引言

本文研究開發(fā)出一種基于PLC的交通信號(hào)燈智能控制實(shí)驗(yàn)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(dòng);倒計(jì)時(shí)顯示時(shí)間;手動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時(shí)間;能夠根據(jù)時(shí)間段調(diào)節(jié)紅綠燈點(diǎn)亮的時(shí)間等。另外本文采用了一種易于實(shí)現(xiàn)的基于車流比的周期自動(dòng)切換方法，使得在調(diào)節(jié)紅綠燈時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)無需進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，從而簡(jiǎn)化了PLC的程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

整個(gè)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(cè)元器件，紅綠燈和數(shù)碼管為主要控制對(duì)象，總體設(shè)計(jì)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(gè)工作周期內(nèi)道路的車流量，計(jì)算得到下一周期交通燈工作的最優(yōu)時(shí)間值，以此為依據(jù)，通過PLC控制方式自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時(shí)間，并能夠根據(jù)時(shí)間段調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時(shí)間。當(dāng)特種車輛（如救護(hù)車、消防車）到來時(shí)，還能夠自動(dòng)啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和系統(tǒng)狀態(tài)顯示，可以實(shí)現(xiàn)工作模式的切換，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的按鈕輸入，同時(shí)可以實(shí)時(shí)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(jì)

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&TImes;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(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)，東西和南北向車輛檢測(cè)傳感器4個(gè)，4個(gè)方向的聲音傳感器4個(gè)。由于南北向車輛檢測(cè)傳感器可以共用1個(gè)輸入點(diǎn)，東西向車輛檢測(cè)傳感器可以共用1個(gè)輸入點(diǎn)，4個(gè)方向的聲音傳感器可以共用1個(gè)輸入點(diǎn)，因此本系統(tǒng)總共需要輸入點(diǎn)7個(gè)。輸出部分需要控制信號(hào)燈和倒計(jì)時(shí)時(shí)間顯示，以及人行橫道燈等，其中信號(hào)燈需要6個(gè)輸出點(diǎn)，人行橫道燈可以與信號(hào)燈共用輸出點(diǎn)。由于只顯示1位倒計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，4個(gè)方向的倒計(jì)時(shí)顯示需要16個(gè)輸出點(diǎn)，因此整個(gè)系統(tǒng)需要22個(gè)輸出點(diǎn)。數(shù)碼管采用常規(guī)的2HS228021型號(hào)數(shù)碼管，用于倒計(jì)時(shí)顯示1位時(shí)間。聲音傳感器采用聲控開關(guān)代替。整個(gè)PLC控制系統(tǒng)硬件接線圖如圖2所示。

圖2PLC控制系統(tǒng)硬件接線圖

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能交通燈PLC控制實(shí)驗(yàn)裝置的軟件設(shè)計(jì)包括了2個(gè)部分：觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計(jì)和PLC控制程序設(shè)計(jì)。其中組態(tài)軟件設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)觸摸屏的操作畫面，便于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。而PLC控制程序主要實(shí)現(xiàn)交通燈的循環(huán)顯示功能與倒計(jì)時(shí)數(shù)碼顯示功能。

3．1、觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

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

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)畫面由信號(hào)燈、倒計(jì)時(shí)數(shù)碼顯示、車流檢測(cè)顯示、系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間及操作菜單等幾部分組成。通過點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單項(xiàng)，可分別進(jìn)入到“工作模式選擇窗口”和“系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置窗口”。在“工作模式選擇窗口”中提供了4個(gè)模式選擇按鈕，通過點(diǎn)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(dòng)設(shè)置東西綠燈和南北綠燈的點(diǎn)亮?xí)r間。在“系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置窗口”中可以手動(dòng)改變當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間，用于時(shí)間的校正。

圖3觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

3．2、PLC控制程序設(shè)計(jì)

3．2．1、主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先通過READ_RTC指令讀取PLC的時(shí)間，然后判斷當(dāng)前時(shí)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(dòng)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(cè)到有緊急車輛通過時(shí)，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(jì)時(shí)，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(dòng)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(jì)思路如圖4所示。

圖4主程序設(shè)計(jì)流程圖

3．2．2、智能工作模式

智能工作模式下程序設(shè)計(jì)思路描述如下：

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

（2）在一個(gè)車輛檢測(cè)周期內(nèi)，檢測(cè)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(chǔ)器中。其中MW1000為一個(gè)車輛檢測(cè)周期內(nèi)東西向的車流量，MW2000為一個(gè)車輛檢測(cè)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(shí)間，VW100為南北向綠燈亮的時(shí)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(gè)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(jì)算MW1000和MW2000的比值，放入存儲(chǔ)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(diǎn)亮的時(shí)間。設(shè)置情況如下：

