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交通灯论文
时间:2013-3-23 22:55:08
摘要
        随着城市机动车量的不断增加,自80年代后期,许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况。所以,如何采用合适的控制方法,最大限度利用好城市交通道路,缓解交通拥堵状况,越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现,结构复杂,可靠性低,故障率高,较难实现功能的变更。而可编程控制器(PLC)以微处理器为核心,具有可靠性高,控制功能强,使用灵活方便等优点。特别是由PLC实现的控制系统,普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计,结构简单,抗干扰能力强,运行稳定可靠,可方便地设置定时时问,编程容易,功能扩展方便,修改灵活等,并且有完善的自诊断和显示功能,维修工作极为简单。从控制系统设计上本文运用小型可编程控制器(PLC)控制十字路口交通灯,以解决交通拥堵。并实现智能控制,即采用电感式传感器来探测车辆的通过,然后用PLC内高速计数器对车辆数量进行计数,运用一定的智能控制原则,PLC就能依据车流量的情况自动调节红绿灯的时间长度以提高交通控制效率、缓解交通拥挤、达到最优控制.
目录
第一章绪论.... 4
1.1交通信号灯的作用与研究意义... 4
1.2 PLC的产生与发展... 8
1.3 PLC的发展趋势... 10
1.4 PLC的应用领域. 11
1.5 PLC在我国的应用. 12
1.6传感器的定义及分类. 13
1.6.1传感器的线性度... 17
1.7电阻式传感器.... 18
1.7.1电阻应变式传感器和压阻式传感器. 18
1.7.2热电阻传感器. 19
1.8温湿度传感器. 19
1.9传感器的发展趋势及常用术语. 25
1.9.1传感器常用术语... 26
第二章交通灯的发展趋势..... 29
2.1交通灯的现状.... 29
2.2城市交通现状.... 30
2.3解决城市交通的有效途径—发展智能化交通.... 31
第三章城市道路智能交通信号控制系统..... 33
3.1智能交通灯的发展史. 33
3.2十字路口交通灯智能控制系统. 34
3.3车辆检测电路. 38
3.4 PLC的智能控制原则----绿灯时长智能控制原则. 39
3.5 PLC程序设计. 43
3.6结论. 43
3.7参考文献. 44
附录一外文文献... 45
湿度传感器.... 57
生物传感器.... 64
附录二程序框图... 67
第一章 绪论
1.1交通信号灯的作用与研究意义
19世纪初,在英国中部的约克城,红、绿装分别代表女性的不同身份。其中,着红装的女人表示我已结婚,而着绿装的女人则是未婚者。后来,英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故,于是人们受到红绿装启发,1868年12月10日,信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了,由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米,身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯,这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下,一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩 ,它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭,使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。
从此,城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年,在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯,不过,这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市,相继重新出现了交通信号灯。
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要,第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器,被安装在纽约市五号街的一座高塔上,由于它的诞生,使城市交通大为改善。
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎,他怀着“科学救国”的抱负到美国深造,在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天,他站在繁华的十字路口等待绿灯信号,当他看到红灯而正要过去时,一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过,吓了他一身冷汗。回到宿舍,他反复琢磨,终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯,提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族,遍及全世界陆、海、空交通领域了。
中国最早的马路红绿灯,是于1928年出现在上海的英租界。
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制,从采用计算机控制到现代化的电子定时监控,交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
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交通指挥灯是非裔美国人加莱特?摩根在1923年发明的。此前,铁路交通已经使用自动转换的灯光信号有一段时间了。但是由于火车是按固定的时刻表以单列方式运行的,而且火车要停下来不是很容易,因此铁路上使用的信号只有一种命令:通行。公路交通的红绿灯则不一样,它的职责在很大程度上是要告诉汽车司机把车辆停下来。
开车的人谁也不愿意看到停车信号。美国夏威夷大学心理学家詹姆斯指出,人有一种将刹车和油门与自尊相互联系的倾向。他说:驾车者看到黄灯亮时,心里便暗暗作好加速的准备。如果此时红灯亮了,马上就会产生一种失望的感觉。他把交叉路口称作“心理动力区”。如果他的理论成立的话,这个区域在佛罗伊德心理学理论中应该是属于超我(supere go)而非本能(id)的范畴。
新式的红绿灯能将闯红灯的人拍照下来。犯事的司机不久就会收到罚款单。有的红绿灯还具备监测车辆行驶速度的功能。
最早的交通灯出现于一八六八年英国伦敦。那时的交通灯只有红、绿两色,经改良后,再增加一盏黄色的灯,红灯表示停止,黄灯表示准备,绿灯则表示通行。
其实,用这三色来作交通讯号和人的视觉机能结构和心理反应有关。
我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞,。杆状细胞对黄色的光特别敏感,三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。由于这种视觉结构,人最容易分辨红色与绿色。虽然黄色与蓝色也容易分辨,但因为眼球,对蓝光敏感的感光细胞较少,所以分辨颜色,还是以红、绿色为佳。所以,交通灯用什么颜色也是有大学问的呀 !
