于V-Meca仿真軟件限制，程序中各個方向直行和左轉的紅綠燈控制時間設為一致。如圖1- 1。

當某個方向擁堵時（假設南北方向擁堵），檢測傳感器就會檢測到信號，同時傳遞給PLC，PLC處理之后南北方向綠燈時間延長5s，東西方向紅燈時間延長5s，其余時間不變繼續循環。

特殊車輛急行交通燈是否打開，受急行開關SB4和SB5控制，無特殊車輛的時候交通燈按正常時序運行，有車輛急行時將急行開關接通，不管原來交通燈的狀態怎樣，先關閉原來的交通燈，關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為綠燈，車輛相對的方向交通燈一律變為紅燈。急行車輛經過后，將急行方式控制的交通燈斷開，恢復至原來正常的交通燈控制方式。特殊車輛急行信號優先響應某一方向的急行車輛，如果兩個方向一先一后出現急行車輛，則先響應先來的一方，然后再響應另一方。如果遇到非常稀少的情況，南北方向同時來車輛，則按先南北后東西的順序依此響應。

四.硬件設計

在V-Meca中只能畫簡單的圖形，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入該軟件中，需要注意的是該軟件不支持裝配體導入，所以需要把各個零部件依次導入。導入之后選定需要移動的零部件，在要素窗的坐標系中進行x、y、z方向的轉換和旋轉就可以達到裝配的效果。

目錄窗中有關于氣壓、油壓、電氣、自動化設備和其他的一些三位模型，如果需要添加一些標準配件，可以直接拖拽至3維視窗，然后根據坐標系進行調整和裝配。‘幫助示例不僅可以用來學習如何建立一個仿真系統，還可以作為‘庫使用，十一個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、機械臂可以直接在示例里面拷貝。這個功能有利有弊，好處是初學者可以快速上手，不會產生畏難情緒;初學者能夠盡可能快的搭建出一個自己需要的系統，盡快達到自己仿真的目的;除此之外的一個優點是，熟練之后可以自己建立適合自己方向的‘庫，為自己以后的設計大大的節省時間，從而把時間用在更有創新的地方。

五.軟件設計

如圖二，停止按鈕SB1需要控制整個系統的關閉，所以在2維視窗選擇一個常閉按鈕，在PLC程序中，常閉按鈕SB1對應的是常開接點X001，這樣PLC通電開關打開之后X001就一直處在得電的狀態下。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可以正常運轉程序，一旦斷開，X001就會瞬間失電，梯形圖后面所有的接點也會失電，這樣就達到了停止按鈕的效果。啟動按鈕SB0對應的是常開接點X000，X000是連接在接點X001之后，對它再添加一個內部接點，使它產生自鎖，它持續得電后根據梯形圖依次給以后的接點供電，這樣就達到了啟動按鈕的作用。

南北紅燈亮25s，想讓紅燈亮很簡單，讓一個內部接點得電并自鎖，然后相連到X010。如果要控制時間的話，可以用延時接合定時器來定時。延時接合定時器與一個內部接點相連，同時在紅燈的接線上添加一個剛才內部接點的常閉接點。使延時接合定時器與X010同時得電，得電的同時開始計時。延時接合定時器定時到25s時接合，并使內部接點得電后自鎖，此時，常閉的內部接點會斷開，紅燈熄滅，紅燈此時亮了25s。黃燈閃爍跟紅燈定時類似，讓黃燈定時亮1s然后滅1s，再定時亮一秒然后熄滅。所有的紅綠黃燈亮滅都是類似，不過他們之間要相互控制，達到各個燈依次亮滅的效果，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，跟正常情況下的系統除了綠燈時長沒有太大區別。實際情況下延時智能時長控制沒有這么簡單，但是為了簡化模擬設計成這樣。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，信號燈與東西方向正好相反。流程圖如下圖三

六.結 ?論

本設計將用V-Meca仿真軟件設計一個簡單的由PLC控制的交通燈系統。首先要熟悉這個仿真軟件，但是網上并沒有相關教程，在老師帶領入門之后，根據軟件自帶的示例進行自學。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維視窗設計好三維模型后，不僅能直觀的了解它，還能結合2維視窗讓它根據自己的想法運動;在2維視窗里添加相應的要素后，運用菜單欄的功能將要素與三維模型建立聯系，可以是實現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和各個要素后，通過相應的PLC程序就可以實現仿真的調試功能，從而最終達到自己期望的效果。本設計是控制十字路口的紅綠燈，先讓它們按照固有的規律進行閃爍，然后設置四個功能按鍵。一個是東西方向綠燈延時按鈕，用于解決東西方向車輛擁堵的問題，另一個自然就是南北方向綠燈延時按鈕。還有一個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。與之相對應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。在設計過程中，運用延時模塊和常開，常閉I/O口完成了上述要求，學到了PLC的優點簡潔，可靠。

理論上PLC內部有計數功能和比較功能，可以根據傳感器的脈沖計數來比較東西南北方向車流量，從而智能控制綠燈時長。控制方法也可以更加精細，不僅僅比較兩個方向滯留車輛數目的大小，還可以對滯留車輛數目進行比較后分檔。根據不同的檔位設置相對應的綠燈時長。

參考文獻：

[1] 杜紅艷.基于PLC的智能交通燈控制系統[J].自動化與儀器儀表.2014，2：60-62.

[2] 杜丹，陳德豪，楊靖.篇名[J].基于西門子PLC的交通燈控制系統設計.2018 10：35-38.

[3] 方貴盛，王云鳳，陳劍蘭.智能交通燈PLC控制實驗裝置研制[J].實驗室研究與探索.2012

[4] 李艷樂.基于PLC的智能交通燈控制系統設計[J].自動化應用.2018年，12：16-17.

作者簡介：

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