电气工程学院
课程设计说明书
设计题目：十字路口带倒计时显示交通信号灯控制系统系别：电气工程及其自动化系
年级专业：
学号：
学生姓名：
指导教师：
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：电气控制与PLC课程设计
基层教学单位：电气工程及自动化系指导教师：郭忠南等
燕山大学PLC课程设计报告书
摘要
本文采用三菱FX2N-MR80的可编程控制器，通过对交通信号灯控制时序要求的分析以及对PLC硬件电路及梯形图的设计，完成十字路口带倒计时显示交通信号等控制系统。
对于顺序控制，因为步进指令具有条理清楚、编程方便、直观、易于实现等特点，本文以三菱PLC指令系统的步进指令控制交通信号灯，并列出了步进梯形指令的状态转移图、梯形图以及指令表。
该系统可完成十字路口交通信号灯的启停、自动循环工作、手动东西交通信号灯常绿以及手动南北交通信号灯常绿，并用数码管显示交通灯显示剩余时间倒计时。
关键词： PLC 交通灯步进指令倒计时
目录
绪论 (1)
第一章PLC的特点及工作原理 (2)
1.1 PLC的定义与特点 (2)
1.2 PLC的结构 (3)
1.3 PLC的工作原理 (4)
1.4 PLC的应用 (4)
第二章十字路口带倒计时显示的交通信号灯控制 (5)
2.1 设计目的 (5)
2.2 控制要求 (5)
2.3 交通灯工作时序图 (6)
2.4 系统总体方案设计 (6)
2.5 PLC的选择 (7)
2.6 设计思路 (7)
2.7 流程图 (9)
2.8 状态转移图 (10)
2.9 步进梯形图 (11)
2.10 指令 (13)
第三章外部硬件实现 (18)
3.1 PLC的I/O端口分配表 (18)
3.2 电气设备明细表 (19)
3.3 PLC硬件接线图 (19)
3.4 参数设计 (20)
结论 (21)
心得体会 (21)
参考文献 (22)
致谢 (22)
绪论
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。
人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。
解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。
为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。
用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。
可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。
随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
交通信号灯的控制是一种自动循环执行的控制系统，红、绿灯的控制是以时间顺序为基础，然后按设定的程序点亮红灯、绿灯、黄灯。
像这种以时间为基础，各个状态层次比较分明的顺序控制系统，采用步进指令编程就比较方便，条理清楚，易于理解。
第一章PLC的特点及工作原理
1.1 PLC的定义与特点
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时，计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
可编程序的控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
可编程序控制器简称PLC，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
自1969年针对工业自动控制的特点和需要而丌发的第一台PLC 问世以来，迄今己30多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。
用户买到所需PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可灵活而方便地将PLC应用于生产实践。
而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有专门的计算机编程语言知识。
这样就破除了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。
可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。
PLC现已成为现代工业控制三大支柱(PLC、CAD／CAM、ROBOT)之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能，易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，同益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电一接触控制系统，在机械、化工、石油、冶会、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业德到广泛应用。
PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。
PLC是综合了继电器接触器控制的优点以及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展起来的，这就是PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强；
（2）通用性高，使用方便；
（3）程序设计简单，易学，易懂；
（4）采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；
（5）系统设计周期短；
（6）安装简便，调试方便，维护工作量小；
（7）对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产。
