计算机控制技术课程设计
题目：远程交通灯控制系统的设计 学院：计算机与电子信息学院 专业：自动化 班级：11-1班 姓名：许小华
指导老师：张友斌
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目录
第一章 绪论 ................................................................................................................................. 3
1.1 课题意义 ............................................................................................................................ 3 1.2 设计内容 ............................................................................................................................ 3
1.2.1 设计要求 ................................................................................................................. 3 1.2.2设计内容 .................................................................................................................. 3 1.2.3 设计安排 ................................................................................................................. 3
第二章 系统的总体设计系统 ....................................................................................................... 4
2.1 系统的设计原理 ................................................................................................................ 4 第三章 系统的硬件设计 ................................................................................................................. 6
3.1单片机80C51 ..................................................................................................................... 6
3.1.1单片机80C51 .......................................................................................................... 7 3.1.2基本组成 .................................................................................................................. 7 3.1.3实验单片机实物图 .................................................................................................. 7 3.2三菱PLC ........................................................................................................................... 8
3.2.1plc实物图 ............................................................................................................... 10 3.3计算机控制系统 ............................................................................................................... 10
3.3.1计算机控制实物图 ................................................................................................ 11
第四章 系统软件设计 ................................................................................................................... 12
4．1组态王 ............................................................................................................................ 12
4.1.1组态王软件程序 .................................................................................................... 13 4．2单片机程序 .................................................................................................................... 17
4.2.1单片机程序 ............................................................................................................ 17 4.3 PLC程序 .......................................................................................................................... 18
4.3.1Plc程序流程图 ....................................................................................................... 19
第五章 实验系统 ........................................................................................................................... 21 总结 ................................................................................................................................................ 23 参考文献......................................................................................................................................... 24