颜色也有活动(activity)的含意,要表达热或剧烈的话,最强是红色,其次是黄色。绿色则有较冷及平静的含意。因此,人们常以红色代表危险,黄色代表警觉,绿色代表安全。
而且,由于红光的穿透力最强,其他颜色的光很容易被散射,在雾天里就不容易看见,而红光最不容易被散射,即使空气能见度比较低,也容易被看见,不会发生事故。所以我们用红色表示禁止。
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。
随着城市机动车量的不断增加,许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况,因此,自80年代后期,这些城市纷纷修建城市高速道路,在高速道路建设完成的初期,它们也曾有效地改善了交通状况。然而,随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制,高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点,也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以,如何采用合适的控制方法,最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路,缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况,越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
根据交通灯工艺控制要求与特点,我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点,是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富,可以接各种输出、输入扩充设备,有丰富的特殊扩展设备,其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的,能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制。
本系统采用PLC是基于以下四个原因:
①PLC具有很高的可靠性,通常的平均无故障时间都在30万小时以上;
②编程能力强,可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现;③抗干扰能力强,目前空中各种电磁干扰日益严重,为了保证交通控制的可靠稳定,我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC;近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高,使得实际应用成为可能。自从有铁路以来,就出现了为沿某段轨道行驶的列车显示是否安全的信号了。1868年,发明家J·P·奈特产生了将这些信号应用在道路的想法。他在伦敦的议会大楼外设置了第一个交通信号。它们像铁路信号一样有一个倾侧臂,并且将红色和绿色的煤气灯组合起来供夜晚使用的。然而,当某个信号灯发生爆炸并炸死了一名警察后,这个计划就告吹了。
由于汽车的发明以及交通量的不断增加,交通信号日益成为一种需要,特别是在美国。20世纪初,阿尔弗雷德·贝尼施开发出一种红绿灯系统,并且在俄亥俄州的克利夫兰进行了第一批安装。4年后,在设置于纽约的交通灯上又增加了第3种颜色一墟拍色。1925年,交通信号重新出现在英国。
自动信号很快被开发出来。1926年出现了用定时器加以控制的灯。6年以后,又采用了由交通行列本身通过道路上的压力垫而进行操作的信号。
到1903年时,伦敦的交通己成问题。马车、机动车和自行车的混合状态,
大概正像如今飞速行进的汽车一样危险。现代交通信号常常由电脑来控制。电脑与道路底下的交通检测器相连接,监交通流量并测算出改变灯光的最佳时间。
     1.2 PLC的产生与发展
在可编程控制器出现前,在工业电气控制领域中,继电器控制占主导地位,应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点,特别是其接线复杂、不易更改,对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司(G.M)为了适应汽车型号的不断更新,生产工艺不断变化的需要,实现小批量、多品种生产,希望能有一种新型工业控制器,它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线,以降低成本,缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来,制成一种通用控制装置,而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程,使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
1969年美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求,研制成功了世界上第一台可编程控制器,并在通用汽车公司的自动装配线上试用,取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能,只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller )。随着微电子技术和计算机技术的发展,20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中,使PLC不仅具有逻辑控制功能,还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后,随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展,16位和32位微处理器应用于PLC中,使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强,同时可靠性提高,功耗、体积减小,成本降低,编程和故障检测更加灵活方便,而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能,使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
自从第一台PLC出现以后,日本、德国、法国等也相继开始研制PLC,并得到了迅速的发展。目前,世界上有200多家PLC厂商,400多品种的PLC产品,按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品,各流派PLC产品都各具特色,如日本主要发展中小型PLC,其小型PLC性能先进,结构紧凑,价格便宜,在世界市场上占用重要地位。著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B(Allen-Bradly)公司、GE(General Electric)公司,日本的三菱电机(Mitsubishi Electric)公司、欧姆龙(OMRON)公司,德国的AEG公司、西门子(Siemens)公司,法国的TE(Telemecanique)公司等。