1.2 PLC 的结构
PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC 包括CPU 主板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC 包括CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合装配。
接受现场信号图1.2 PLC 的基本结构框图
1.3 PLC的工作原理
PLC在确定了工作任务，载入了专用控制程序后，成为一种专用的工业控制计算机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及用户程序执行都是循环扫描方式完成的。
循环扫描的工作方式是PLC的一大特点。
用户程序的完成都是分时完成的，可以分为输入处理阶段、程序执行阶段和输出处理阶段。
程序执行阶段根据PLC梯形图程序的扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。
由于PLC的这种循环扫描工作方式，再加上集中输入、集中输出刷新等特点，使PLC控制结果具有输入/输出滞后现象和多重输出不允许的特殊性。
1.4 PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为：开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网。
第二章十字路口带倒计时显示的交通信号灯控制
2.1 设计目的
（1）通过十字路口带带倒计时显示的交通灯控制装置的设计实践, 了解一般电气控制系统的设计过程,设计要求,应完成的工作内容和具体设计方法。
（2）通过设计进一步巩固以往所学的知识,达到灵活应用的目的。
在此过程中培养从事设计工作的整体观念，提高编写和调试语言程序水平。
（3）加强自己的科学研究方法训练和实践锻炼，增强分析问题和解决问题的能力，了解电气控制与可编程控制技术及应用的发展。
2.2 控制要求
采用PLC构成十字路口带倒计时显示的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。
系统上电后，交通指挥信号控制系统由一个3位转换开关SA1控制。
SA1手柄指向左45°时，接点SA1-1接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图2-1所示工作时序周而复始，循环往复工作。
正常运行时，南北向及东西向均有两位数码管倒计时显示相应的指示灯剩余时间值。
SA1手柄指向中间0°时，接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，数码管显示99不变。
SA1手柄指向右45°时，接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，数码管显示99不变。
SA1-1正常工作
SA1转换开关SA1-3东西向绿灯常亮
SA1-2南北向绿灯常亮图2.2
2.3 交通灯工作时序图
图2.2 十字路口交通灯正常工作时序
2.4 系统总体方案设计
交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。
红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。
南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯。
交通灯控制示意图如图2.4所示。
正常控制时：它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的，置1表示信号灯点亮。
SA1手柄指向左45º时，接点SA1-1接通，东西向红灯亮30s，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁3s，然后熄灭。
在绿灯熄灭的同时，南北向黄灯亮2s，然后熄灭。
在该灯熄灭的同时，南北向红灯亮及东西向绿灯亮，以下的变化规律与上述相同。
到南北向绿灯亮，东西向红灯亮开始第二个循环，以后周而复始地循环动作。
同时南北向及东西向均有两位数码管倒计时显示相应指示灯的剩余时间值。
非正常控制时：SA1手柄指向中间0º时，接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，数码管显示99不变。
SA1手柄指向右45º时，接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，数码管显示99不变。
图2.4十字路口交通灯控制
2.5 PLC的选择
本设计用到的是三菱工商FX系列超小型PLC FX2N-80MR,其属于FX2N系列，是具有80个I/O点的基本单元，继电器输出型，使用的电源是DC24V。
FX2N系列PLC是三菱公司FX系列中性能优越的小型PLC，除了输入/输出独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接、运动控制、闭环控制等特殊用途，是一套可以满足广泛需要的、性价比较高的PLC。
为了防止输入接口外部的振动噪音和输入线噪声进入PLC内部输入电路，PLC 内部的1次和2次输入电路间用光耦合器隔离，2次电路中设有C-R滤波器，因此输入信号从ON到OFF或OFF到ON变化过程会在PLC内形成10ms的应答滞后。
2.6 设计思路
说明：根据设计要求可知，南北向的指示灯与数码管显示完全相同，东西向亦是如此，为了设计简单明了，本设计中只设计南北向中的一向以及东西向中的一向，实际应用中只要相应的在指示灯与数码管处并联相同的装置，即可完成全部四个方向的显示与指示。
可以设置五个输入X000,X001，X002，X003，X004分别作为系统总启动、总停止、交通灯正常工作控制开关、南北向交通灯常绿控制开关、东西向交通灯常绿控制开关。
