电气工程与自动化专业论文：智能交通灯控制系统的设计

1  绪论

1.1  研究背景

在当今高速开展的社会里,交通问题成为我们重视的社会问题,轿车数量的直线上升及现有的守时切换操控交通办法的局限性都使得我们有必要寻一求一种智能的交通操控体系,依据此本论文的思路是:通过探测器(即电磁感应线圈)探测出轿车的流量后主动调理红绿灯的时一长。车辆的流量记数、交通灯的时长操控可由可编程操控器PLC来完结。

现在设计交通灯的计划有许多,有运用CPLD设计完结交通讯号灯操控器办法、运用单片机完结对交通讯号灯设计的办法等,可编程操控器完结交通灯操控的操控体系,以及该体系软、硬件设计办法,试验证明该体系完结简略、经济,能够有用地引导交通,进步交通路口的通行才能。我剖析现代城市交通操控与办理问题的现状,结合交通的实践情况论述PLC交通灯操控体系的作业原理,做出了一种简略有用的城市交通灯操控体系的PLC设计计划。

1.2  研究意义

科学技术的进步推动了交通工具的现代化，社会经济的发展则导致了交通量的急剧增长，并进而加剧了交通拥挤与阻塞的严重程度，城市交通的规模与复杂特征、传统交通控制和交通拥挤一直是困扰世界各国的一大难题。解决城市交通问题的根本路径大致有两条：一是加快交通基础设施建设；二是加强交通管理。前者是发展城市交通，满足各种交通需求的物质基础，而后者则为合理使用现有交通设施。

智能交通灯控制系统研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。

交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产，安全和时间相关的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。

2  PLC基础知识简介

在主动化操控范畴,PLC是一种重要的操控设备。现在,世界上有200多厂家出产300多品种PLC产品,运用在轿车((23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等。。

2.1  PLC的定义

PLC被称为可编程逻辑操控器（Programmable Logic Controller,PLC）,但后来,它选用微操控器作为其操控中心,其功用远远超越逻辑操控的范畴,人们又将其改名为可编程操控器（Programmable Controller,PC）。

在1987年世界电工委员会公布的PLC规范草案中对PLC做了如下界说：“PLC是一种专门为在工业环境下运用而设计的数字运算操作的电子设备。它选用能够编制程序的存储器,用来在其内部存储履行逻辑运算、次序运算、计时等操作指令,并能通过数字式或模仿式的输入和输出,操控各品种型的机械或出产进程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业操控体系构成一个全体,易于扩展其功用的准则而设计。”

2.2  PLC的构成

从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包含CPU板、I/O板、显现面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不行拆开的全体。模块式PLC包含CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块能够依照必定规矩组合装备。

2.3  PLC的工作原理及过程

PLC操控体系的等效作业电路可分为三部分,即输入电路、内部操控电路和输出电路。输入电路用来收集输入信号,输出电路是体系的履行部件,内部操控电路是通过编程办法完结操控逻辑,用软件编程完结继电器电路的功用。它们的组成如下：

（1）输入电路：由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。

（2）内部操控电路：由用户程序构成的用软继电器来替代硬集电器的操控逻辑。

（3）输出电路:由在PLC内部且与内部操控电路阻隔的输出继电器的外部动合触点输出接线端子和外部驱动电路组成,用来驱动外部负载。

当PLC投入运转后,其作业进程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序履行和输出改写三个阶段。完结上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运转期间,PLC的CPU以必定的扫描速度重复履行上述三个阶段。如图2.1：

 

图2.1   PLC的工作过程

3  蓄电池智能充放电控制器

3.1 太阳能供电系统 

太阳能供电是指通过利用太阳能通过正负极磁场产生电流。目前广泛运用于民用、工业供电。该供电系统主要由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。行业内熟知的'北京亚盟环保科技有限公司'通过研究开发的"保护和控制理念"是一种全新的保护和控制，它包括过充、过放、过载、过温、短路、反接；对市电进行旁路自动切换；对输出实行多路控制；对负载增加节电控制等等，使保护和控制到动作十分安全可靠与稳定。