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第一章 绪论
1.1 课题意义
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。交通灯通常指由红、 黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。交通灯的出现时人类文明的一大进步，使得许多人为交通事故的减少，城市交通问题因此得到解决。
1.2 设计内容 1.2.1 设计要求
采用8051单片机、PLC及计算机实现远程控制3个路口的交通灯控制系统，对该系统进行硬件设计和软件设计。其中8051单片机控制各个路口，完成单个路口的交通灯控制；PLC完成对各个单片机的控制，包括启动，参数设置，信号转换等；计算机实现远程控制，且以组态画面动态显示各个路口的交通灯的状态。
1.2.2设计内容
远程交通灯控制系统的设计包括硬件设计与软件设计两个部分。硬件包括单片机、PLC和计算机的设计，软件包括单片机编程软件keil uvision4、PLC编程软件GXWORK2和计算机组态软件组态王6.55。
1.2.3 设计安排
1.系统总体方案的设计 2.系统硬件的设计 3.系统软件的设计
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4.仿真 5.实物调试
第二章 系统的总体设计系统
2.1 系统的设计原理
按照课程设计的要求，每个路口有一个8051的单片机控制，其启动和复位由PLC控制，每个交通灯的状态经A/D转换器转换在组态软件上动态显示。
单片机设计：左右通行20秒（绿灯），18秒黄灯闪烁，两秒后熄灭，，红灯点亮左右禁止通行，同时上下绿灯点亮，上下方向通行，也是20秒，38秒的时候上下方向的黄灯闪烁，两秒后熄灭，红灯亮，上下方向禁止通行，再20秒后重复上面状态。
PLC设计：三个开关控制三个路口的启动和停止，每个单片机也有各自的复位开关。
组态设计：采集每个交通灯的状态，模数转换后在组态王上显示。 （8051仿真图）
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（组态王程序图）
2.2 系统的总体组成
1.单片机8051 2.显示灯 3.PLC 4.计算机
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第三章 系统的硬件设计
3.1单片机80C51
简介
虽然目前单片机的品种很多，但其中最具代表性的当属Intel公司的MCS-51单片机系列。MCS-51以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。MCS-51系列的典型芯片是80C51（CHMOS型的8051）。为此，众多的厂商都介入了以80C51为代表的8位单片机的发展，如Philips、Siemens（Infineon）、Dallas、ATMEL等公司，我们把这些公司生产的与80C51兼容的单片机统称为80C51系列。特别是在近年来，80C51系列又有了许多发展，推出了一些新产品，主要是改善单片机的控制功能，如内部集成了高速I/O口、ADC、PWM、WDT等，以及低电压、微功耗、电磁兼容、串行扩展总线和控制网络总线性能等。
80C51单片机系列芯片如表1-1所列。表中列出了80C51单片机系列的芯片型号，以及它们的技术性能指标，可以对它们的基本情况有一个概括的了解。下面在这个表的基础上对80C51系列单片机作进一步说明。
1、51子系列和52子系列
80C51系列又分为51和52两个字系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中51子系列市基本型，而52子系列则书增强型。52子系列功能增强的具体方面，从表1-1所
内容中可以看出：
片内ROM葱4KB（千字节）增加到8KB； 片内RAM从128B增加到256B； 定时器/计数器从2个增加3个； 中断源从5个增加到6个。
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3.1.1单片机80C51
3.1.2基本组成
3.1.3实验单片机实物图
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3.2三菱PLC
1． CPU运算和控制中心 起“心脏”作用。
纵：当从编程器输入的程序存入到用户
程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。
横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
2．存储器
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具有记忆功能的半导体电路。 分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。
3．输入/输出接口 （1）输入接口：
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
（2）输出接口
PLC的继电器输出接口电路
工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
三种类型：
继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载 晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载 晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载 4．编程器
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编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。
3.2.1plc实物图
3.3计算机控制系统
计算机控制系统的组成
计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统。在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出是数字信号，而现场采集到得信号或送到执行机构的信号大多是模拟信号，因此与常规的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有数/模转换器和模/数转换器这两个环节。
计算机把通过测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出
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信号经过数模转换器送到执行机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设定值上。这种系统称为闭环控制系统。
计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。
与一般控制系统相同，计算机控制系统可以是闭环的，这时计算机要不断采集被控对象的各种状态信息，按照一定的控制策略处理后，输出控制信息直接影响被控对象。它也可以是开环的，这有两种方式：一种是计算机只按时间顺序或某种给定的规则影响被控对象；另一种是计算机将来自被控对象的信息处理后，只向操作人员提供操作指导信息，然后由人工去影响被控对象。
计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。
3.3.1计算机控制实物图
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第四章 系统软件设计
4．1组态王
简介
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
组态王kingview6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。