用其他开关的常闭触点设置互锁，使三个状态不可能同时接通。
进入正常工作状态后，东西方向红灯亮30秒，由定时器T5实现，南北方向绿灯常亮25秒，由定时器T0实现，然后绿灯闪烁3秒，由定时器T1、T2来实现0.5秒振荡，计数器C0计数3次。
计数到后，C0的常开触点闭合，可以用来控制使南北方向的黄灯亮，并用T3计时2秒。
T3计时到后南北红灯亮30秒，由定时器T4实现，东西方向绿灯常亮25秒，由定时器T6实现，然后闪烁3秒，有定时器T7、T8来实现0.5秒振荡，计数器C1计数3次。
计数到后，C1的常开触点闭合，可以用来控制使东西方向的黄灯亮，并用T9计时2秒。
由于在各个方向三种信号灯亮的同时还要利用数码管显示相应指示灯的剩余时间，因此可以利用七段码译码指令SEGD。
七段码译码指令SEGD是驱动七段显示器的指令，可以显示一位十六进制数据。
源操作数S存储待显示数据，该单元低4位(只用低4位)所确定的十六进制数0-F经解码后存于指定的目的操作数D的低8位，高8位保持不变。
源操作数可为K、H、KnM、KnX等。
由于译码时只对低４位进行译码，所以ｎ一般取１。
使用译码指令输出为十六进制数，而本设计所用到的倒计时显示只是十进制数，使用SEGD 译码指令需要在其自减到0时进行人为赋值使其变为9，否则将显示F。
可见只使用SEGD 指令将使程序变得十分复杂。
可以采用数据变换指令中的二进制数转换成BCD码并传送BCD指令。
BCD变换指令将源元件中的二进制数转换为BCD码并送到目标元件中。
PLC内部的算术运算用二进制数进行，可以用BCD指令将二进制数变换为BCD数后输出到七段数码管显示，可以实现倒计时。
南北方向数码管显示绿灯28秒倒计时时，可以在东西红灯亮且南北黄灯不亮时，每遇到东西红灯的上升沿，给数据寄存器赋值28，通过BCD指令转换成BCD码，存入八位中间继电器K2M，低4位中间继电器中的值经译码指令由一个数码管输出，高4位中间继电器中的值经译码指令SEGD由另一个数码管输出。
上升沿过后，数据寄存器D中的值每秒通过DEC指令自减1，并输出，实现倒计时，其中1秒时间可由1秒的时钟M8013的下降沿来实现，也可以用定时器T的0.5秒振荡电路实现。
南北黄灯2秒倒计时可以在黄灯上升沿时赋值，黄灯亮时自减。
数码管输出显示方法与前面绿灯时类似。
南北方向红灯30秒倒计时在红灯上升沿时赋值，红灯亮时自减，数码管显示方法同上。
东西方向的倒计时显示思路与南北方向相同。
当转换开关SA1的手柄指向中间0°时，X002的常开触点接通，常闭触点断开，交通灯系统转向执行南北绿灯常亮，东西红灯常亮的运行状态。
当转换开关SA1的手柄指向右45°时，X003的常开触点接通，常闭触点断开，交通灯系统转向执行东西绿灯常亮，南北红灯常亮的运行状态。
2.7 流程图
图2.7 十字路口交通灯流程图
2.8 状态转移图
S0图2.8 十字路口交通灯状态转移图
2.9 步进梯形图
M8002M100
SET
S0
STL
X002
X003
X004
SET
S21SET S31X002X002
X003X004X003
X004
SET
S41SET
S51STL
T0
K250
Y000
MOV
K28
D10BCD D10
SEGD K1M0K2Y010SEGD
K1M4
K2Y020
S0S21
STL
S22M10
M8013
MOV
K3
D40DEC
D40
STL
T1
T1
K5SET
S24STL
S24Y000
C0K3T2
K5
T2
C0
T2
C0
SET
S25
SET
S23STL
S25Y001
T3
K20S26STL
Y002
T4
K300Y002Y002Y002Y002MOV K30D60BCD
D60
K2M0
SEGD
K1M0
K2Y010SEGD
K1M4K2Y020S31STL
T5
SET
S32
S23MOV
K2D50Y001
Y001M8013
SEGD
K1M0
K2Y010DEC
D10T3
SET
S26T0
SET S22SET
S23M10
STL STL
S22S24Y000
RST C0X001
X000M100
M100
Y000
K2M0
M8013
DEC
D10T10
K30M10
BCD D40
T10
K2M0
SEGD
K1M0
K2Y010
M11
M11
Y000Y000
RET
Y001
Y001
Y001T3
BCD
D50K2M0T3T3
Y002
T4
T4
T4
M8013
DEC
D60Y005
T5
K300Y005Y005Y005Y005MOV K30
D20BCD
D20
K2M20
SEGD
K1M20
K2Y030SEGD
K1M24K2Y040
Y005
T5
T5
T5
M8013
DEC D20Y000T0
Y000T0Y000T0T0
M10T10
M10
T10
T4
T5
STL
S35STL
S36STL
S41M3
SEGD
K1M0
K2Y010
SEGD
K1M0
K2Y020
SEGD
K1M0K2Y030SEGD
K1M0
K2Y040
STL
S51S34STL
S33STL
S32STL
T6
K250
Y003
MOV
K28
D70BCD D70
SEGD K1M20K2Y030SEGD
K1M24
K2Y040
T6
SET S33SET
S34Y003
Y003
K2M20
M8013
DEC
D70Y003T6
Y003T6Y003T6T6
M12
M8013
MOV
K3
D80DEC
D80
M12
T11
K30M12
BCD D80
T11
K2M20
SEGD
K1M20
K2Y030
M12T11
M12
T11
T7
T7
K5SET
S35M21
M21
Y003
C1K3T8
K5
T8
C1
SET
S34Y003Y003
T8
C1
S36
SET
STL STL
S33S35RET
Y004
T9
K20MOV
K2D90Y004
Y004M8013
SEGD
K1M20
K2Y030DEC
D90RST C1Y004
Y004
Y004T9
BCD