3.1.1 太阳能供电技术简介

在当前全球能源紧张，价格飞涨的情况下，许多国家采取优惠的政策鼓励太阳能技术的开发和应用。太阳能供电技术作为一种高新技术，最早应用于航空探险等高端应用场合，随着各国的推动，太阳能供电技术也得到了日新月异的发展，太阳能发电和太阳能供电技术日益走进民用应用的场合。在森林、道路、河流、山川等通信或音视频电子设备应用场合，主要采取电网供电和电池供电方式，电池供电往往只能解决临时的需要，不能作为长期的供电电源;而采取电网供电方式存在诸多缺点：

(1)供电方式为电缆输送，工程施工困难，造价高昂;

(2)系统维护不便，高压输送存在安全隐患，运营成本高; 

(3)安装、组网困难。

而太阳供电系统工作时无需水、油、汽、燃料，只要有光就能发电的特点，是清洁、无污染的可再生能源，而且安装维护简单，使用寿命长，可以实现无人值守，倍受人们的青睐，是新能源的领头羊。近年来，太阳能的应用在全球越来越广泛，特别是在野外领域，太阳能电源正逐步取代一些传统的电源设备，得到越来越普遍的应用

3.1.2 太阳能供电的工作原理

白天在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。

晚上蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。

3.1.3 太阳能供电的组成部分及作用 

太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本； 

太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。

下面介绍一种简易太阳能电池充放电控制器，可有效的防止蓄电池过充电或过放电，电路结构电路如图3-2所示，双电压比较器LM393两个反相输入端○2脚和○6脚连接在一起，并由稳压管ZD1提供6.2V的基准电压做比较电压，两个输出端○1脚

和○7脚分别接反馈电阻，将部分输出信号反馈到同相输入端○3脚和○5脚，这样就把双电压比较器变成了双迟滞电压比较器，可使电路在比较电压的临界点附近不会产生震荡。R1、RP1、C1、A1、Q1、Q2和J1组成过充电压检测比较控制器；R3、RP2、C2、A2、Q3、Q4和J2组成过放电压检测比较控制电路。电位器RP1和RP2起调节设定过充、过放电压的作用。可调三端稳压器LM371提供给LM393稳定的8V工作电压，被充电电池为12V65Ah全密封免维护铅酸蓄电池；太阳电池用一块40W硅太阳电池组件，在标准光照下输出17V、2.3A左右的直流工作电压和电流；D1是防反充二极管，防止硅太阳电池在太阳光较弱时成为耗电器。

工作原理：当太阳光照射的时候，硅太阳电池组件产生的直流电流经过J1-1常闭触点和R1，是LED1发光，等待对蓄电池进行充电；K闭合，三端稳压器输出8V电压，电路开始工作，过充电压检测比较控制电路和过放电压检测比较控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比较，当蓄电池端电压小于预先设定的过充电压值时，A1的○6脚电位高于○5脚电位，○7脚输出低电压使Q1截止，Q2导通，LED2发光指示充电，J1动作，其接点J1-1转换位置，硅太阳电池组件通过D1对蓄电池充电。蓄电池逐渐充满，当其端电压大于预先设定的过充电压值时，A1的○6脚电位低于○5脚电位，○7脚输出高电位使Q1导通，Q2截止，LED2熄灭，J1释放，J1-1断开充电回路，LED1发光，指示停止充电。当蓄电池端电压大于预先设定的过放电电压值时，

A2的○3脚电位高于○2脚电位，○1脚输出高电位使Q3导通，Q4截止，LED3熄灭，J2释放。其常闭触点J2-1闭合，LED4发光，指示负载工作正常；蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低，当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时，A2的○3脚电位低于○2脚电位，○1脚输出低电位使Q3截止，Q4导通，LED3发光指示过放电，J2动作，其接点J2-1断开，正常指示灯LED4熄灭。另一常闭接点J2-2（图中未绘出）也断开，切断负载回路，避免蓄电池继续放电。闭合K，蓄电池又充电。

（三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。（下一节会有详细的介绍）

（四）逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。

3.2  方案设计

太阳能 LED 交通信号灯由光伏极板、充放电控制器、蓄电池、LED 交通信号灯系统构成。