我国的PLC研制、生产和应用也发展很快,尤其在应用方面更为突出。在20世纪70年代末和80年代初,我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。此后,在传统设备改造和新设备设计中,PLC的应用逐年增多,并取得显著的经济效益,PLC 在我国的应用越来越广泛,对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。目前,我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC,如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。
从近年的统计数据看,在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首,而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。
1.3 PLC的发展趋势
1.向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力,要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前,有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面,有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量,有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
2.向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型PLC比较多,为了适应市场的多种需要,今后PLC要向多品种方向发展,特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC,其使用32位微处理器,多CPU并行工作和大容量存储器,功能强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展,使配置更加灵活,为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC,最小配置的I/O点数为8~16点,以适应单机及小型自动控制的需要,如三菱公司α系列PLC。
3.PLC大力开发智能模块,加强联网通信能力 为满足各种自动化控制系统的要求,近年来不断开发出许多功能模块,如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块,既扩展了PLC功能,又使用灵活方便,扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力,是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类:一类是PLC之间联网通信,各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段;另一类是PLC与计算机之间的联网通信,一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力,PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准,以构成更大的网络系统,PLC已成为集散控制系统(DCS)不可缺少的重要组成部分。
4.增强外部故障的检测与处理能力 根据统计资料表明:在PLC控制系统的故障中,CPU占5%,I/O接口占15%,输入设备占45%,输出设备占30%,线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障,它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理;而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此,PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块,进一步提高系统的可靠性。
5.编程语言多样化 在PLC系统结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富,功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外,为了适应各种控制要求,出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言(BASIC、C语言等)等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
1.4 PLC的应用领域
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使得其应用受到限制。但最近十多年来,PLC的应用面越来越广,其主要原因是:一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降,使得PLC的成本下降;另一方面PLC的功能大大增强,它也能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常可分成以下5种类型:(1)顺序控制这是PLC应用最广泛的领域,也是最适合PLC使用的领域。它用来取代传统的 继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。例如:注塑机械、印刷机械、、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。(2)运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,在多数情况下,PLC把描述目标位置的数据送给模块,其输出移动一轴或数据到目标位置。每个轴移动时,位置控制模块保持适当的位置和加速度,确保运动平滑。(3)过程控制PLC还能控制大量的过程参数,例如:温度、流量、压力、液位和速度。PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定植上。(4)数据处理在机械加工中,PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中,可以完成大量的数据处理工作。(5)通信网络PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备(如计算机、变频器、数控装置)之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起,可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
1.5 PLC在我国的应用
虽然我国在PLC生产方面比较弱,但在PLC应用方面,我国是很活跃的,近年来每年约新投入10万台套PLC产品,年销售额30多亿人民币,应用的行业也很广。