D90K2M20T9T9
Y000
M3
Y005
M3
MOV
K9
D30
Y000
BCD
D30
K1M0
Y000
Y000
Y000
MOV
K9
D30
Y005
BCD
D30
K1M0
Y005
Y005
Y005
M4
SEGD
K1M0
K2Y010
SEGD
K1M0
K2Y020
Y002
M4
Y003
M4
MOV
K9
D30
Y002
BCD
D30
K1M0
Y002
Y002
Y002
SEGD
K1M0K2Y030SEGD
K1M0
K2Y040
MOV
K9
D30
Y003
BCD
D30
K1M0
Y003
Y003
Y003
S0
SET
STL
STL
RET
S26S36T4
T9
图2.9 步进梯形图
2.10 指令
0 LD X000
1 OR M100
2 ANI X001
3 OUT M100
4 LD M8002
5 AND X000
6 SET S0
8 STL S0
9 ZRST S20 S60
14 LDI X002
15 AND X003
16 ANI X004
17 SET S41
19 LDI X002
20 ANI X003
21 AND X004
22 SET S51
24 LD X002
25 ANI X003
26 ANI X004
27 SET S21
29 SET S31
31 STL S21
32 OUT Y000
33 LD Y000
34 OUT T0
37 LDP Y000
39 MOV K28 D10 44 LD Y000 45 ANI T0
46 BCD D10 K20M0
51 LD Y000
52 ANI T0
53 SEGD K1M0 K2Y010
58 LD Y000
59 ANI T0
60 SEGD K1M4 K2Y020 65 LDF M8013
67 ANI T0
68 DEC D10
71 LD T0
72 SET S22
74 SET S23
76 STL S22
77 OUT M10
78 LD M10
79 OUT T10
82 LDP M10
84 MOV K3 D40
89 LD M10
90 ANI T10
91 BCD D40 K2M0
96 LD M10
97 ANI T10
98 SEGD K1M0 K2Y010 103 LDF M8013
105 ANI T10
106 DEC D40
455 LD Y005
456 SEGD K1M0 K2Y040 461 STL S51
462 OUT M4
463 LD M4
464 OUT Y002
465 LD M4
466 OUT Y003
467 LDP Y002
469 MOV K9 D30
474 LD Y002
475 BCD D30 K1M0
480 LD Y002
481 SEGD K1M0
486 LD Y002
487 SEGD K1M0 K2Y020 492 LDP Y003
494 MOV K9 D30
499 LD Y003
500 BCD D30 K1M0
505 LD Y003
506 SEGD K1M0 K2Y030 511 LD Y003
512 SEGD K1M0 K2Y040 517 STL S26
518 STL S36
519 LD T4
520 AND T9
521 SET S0
523 RET
524 END
第三章外部硬件实现3.1 PLC的I/O端口分配表
根据所选PLC型号进行I/O端口的分配，如下表所示：
输入端口分配表
输出端口分配表
3.2 电气设备明细表
3.3 PLC硬件接线图
图3.3 硬件连接图
接线方法：
各个外部输入元件的一端接X输入接口端子，另一端接至PLC的COM端。
FX2N2系列PLC输入电流为DC24V（7mA），X010以后是24V（5mA），即当接入信号为“ON”时，输入接口通入电流需在4.5mA以上，输入信号为“OFF”时，通入电流需小于1.5mA。
PLC 内部输出继电器线圈和接口端子之间、PLC内部电路与外部负载电路之间均有电隔离。
负载接线时一端接在Y输出接口端子上，另一端则接至驱动电源；驱动电源一端与负载相连，另一端则与COM接口端子相连。
由于PLC内部输出电路中无保护环节，所以驱动电源与COM接口端子间应设熔断器。
3.4 参数设计
交通指示灯由220V的交流电源供电，七段数码管由24V的直流电源供电，24V的直流电源是通过降压整流装置得到，整流装置的滤波电容为60uF。
根据二极管的工作电流为20mA，阀值电压为3.3V,计算得数码管的限流电阻设置为1.1kΩ。
结论
本设计利用步进梯形指令进行编程，完成了十字路口带倒计时显示交通信号灯控制系统的设计，包括步进梯形图的设计，硬件电路的连线，使交通信号灯与数码管能够按照设计要求显示。
至此本设计已全部完成。
心得体会
在设计过程中，由于课上所学知识并不能满足这次设计的需要，必须查阅各种资料，观看教学视频，学习各种指令的用法，因此加深了本人对课本知识的理解，并学会了一些新的指令的用法及功能，锻炼了自己独立编程的能力，使自己可以利用课上知识及所查资料独立编程，实现十字路口带倒计时显示的交通信号灯的控制要求。
通过这次设计，本人对PLC设计控制有了深刻的认识，对以前学的PLC又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，对课设题目的分析中，明确了PLC控制的工业实现与易操作性。
学会了三菱PLC编译器与VISIO画图软件的初步应用，相信这些会对本人今后的学习工作生活有非常重要的影响。
参考文献
PLC电气控制技术主编漆汉宏机械工业出版社
电气控制与PLC课程设计指导书主编郭忠南漆汉宏
致谢
在设计的过程中，本人遇到了很多的问题，通过向老师请教相关知识，使得本人对PLC的内部结构、工作原理与交通信号灯的工作原理有了更全面的认识，在这里很感谢老师在此次课设过程中给与的指导与帮助。
同时，同学之间的互相讨论、互相帮助，使本人对相关知识有了更深刻的了解，所以在这里非常感谢一起参加本次课程设计的同学。
谢谢！
电气工程学院课程设计评审意见表。
