1、摘 要隨著社會經濟的發展，城市交通問題越來越引起人們的關注。人、車、路三者關系的協調，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統是用于城市交通數據監測、交通信號系統，它是現代城市交通監控重要的組成部分。隨著城市機動車量的不斷增加，自80年代后期,許多大城市如北京、上海、南京等出現了交通超負荷運行的情況。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好城市高速道路，緩解交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規劃部門亟待解決的主要問題。傳統的交通信號燈控制一般采用電子線路和繼電器實現，結構復雜，可靠性低，故障率高,較難實現功能的變更。而可編程控制器(PLC)以微處理器為核心，具有可

2、靠性高，控制功能強，使用靈活方便等優點。特別是由PLC實現的控制系統，普遍采用依據繼電接觸器控制系統電氣原理圖編制的梯形圖語言進行程序設計，結構簡單，抗干擾能力強，運行穩定可靠，可方便地設置定時時間，編程容易，功能擴展方便，修改靈活等，并且有完善的自診斷和顯示功能，維修工作極為簡單。根據交通燈的設計要求需要有2個輸入端和46個輸出端并且需要消耗流量為200mA，在設計中選用主機CPU226，由于CPU226有16個輸出端口不夠設計所需，又使用了5個8輸出端口電流流量為50mA的EM222擴展模塊。最終實現交通燈的設計要求。關鍵詞：CPU226，七段數碼管，繼電器，功能指令，交通燈目 錄摘 要I

3、I1 PLC的概述11.1 PLC的定義11.2 PLC的基本結構11.3 PLC的特點21.4 PLC工作方式32 硬件設計62.1 硬件設計步驟62.2 主機CPU及擴展模塊選擇62.3 I/O端口分配72.4硬件設計框圖82.5 接線圖：93. 軟件設計103.1軟件設計思路103.2功能指令介紹103.3梯形圖12結 論25致 謝26參考文獻27附錄281 PLC的概述1.1 PLC的定義PLC(可編程控制器)是以微機技術為核心的通用工業控制裝置，它將傳統的繼電器接觸器控制技術與計算機技術和通信技術融于一體，具有功能強大、環境適應性好、編程簡單、使用方便等優點。1.2 PLC的基本結構

4、可編程序控制器主機的硬件電路由CPU、存儲器、基本I/O接口電路、外設接口、電源等五部分組成（1）中央處理器CPU是可編程序控制器的控制中心，在系統監控下工作，承擔將外部輸入信號的狀態寫入輸入映像寄存器區域，然后將結果送到輸出映像寄存器區域。CPU常用的微處理器有通用型微處理器、單片機和位片式計算機等。小型PLC的CPU多采用單片機或專用CPU；大型PKC的CPU多采用位片式結構，具有高速數據處理能力。（2）存儲器可編程序控制器的存儲器由只讀存儲器ROM和隨機存儲器RAM兩大部分構成。只讀存儲器ROM用以存放系統程序；中間運算數據和用戶程序存在隨機存儲器RAM中，斷電時，中間運算數據和用戶程序

5、保存在只讀存儲器EEPROM或由高能電池支持的RAM中。（3）基本I/O接口電路1.輸入接口單元PLC內部輸入電路的作用是將PLC外部電路（如行程開關、按鈕、傳感器等）提供的符合PLC輸入電路要求的電壓信號，通過光耦電路送至PLC內部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，輸入響應時間一般在0.1s15ms之間。多數PLC的輸入接口單元都相同，通常有兩種類型。一種是直流輸入；另一種是交流輸入。2.輸出接口單元PLC輸出電路用來將CPU運算的結果變換成一定形式的功率輸出，驅動被控負載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等）。PLC輸出電路結構形式分為繼電式、晶體管式和晶閘管輸出型三種

6、。3.公共端點通常將一組PLC輸入/輸出電路公共端與PLC內部連在一起，以減少PLC外部接線。比如PLC一般以3、4個輸出接點為一組，在PLC內部連成一個輸出公共端，公共端點之間是絕緣隔離的。分組后，不同組的負載可以采用不同的驅動電源。(4) 接口電路PLC接口電路分為I/O擴展接口電路和外設通信接口電路兩大類。1、I/O擴展接口電路I/O擴展電路用于連接I/O擴展單元，可以用來擴充開關量I/O點數和增加模擬量的I/O端子。I/O擴展接口電路采用并行接口和串行接口兩種電路形式。2、外設通信接口電路外設通信接口電路用于連接手持編程器、其他圖形編程器和文本顯示器等，并能組成PLC的控制網絡。PLC