在我国,一般按I/O点数将PLC分为以下级别(但不绝对,国外分类有些区别):
微型:32 I/O
小型:256 I/O
中型:1024 I/O
大型:4096 I/O
巨型:8192 I/O
在我国应用的PLC系统中,I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%,64点~256点的占31%,合计占整个PLC销售额的78%。
    在我国应用的PLC,几乎涵盖了世界所有的品牌,呈现百花齐放的态势,但从行业上分,有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美PLC居多,小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。欧美PLC在网络和软件方面具有优势,而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。
我国的PLC供应渠道,主要有制造商、分销商(代理商)、系统集成商、OEM用户、最终用户。其中,大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。

1.6传感器的定义及分类

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。   
  瓷可以用不同的观点对传感器进行分类:它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应);它们的用途;它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
  根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器二大类 :
  传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
  化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
  有些传感器既不能划分到物理类,也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多,例如可靠性问题,规模生产的可能性,价格问题等,解决了这类难题,化学传感器的应用将会有巨大增长。
  常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。
  1.按照其用途,传感器可分类为:
  压力敏和力敏传感器  位置传感器  液面传感器  能耗传感器
  速度传感器  加速度传感器  射线辐射传感器  热敏传感器
  2.按照其原理,传感器可分类为:
  振动传感器  湿敏传感器  磁敏传感器  气敏传感器  真空度传感器  生物传感器等。
  以其输出信号为标准可将传感器分为:
  模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
  数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。
  膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。
  开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。在外界因素的作用下,所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类:
  (1)按照其所用材料的类别分
  金属  聚合物 陶瓷 混合物
(2)按材料的物理性质分
导体 绝缘体 半导体 磁性材料
  (3)按材料的晶体结构分
  单晶 多晶 非晶材料
  与采用新材料紧密相关的传感器开发工作,可以归纳为下述三个方向:
  (1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应,然后使它们能
传感器技术中得到实际使用。
  (2)探索新的材料,应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。
  (3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应,并在传感器技术中加以具体实施。
  现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。
  按照其制造工艺,可以将传感器区分为:
  集成传感器薄膜传感器厚膜传感器陶瓷传感器
  集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。  薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的,相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时,同样可将部分电路制造在此基板上。  厚膜传感器是利用相应材料的浆料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是Al2O3制成的,然后进行热处理,使厚膜成形。
  陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。
  完成适当的预备性操作之后,已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性,在某些方面,可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。
  每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低,以及传感器参数的高稳定性等原因,采用陶和厚膜传感器比较合理。
传感器静态特性
  传感器的静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关,所以它们之间的关系,即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入量作横坐标,把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有:线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
传感器动态特性
所谓动态特性,是指传感器在输入变化时,它的输出的特性。在实际工作中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得,并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
1.6.1传感器的线性度
  通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中,为使仪表具有均匀刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。
  拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线,此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
传感器的灵敏度
  灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
  它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度S是一个常数。否则,它将随输入量的变化而变化,灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如,某位移传感器,在位移变化1mm时,输出电压变化为200mV,则其灵敏度应表示为200mV/mm。
  当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度,可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高,测量范围愈窄,稳定性也往往愈差。
分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说,如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时,传感器的输出不会发生变化,即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时,其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同,因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示,则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。

1.7电阻式传感器

电阻式传感器是将被测量,如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
1.7.1电阻应变式传感器和压阻式传感器
传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应,即在外力作用下产生机械形变,从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类,金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高(通常是丝式、箔式的几十倍)、横向效应小等优点。压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件,扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时,各电阻值将发生变化,电桥就会产生相应的不平衡输出。用作压阻式传感器的基片(或称膜片)材料主要为硅片和锗片,硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视,尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
1.7.2热电阻传感器
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻
热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合,这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等,它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃~+500℃范围内的温度。
1.8温湿度传感器
室温管温传感器:
室温传感器用于测量室内和室外的环境温度,管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。室温传感器和管温传感器的形状不同,但温度特性基本一致。按温度特性划分,目前美的使用的室温管温传感器有二种类型:1、常数B值为4100K±3%,基准电阻为25℃对应电阻10KΩ±3%。温度越高,阻值越小;温度越低,阻值越大。离25℃越远,对应电阻公差范围越大;在0℃和55℃对应电阻公差约为±7%;而0℃以下及55℃以上,对于不同的供应商,电阻公差会有一定的差别。兹附“南韩新基”传感器的温度与电阻的对应关系表(中间为标称值,左右分别为最小最大值):-10℃→(57.1821─62.2756─67.7617)KΩ;-5℃→(48.1378─46.5725─50.2355)KΩ;0℃→(32.8812─35.2024─37.6537)KΩ;5℃→(25.3095─26.8778─28.5176)KΩ;10℃→(19.6624─20.7184─21.8114)KΩ;15℃→(15.4099─16.1155─16.8383)KΩ;20℃→(12.1779─12.6431─13.1144)KΩ;30℃→(7.67922─7.97078─8.26595)KΩ;35℃→(6.12564─6.40021─6.68106)KΩ;40℃→(4.92171─5.17519─5.43683)KΩ;45℃→(3.98164─4.21263─4.45301)KΩ;50℃→(3.24228─3.45097─3.66978)KΩ;55℃→(2.65676─2.84421─3.04214)KΩ;60℃→(2.18999─2.35774─2.53605)KΩ。除个别老产品外,美的空调电控使用的室温管温传感器均使用这种类型的传感器。常数B值为3470K±1%,基准电阻为25℃对应电阻5KΩ±1%。同样,温度越高,阻值越小;温度越低,阻值越大。离25℃越远,对应电阻公差范围越大。兹附“日本北陆”传感器的温度与电阻的对应关系表(中间为标称值,左右分别为最小最大值):-10℃→(22.1498─22.7155─23.2829)KΩ;0℃→(13.9408─14.2293─14.5224)KΩ;10℃→(9.0344─9.1810─9.3290)KΩ;20℃→(6.0125─6.0850─6.1579)KΩ;30℃→(4.0833─4.1323─4.1815)KΩ;40℃→(2.8246─2.8688─2.9134)KΩ;50℃→(1.9941─2.0321─2.0706)KΩ;60℃→(1.4343─1.4666─1.4994)KΩ。这种类型的传感器仅用于个别老产品,如RF7.5WB、T-KFR120C、KFC23GWY等。
排气温度传感器:
  排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度,常数B值为3950K±3%,基准电阻为90℃对应电阻5KΩ±3%。兹附“日本芝蒲”传感器的温度与电阻的对应关系表(中间为标称值,左右分别为最小最大值):-30℃→(823.3─997.1─1206)KΩ;-20℃→(456.9─542.7─644.2)KΩ;-10℃→(263.7─307.7─358.8)KΩ;0℃→(157.6─180.9─207.5)KΩ;10℃→(97.09─109.8─124.0)KΩ;20℃→(61.61─68.66─76.45)KΩ;25℃→(49.59─54.89─60.70)KΩ;30℃→(40.17─44.17─48.53)KΩ;40℃→(26.84─29.15─31.63)KΩ;50℃→(18.35─19.69─21.12)KΩ;60℃→(12.80─13.59─14.42)KΩ;70℃→(9.107─9.589─10.05)KΩ;80℃→(6.592─6.859─7.130)KΩ;100℃→(3.560─3.702─3.846)KΩ;110℃→(2.652─2.781─2.913)KΩ;120℃→(2.003─2.117─2.235)KΩ;130℃→(1.532─1.632─1.736)KΩ。
模块温度传感器:
模块温度传感器用于测量变频模块(IGBT或IPM)的温度,目前用的感温头的型号是602F-3500F,基准电阻为25℃对应电阻6KΩ±1%。几个典型温度的对应阻值分别是:-10℃→(25.897─28.623)KΩ;0℃→(16.3248─17.7164)KΩ;50℃→(2.3262─2.5153)KΩ;90℃→(0.6671─0.7565)KΩ。
  温度传感器的种类很多,现在经常使用的有热电阻:PT100、PT1000、Cu50、Cu100;热电偶:B、E、J、K、S等。温度传感器不但种类繁多,而且组合形式多样,应根据不同的场所选用合适的产品。
  测温原理:根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理,我们可以得到所需要测量的温度值。
  高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上,用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极,再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中,因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化,此即为湿度传感器的基本机理。影响高分子电容型元件的温度特性,除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外,还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。根据德拜理论的观点,液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的ε在T=5℃时为78.36,在T=20℃时为79.63。有机物ε与温度的关系因材料而异,且不完全遵从正比关系。在某些温区ε随T呈上升趋势,某些温区ε随T增加而下降。多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为:高分子聚合物具有较温度传感器的种类很多,现在经常使用的有热电阻:PT100、PT1000、Cu50、Cu100;热电偶:B、E、J、K、S等。温度传感器不但种类繁多,而且组合形式多样,应根据不同的场所选用合适的产品。
  测温原理:根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理,我们可以得到所需要测量的温度值。
高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上,用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极,再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中,因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化,此即为湿度传感器的基本机理。影响高分子电容型元件的温度特性,除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外,还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。根据德拜理论的观点,液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的ε在T=5℃时为78.36,在T=20℃时为79.63。有机物ε与温度的关系因材料而异,且不完全遵从正比关系。在某些温区ε随T呈上升趋势,某些温区ε随T增加而小的介电常数,如聚酰亚胺在低湿时介电常数为3.0一3.8。而水分子介电常数是高分子ε的几十倍。因此高分子介质在吸湿后,由于水分子偶极距的存在,大大提高了吸水异质层的介电常数,这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。由于ε的变 化,使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。作为电容器,高分子介质膜的厚度d和平板电容的效面积S也和温度有关。温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。高分子聚合物的平均热线胀系数可达到 的量级。例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108x10-5/℃。随着温度上升,介质膜厚d增加,对C呈负贡献值;但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加,即对C呈正值贡献。可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配,在不同的湿度范围温漂不同;在不同的温区呈不同的温度系数;不同的感湿材料温度特性不同。总之,高分子湿度传感器的温度系数并非常数,而是个变量。所以通常传感器生产厂家能在-10-60摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。
  比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂,产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极,再喷镀感湿介质材料(如前所述)形式平整的感湿膜,再在薄膜上蒸发上金电极.湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系,线性度约±2%。虽然,测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想,在工业领域使用,寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。
陶瓷湿敏传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。优点在于能耐高温,湿度滞后,响应速度快,体积小,便于批量生产,但由于多孔型材质,对尘埃影响很大,日常维护频繁,时常需要电加热加以清洗易影响产品质量,易受湿度影响,在低湿高温环境下线性度差,特别是使用寿命短,长期可靠性差,是此类湿敏传感器迫切解决的问题。