（5）計(jì)算紅黃綠燈的循環(huán)點(diǎn)亮周期T1：T1=VW10+VW100+綠燈閃爍時(shí)間（此處設(shè)置為3s）+黃燈點(diǎn)亮的時(shí)間（此處設(shè)置為2s）

（6）在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，依次點(diǎn)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(shí)序圖

（7）在1個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，觸摸屏倒計(jì)時(shí)顯示2位綠燈點(diǎn)亮及閃爍的時(shí)間，而數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示最后9s鐘內(nèi)綠燈點(diǎn)亮及閃爍的時(shí)間。

3．2．3、常規(guī)工作模式

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

3．2．4、夜間工作模式

在20：00到6：00時(shí)間段，系統(tǒng)進(jìn)入夜間工作模式，此時(shí)2個(gè)方向的黃燈以1s周期進(jìn)行閃爍，提醒車輛注意，同時(shí)倒計(jì)時(shí)數(shù)碼顯示自動(dòng)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(cè)傳感器，檢測(cè)特種車輛的到來，如救護(hù)車、消防車、警車等。當(dāng)任何一個(gè)方向的聲音傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)即進(jìn)入緊急情況工作模式，此時(shí)2個(gè)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(shí)倒計(jì)時(shí)數(shù)碼顯示自動(dòng)停止工作。待緊急車輛通過時(shí)（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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)

利用本交通燈控制實(shí)驗(yàn)裝置，已經(jīng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有：

①常規(guī)紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);

②帶倒計(jì)時(shí)顯示的紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);

③基于觸摸屏的常規(guī)紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);

④基于觸摸屏的帶倒計(jì)時(shí)顯示的紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);

⑤帶車輛檢測(cè)的智能交通燈控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);

⑥有人行橫道燈指示的十字路口交通燈控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);

⑦人行橫道優(yōu)先的十字路口交通燈控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);

⑧帶系統(tǒng)時(shí)間顯示的夜間紅綠燈閃爍控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);

⑨特種車輛通過時(shí)交通燈控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);

⑩搶答器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)案例如表1所示。

表1基于此裝置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)示例

5、交通燈實(shí)驗(yàn)裝置與操作說明

本文研究開發(fā)的智能交通燈PLC實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。整個(gè)裝置以1塊有機(jī)玻璃為基底，其上按照真實(shí)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(hào)燈、4個(gè)數(shù)碼管、兩個(gè)車輛檢測(cè)傳感器、電源、PLC、觸摸屏等模塊。

圖6智能交通燈PLC控制實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

接通電源后，打開電源開關(guān)，此時(shí)觸摸屏顯示出主界面。通過手指點(diǎn)擊界面上的“菜單”項(xiàng)，彈出菜單窗口，在其中點(diǎn)擊“工作模式選擇”項(xiàng)，觸摸屏進(jìn)入到“工作模式選擇窗口”，在其中可點(diǎn)擊選擇各種工作模式（如“智能模式”），選擇完后點(diǎn)擊“返回”按鈕，系統(tǒng)返回到主界面。點(diǎn)擊主界面中的起動(dòng)按鈕，系統(tǒng)即進(jìn)入智能工作模式，此時(shí)車流傳感器處于工作狀態(tài)，當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，主界面上的2個(gè)車輛檢測(cè)數(shù)據(jù)值會(huì)顯示具體的數(shù)目。當(dāng)車輛檢測(cè)周期到時(shí)（初始設(shè)置為2min），2個(gè)方向的紅綠燈會(huì)隨著2個(gè)方向的車流量改變而改變。時(shí)間顯示部分，觸摸屏倒計(jì)時(shí)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(huì)按固定周期進(jìn)行循環(huán)工作。工作周期也可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)的數(shù)值輸入按鈕進(jìn)行調(diào)整。

6、結(jié)語(yǔ)

本文研究開發(fā)出1種新型的交通信號(hào)燈智能控制實(shí)驗(yàn)裝置。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：①采用了觸摸屏與檢測(cè)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制;②能夠根據(jù)每個(gè)方向的車流量自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈點(diǎn)亮的時(shí)間;能夠根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間自動(dòng)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(shí)的交通燈控制方式，方便學(xué)生自由設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可鍛煉學(xué)生觸摸屏、PLC、算法設(shè)計(jì)等多種編程能力。