7、通過PC/PPI電纜或使用MPI卡同通過RS-485接口與電纜和計算機連接可以實現編程、監控、聯網等功能。(5) 電源PLC內部配有一個專用開關式穩壓電源，將交流/直流供電電源轉化為PLC內部電路需要的工作電源（5V直流）。當輸入端子為非干接點（無源接點）結構時，為外部輸入元件提供24V直流電源（僅供輸入端子使用）。1.3 PLC的特點（1）可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線

8、及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統具有極高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齊全，功能完善，適用性強PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通信能力的

9、增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。（3）易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。(4) 系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備

10、經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。(5) 體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。1.4 PLC工作方式 PLC雖然以微處理器為核心，具有微型計算機的許多特點，但它的工作方式卻與微型計算機有很大的不同，微型計算機一般采用等待命令或中斷的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，當有鍵按下或I/O動作，則轉入相應的子程序或中斷服務程序，無鍵按下，則繼續掃描等待。PLC采用循環掃描的工作方式，即順序掃描，不斷循環這種工作方式是在

11、系統軟件控制下進行的。當PLC運行時，CPU根據用戶按控制要求編寫好并存于用戶存儲器中的程序，按序號作周期性的程序循環掃描，程序從第一條指令開始，逐條順序執行用戶的程序直到程序結束。然后重新返回第一條指令，再開始下一次掃描；如此周而復始。實際上，PLC掃描工作除了執行用戶程序外，還要完成其他工作，整個工作過程分為自診斷、通訊服務、輸入處理、輸出處理、程序執行五個階段。如圖1.1所示。 圖1.1 PLC工作掃描圖（1）自診斷 每次掃描用戶程序之前，都先執行故障自診斷程序。自診斷內容包括I/O部分、存儲器、CPU等，并通過CPU設置定時器來監視每次掃描是否超過規定的時間，如果發現異常，則停機并顯示

12、出錯。若自診斷正常，則繼續向下掃描。（2）通訊服務 PLC檢查是否有與編程器、計算機等的通訊要求，若有則進行相應處理。（3）輸入處理 PLC在輸入刷新階段，首先以掃描方式按順序從輸入存儲器中寫入所有輸入端子的狀態或數據，并將其存入內存中為其專門開辟的暫存區輸入狀態映像區中，這一過程稱為輸入采樣，隨后關閉輸入端口，進入程序執行階段，即使輸入端有變化，輸入映像區的內容也不會改變。變化的輸入信號的狀態只能在下一個掃描周期的輸入刷新階段被讀入。（4）輸出處理 同輸入狀態映像區一樣，PLC內存中也有一塊專門的區域稱為輸出狀態映像區。當程序的所有指令執行完畢，輸出狀態映像區中所有輸出繼電器的狀態就在CPU

13、的控制下被一次集中送至輸出鎖存器中，并通過一定的輸出方式輸出，推動外部的相應執行器件工作，這就是PLC輸出刷新階段。(5) 程序執行 PLC在程序執行階段，按用戶程序順序掃描執行每條指令。從輸入狀態映像區讀出輸入信號的狀態，經過相應的運算處理等，將結果寫入輸出狀態映像區。通常將自診斷和通訊服務合稱為監視服務。輸入刷新和輸出刷新稱為I/O刷新?？梢钥闯?，PLC在一個掃描周期內，對輸入狀態的掃描只是在輸入采樣階段進行，對輸出賦的值也只有在輸出刷新階段才能被送出，而在程序執行階段輸入、輸出會被封鎖。這種方式稱做集中采樣、集中輸出。 2 硬件設計2.1 硬件設計步驟根據可編程控制器設計交通燈硬件部分的

14、設計步驟，本設計的硬件設計步驟如下所示：（1）PLC的選型；（2）輸入、輸出點的估算；（3）主機型號的選擇；（4）模塊的擴展及I/O編址；（5）輸入、輸出端子的分配；（6）畫出I/O接線圖。2.2 主機CPU及擴展模塊選擇根據設計要求，有開始按鈕和停止按鈕2個輸入端及46個輸出端的需要，由主機類型表2.1，設計中主機選用了為CPU226。CPU226的輸入輸出點比較多，共有I0.0-共16個輸出點。CPU226的24個輸入點可以滿足本設計中2個輸入點的需求，但是16個輸出點不能滿足本設計46個輸出點的需求，因此需要擴展5個EM222擴展模塊，Q2.0-Q2.6，Q3.0-Q3.6，Q4.0-Q