当前在湿敏元件的开发和研究中,电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域,其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点,氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史,有着多种多样的产品型式和制作方法,都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。
  氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料,在众多的感湿材料之中,首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件,氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。
  氯化锂湿敏器件的衬底结构分柱状和梳妆,以氯化锂聚乙烯醇涂覆为主要成份的感湿液和制作金质电极是氯化锂湿敏器件的三个组成部分。多年来产品制作不断改进提高,产品性能不断得到改善,氯化锂感湿传感器其特有的长期稳定性是其它感湿材料不可替代的,也是湿度传感器最重要的性能。在产品制作过程中,经过感湿混合液的配制和工艺上的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。
  迟滞特性表征传感器在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度,通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。
  迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。
  接口传感器
  魏德米勒传感器/执行器接口产品,可以通过加装相应的总线协议适配器,SAI产品可以直接连接到现场总线。可以支持Profibus-DP、CANopen、DeviceNet、Interbus和ASi现场总线协议。
  无源传感器/执行器接口产品(SAI)
  防护等级达到IP68,可直接安装而无需防护。
  节约安装材料、时间、空间。
  提供4、6、8路的分配器,每路有3针、4针和5针的结构(提供一路和两路信号)。
  有带接线盖型(标准型)和电缆预制型。
  可另外提供金属外壳的产品,适用于食品行业。
  带有信号和电源的指示。
  有源传感器/执行器接口产品(SAI)
  通过加装相应的总线协议适配器,SAI产品可以直接连接到现场总线。可以支持Profibus-DP、 CANopen、DeviceNet、Interbus和ASi现场总线协议。
  提供两种防护等级的产品:IP67(总线连接方式为圆形接头连接),IP68(总线连接方式为自装配型)。
  提供8DI、8DO、8DI/4DO、16DI、8DI/8DO五种输入输出的产品。
1.9传感器的发展趋势及常用术语
采用新原理、开发新型传感器;
大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求);
传感器的集成化;
传感器的多功能化;
传感器的智能化(Smart Sensor);
研究生物感官,开发仿生传感器。
2008年全球传感器市场容量为506亿美元,预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示,东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场,占第二位的是过程控制市场,看好通讯市场前景。
一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中,无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。
目前,全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。

1.9.1传感器常用术语

1.能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常有敏感元件和转换元件组成。
2.敏感元件是指传感器中能直接(或响应)被测量的部分。转换元件指传感器中能较敏感元件感受(或响应)的  量转换成是与传输和(或)测量的电信号部分。当输出为规定的标准信号时,则称为变送器。(测量范围)在允许误差限内被测量值的范围。
3.量程
测量范围上限值和下限值的代数差。
4.精确度
被测量的测量结果与真值间的一致程度。
5.重复性
在所有下述条件下,对同一被测的量进行多次连续测量所得结果之间的符合程度:
相同测量方法:
相同观测者:
相同测量仪器:
相同地点:
相同使用条件:
在短时期内的重复。
6.分辨力
传感器在规定测量范围圆可能检测出的被测量的最小化。
7.阈值
能使传感器输出端产生可测变化量的被测量的最小变化量。
8.零位
使输出的绝对值为最小的状态,例如平衡状态。
9. 激励
为使传感器正常工作而施加的外部能量(电压或电流)。
10. 最大激励
在市内条件下,能够施加到传感器上的激励电压或电流的最大值。
11. 输入阻抗
在输出端短路时,传感器输入的端测得的阻抗。
12. 输出
有传感器产生的与外加被测量成函数关系的电量。
13. 输出阻抗
在输入端短路时,传感器输出端测得的阻抗。
14. 零点输出
在市内条件下,所加被测量为零时传感器的输出。
15. 滞后
在规定的范围内,当被测量值增加和减少时,输出中出现的最大差值。
16. 迟后
输出信号变化相对于输入信号变化的时间延迟。
17. 漂移
在一定的时间间隔内,传感器输出终于被测量无关的不需要的变化量。
18. 零点漂移
在规定的时间间隔及室内条件下零点输出时的变化。
19. 灵敏度
传感器输出量的增量与相应的输入量增量之比。
20. 灵敏度漂移
由于灵敏度的变化而引起的校准曲线斜率的变化。
  21.热灵敏度漂移
  由于灵敏度的变化而引起的灵敏度漂移。
  22. 热零点漂移
  由于周围温度变化而引起的零点漂移。
  23. 线性度
  校准曲线与某一规定直线一致的程度。
  24. 非线性度
  校准曲线与某一规定直线偏离的程度。
  25.长期稳定性
  传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。
  26. 固有凭率
  在无阻力时,传感器的自由(不加外力)振荡凭率。
  27. 响应
  输出时被测量变化的特性。
  28.补偿温度范围
使传感器保持量程和规定极限内的零平衡所补偿的温度范围。
  29. 蠕变
当被测量机器多有环境条件保持恒定时,在规定时间内输出量的变化。
  30. 绝缘电阻
如无其他规定,指在室温条件下施加规定的直流电压时,
第二章交通灯的发展趋势
2.1交通灯的现状