组态王保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。组态王kingview6.55提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该款产品的历史曲线、报表及web发布功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。
组态王在保留了原报表所有功能的基础上新增了报表向导功能，能够以组态王的历史库或KingHistorian为数据源，快速建立所需的班报表、日报表、周报表、月报表、季报表和年报表。此外，还可以实现值的行列统计功能。
组态王在web发布方面取得新的突破，全新版的Web发布可以实现画面发布，数据发布和OCX控件发布，同时保留了组态王Web的所有功能：IE浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画面，IE客户端与Web服务器保持高效的数据同步，通过网络您可以在任何地方获得与Web服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控制的功能。
组态王集成了对KingHistorian的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和工业库，极大地提高了组态王的数据存储能力，能够更好地满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。KingHistorian是亚控新近推出的独立开发的工
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业数据库。具有单个服务器支持高达100万点、256个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过20,000 条记录的强大功能。能够更好地满足高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。
4.1.1组态王软件程序
按键程序
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画面程序
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4．2单片机程序
单片机使用Keil C51 µVision4工具， Keil C51 µVision4是美国 Keil
Software 公司出品的 51 系列兼容单芯片 C 语言整合发展环境(Integrated Development Environment, IDE)，与汇编语言相比，C 语言在功能上、架构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用 C 语 言来开发，会更加体会深刻。目前最新的版本是 C51 Version 9.00 Release，也就是所谓的μVision4。 Keil C51 软件提供丰富的函数库和功能强大的除错工具，及全窗口界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编语言代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代码 效率非常之高，多数语句生成的汇编语言代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更 能体现高级语言的便利与优势。
设备模拟 - 更新支持很多新设备(例如 Infineon XC88x，SiLABS C8051Fxx， Atmel SAM7/9 和从 Luminary, NXP, and Toshiba 来的 Cortex M3 MCUs)。
新资料和指令追踪(New Data and instruction trace) - 对 ARM 和 Cortex MCUs。
基于 XML 的项目文件(XML based Project files) - 建立，检视和修改项目如同容 易可 读的 XML 本文档案一样。
串列的窗口 - 扩充到提供一个基本的 100-VT 终端机，ASCII 模式，混合模式，和 十六进制模式检视。
拖放档案开启(Drag & Drop File Opening) - 档案拖进μVision4 项目空间自动会被开启。
监控点和逻辑分析仪(Watchpoints and Logic Analyzer) - 现在更容易设定变数。
4.2.1单片机程序
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4.3 PLC程序
三菱PLC的梯形图编程程序
梯形图语言沿袭了继电器控制电路的形式，梯形图是在常用的继电器与接触
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器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，具有形象、直观、实用等特点，电气技术人员容易接受，是目前运用上最多的一种PLC的编程语言。
在PLC程序图中，左、右母线类似于继电器与接触器控制电源线，输出线圈类似于负载，输入触点类似于按钮。梯形图由若干阶级构成，自上而下排列，每个阶级起于左母线，经过触点与线圈，止于右母线。
梯形图编程 梯形图简称：LAD 软继电器
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
能流
4.3.1Plc程序流程图
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第五章 实验系统
5.1仿真
在proteus上画好仿真电路图，在keil uvision上编好程序，转换成hex文件，添加到仿真单片机上，仿真结果如下（该图已把连接线设置隐藏）：
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5.2实物调试
单片机接线，PLC接线，PLC在线模式，组态王按钮通信设置，继电器电平转换等步骤完成后，调试结果如下：
整体运行图：
组态王运行图：
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总结
《计算机控制技术》是作为大四专业主干课程，这是一门非常综合性的课程，不得不让我认识到它的重要性。学习了一个学期的理论知识，通过这次课程设计，能够很好地应用所学的理论知识，和收获更多新知识，实践让我更加扎实地掌握这门课程。
首先，老师给我们一个题目：使用plc、单片机、组态王模拟控制交通灯。我知道题目后，我们队员们讨论和查找资料，确定涉及到的知识和实现方案。再根据每个组员所擅长的部分分工完成，当然我们对每部分都集体讨论出了实现方
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案，在这期间，我们遇到问题我们也会集体讨论完成。最后我们克服层层困难，队友们的积极配合，按时完成老师所要求的实践内容。
我做基于单片机模拟交通灯的部分，重点研究了plc信号采集转化和电压比较模块。通过端口P2.5采集信号比较，判断交通灯改变的时间和状态。利用c语言实现数据处理、led灯实现交通灯显示、电频转化及其他辅助电路等组成，通过proteus软件对该系统的各项功能进行仿真。仿真结果和理论表明所设计的单片机交通灯模拟能够较好实现交通灯功能。该设计简单、抗干扰性强、实用性强，具有一定的工程应用价值。
程序也是我们设计完成的重点和难点，要独立完成几乎不可能，在完成不了的问题，我们必须学会变通，寻求网上查找知识和老师帮助，做了一系列修改调试，最后终于完成了程序编写。
根据设计的大体方向收集整理相关资料，比如关于单片机的相关知识。 在这个过程中我们都学习了很多，不断提高了自己，为了能够按时完成课程设计，良好的分工使我们能够更快更好地完成任务。最后每个组员都按照分配发挥自己全部能量完成自己应该做的部分，然后还紧密结合在一起，这是很好的一次合作。
参考文献
[1] 单片机原理与应用.李林功.科学出版社. [2] 电器控制与PLC应用.范水胜.中国电力出版社. [3] µVision IDE - Overview.http://www.keil.com/uvision/
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