15、4.7，Q5.0-Q5.7，Q6.0和Q6.1共32個輸出端口。表2.1 主機類型表型號主機輸入點數主機輸出點數可擴展模塊數最大擴展電流/mACPU22164無0CPU222862340CPU22414107660CPU226241671000根據本設計輸出端口及電流流量的需求，可選擴展模塊如表2.2 ，經比較后在設計中選用了5個8輸出端口 電流為50mA的EM222擴展模塊。表2.2 擴展模塊表分類型號I/O規格功能及用途數字量擴展模塊EM221DI8*直流24V8路數字量24V直流輸入EM222DO8*直流24V8路數字量24V直流輸出（固態MOSFET）DO8*繼電器8路數字量繼電器輸出

16、EM223DI4/DO4*直流24V4路數字量24V直流輸入、輸出（固態）DI4/DO4*直流24V繼電器4路數字量24V直流輸入4路數字量繼電器輸出DI8/DO8*直流24V8路數字量24V直流輸入、輸出（固態）DI8/DO8*直流24V繼電器8路數字量24V直流輸入8路數字量繼電器輸出DI16/DO16*直流24V16路數字量24V直流輸入、輸出（固態）DI16/DO16*直流24V繼電器16路數字量24V直流輸入16路數字量繼電器輸出2.3 I/O端口分配輸入端口：I0.0 接啟動按鈕，I0.2接停止按鈕。輸出端口分配如表2.3 和表2.4表2.3 七段數碼管輸出端口分配表東西向南北向Q

17、0.0Q0.6七段數碼管（個位）Q2.0Q2.6七段數碼管（個位）Q1.0Q1.6七段數碼管（十位）Q3.0Q3.6七段數碼管（十位）表2.4 交通燈輸出端口分配表方向顏色東西向南北向紅燈Q4.0Q4.3Q4.6Q5.1Q5.4Q5.7綠燈Q4.1Q4.4Q4.7Q5.2Q5.5Q6.0黃燈Q4.2Q4.5Q5.0Q5.3Q5.6Q6.12.4硬件設計框圖 圖2.1 硬件設計框圖2.5 接線圖：根據設計要求所需4個七段數碼管和18個指示燈，在東西和南北方向的指示燈各有三組，左轉、右轉、直行。而且每組指示燈都有紅、綠、黃三種顏色。而數碼管有共陰和共陽兩種接法，見附錄，而我在本設計中選用的是共陰極

18、接法。接線圖如圖2.2所示。圖2.2 接線圖3 軟件設計3.1軟件設計思路設計編程中有三種方法，如下：（1） 基本指令法；（2） 順序控制法；（3）功能指令法。在這三種方法中，最簡單易懂的就是第（1）種 即基本指令法，此設計我采用基本指令法來編寫交通指示燈的程序，在這種方法中，最重要的就是要先將結果預置于中間繼電器線圈中，從而利用中間繼電器的常開觸點來達到自己的控制要求，在控制燈的時候，我們只需要將中間繼電器的線圈并上定時器便可以實現定一定的時間，從而使交通燈的發光二極管亮、熄不同的時間，而在倒計顯示中，用功能指令實現數碼管在不同階段所要顯示的數字，終實現交通燈的設計。3.2功能指令介紹在設計

19、中我所使用的功能指令有數據轉換指令、七段顯示譯碼指令、字節與字整數之間的轉換、TON定時器、循環右移指令、 減計數器（CTD）具體如下。圖3.1 BCD碼轉換指令（1）數據轉換指令 功能指令圖如圖3.1所示，此指令作用是當使能輸入有效時，將整數輸入數據IN轉換成BCD碼類型，并將結果送到OUT輸出。圖3.2 七段顯示譯碼指令（2）七段顯示譯碼指令 功能指令圖如圖3.2所示，此指令作用是當使能輸入有效時，將字節型輸入數據IN的低四位有效數字產生相應的七段顯示碼，并將其輸出到OUT指定的單元。圖3.3 字節與字整數轉換指令（3）字節與字整數之間的轉換 功能指令圖如圖3.3所示，此指令作用當使能輸入有效時，將字整數輸入數據IN轉換成字節類型，并將結果送到OUT輸出。圖3.4 通電延時型定時器（4）TON定時器 功能指令圖如圖3.4所示，此指令作用IN端為輸入端，用于連接驅動定時器線圈的信號；PT端為設定端，用于標定定時器的設定值。當連接于IN端的觸點閉合時，定時器開始計時，當前值逐漸增長；當累積時間達到設定值PT時，定時器的狀態被置1（線圈得電），動合觸點閉合，當連接于IN端的觸點斷開時，狀態置0（線圈失電）。圖3.5 循環右移指令（5）循環右移指令 功能指令圖如圖3.5所示，此指令作用當使能輸入有效時，字節、字、或雙字節IN數據循環右移N個位后，將其結果輸