自从有铁路以来,就出现了为沿某段轨道行驶的列车显示是否安全的信号了。1868年,发明家J·P·奈特产生了将这些信号应用在道路的想法。他在伦敦的议会大楼外设置了第一个交通信号。它们像铁信号一样有一个倾侧臂,并且将红色和绿色的煤气灯组合起来供夜晚使用的。然而,当某个信号灯发生爆炸炸死了一名警察后,这个计划就告吹了。由于汽车的发明以及交通量的不断增加,交通信号日益成为一种需要,特别是在美国。20世纪初,阿尔弗雷德·贝尼施开发出一种红绿灯系统,并且在俄亥俄州的克利夫兰进行了第一批安装。4年后,在设置于纽约的交通灯上又增加了第3种颜色一墟拍色。1925年,交通信号重新出现在英国。信号很快被开发出来。1926年出现了用定时器加以控制的灯。6年以后,又采用了由交通行列本身通过道路上的压力垫而进行操作的信号。到1903年时,伦敦的交通己成问题。马车、机动车和自行车的混合状态,大概正像如今飞速行进的汽车一样危险。现代交通信号常常由电脑来控制。电脑与道路底下的交通检测器相连接,监视交通流量并测算出改变灯光的最佳时间。
2.2城市交通现状
据一项对美国主要城市交通状况的调查结果,在1982年至2000年间,美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧,由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达680亿美元。一位在美国市区驾车上班者在2000年全年平均在路上遇到塞车的时间长达62小时。根据欧美的经验,交通拥挤造成负面影响中,交通事故、汽油过量和时间成本约各占三成。以广州为例来讲,现在市区平均车速只有每小时12公里,而建设内环路目的是使车速增加到22.5公里。用这个目标速度代入欧美标准计算,
广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值:每年耗费1.5亿小时,减少生产总值117亿元。相当于该市整个生产总值的70/0!117亿的庞大数字提醒我们,如果我
国的交通状况得不到根本改善,那么随着城市的不断发展,所付出的代价将更加巨大。我国大城市道路建设先天不足。在北美、澳大利亚等大城市,道路面积率高达35%一40%,而北京只有20%。缓解交通拥堵,加快道路建设是当务之急。据悉,到2010年,北京将投资500亿元用于城市道路建设,到2005年,北京仅高速公路通车里程就达到600公里。但一味发展城市道路,也会刺激私家车超常规发展,两者发展速度的失衡,最终还是逃不出“拥堵—修路—再拥堵”的怪圈。
据介绍,造成城市交通拥挤的原因有很多。中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题,据有关资料显示:北京、上海、广州三大城市与伦敦、纽约、巴黎和东京相比,三个城市的公共交通出行比例都比国外大城市小,尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。由于我国城市的公共交通系统普遍不发达,因此总体的城市交通效率不高。北京、上海和广州交通拥挤都很严重,但引起拥挤的原因不完全一样。北京和广州的机动车保有量过多,道路负荷大,是引起拥挤的根本原因;而上海的拥挤是因为交通量时空分布不均、机动车和非机动车混行严重等其他原因造成的。从我国目前各大城市的交通结构看,普遍存在常规公共交通系统发展不足,快速轨道交通系统发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发展势头强劲的不协调现象。因此,要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服务范围,充分发挥各种交通方式的优点,使其合理分工,才能发挥整个交通系统的效率。
2.3解决城市交通的有效途径—发展智能化交通
城市交通矛盾的日益突出,已开始影响城市的发展,为了解决这个问题,专家提出了许多建议,如限制私人购车,增加道路宽度,建立交桥,发展城市轨道交通等等。这些措施和办法虽然短期内也能缓解交通压力,但从长远来看,城市的空间毕竟是有限的,这些办法除了需要大量的资金支持外,还要付出惨重的代价。特别是像北京这样的著名历史文化古城,一味地扩展路面,不仅使古建筑和古迹遭到破坏,也破坏了城市独有特征。那么解决城市拥堵的最科学又行之有效的途径在哪里呢?最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。智能化交通系统(工TS)是将先进的信息技术、电子通讯技术、自动控制技术、计算机技术以及网络技术等综合运用于整个交通运输,从而实现运输方式和交通管理的现代化。智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史,
是目前发达国家普遍采用的交通管理方式,这种方式是在发达的交通网络基础上,应用卫星定位系统,对所辖区域的交通流量实施有效控制,使有限的交通网络功能得到充分合理的利用,极大发挥城市的载体功能。20世纪90年代中期后,欧、美发展智能化交通明显加快。主张采用智能交通系统的人士说,这种技术将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间;除此之外,智能交通系统能够减少交通事故,减少因事故造成的部分经济损失。在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下,我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列,一些特大城市的交通污染在世界上已名列前茅,1998年全国交通事故死亡7.8万人,占全世界交通死亡人数的1/6,死亡率世界
第一。美国有两亿辆机动车,1998年交通事故死亡人数不足4万人。为了解决这一系列的问题,一方面要增加交通设施的投入,加速交通供给的建设。更重要的是要充分合理科学地使用现有的道路交通设施,发挥它们最大的作用,要达到这个目的,采用工TS是根本的措施之一。换言之,在中国推行智能交通系统,势在必行。在北京召开的“第二届国际智能交通系统(工TS)技术研讨暨技术与产品展
览会”上透露。我国将投资20亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭州、中山10个城市进行交通智能化改造,到2006年,这10个城市将全部实现交通的智能化。随着经济的发展和社会进步,迅捷、高效的交通系统己成为我国社会经济发展的有力保障,为实现与经济快速增长相适应的交通运输体系,我国政府已将智能交通系统列为未来发展的一个重要方向。杭州市交管局有关人士介绍,不久杭州街头将出现长“眼睛”的感应红绿灯,该系统通过道路上的监控电视镜头、微波检测器和埋在地底下的线圈检测器采集记录分析交通流量、车速等信息,根据这些信息发出或调整控制信号,实现信号的优化配时,减少绿灯空放。据悉,杭州市交管局正力争在近几年内基本实现交通管理决策科学化,交通指挥调度智能化城市快速路网络管理智能化,交通信号控制智能化,交通管理电子警务和电子政务,使杭州的城市道路交通管理现代化达到全国先进水平。有关专家称,由于土地面积有限,不可能完全依赖交通基础设施来满足日益增长的交通需求,迫切需要利用高新技术,挖掘现有交通设施的潜力。发展智能交通,就是为杭州提供一个快速、安全、高效、便利的交通网络,满足杭州现在和未来的需要。此外,发展智能交通对交通安全、节省能源、城市环保等方面还有无穷妙用。
第三章城市道路智能交通信号控制系统
3.1智能交通灯的发展史
交通问题是我国社会经济发展的一个大问题,我国的人口压力、现代化建设、城市化等都将使这个问题日益突出.交通是否便捷是衡量一个城市生活水平与投资环境的重要指标.目前,我国许多大城市都在考虑建设地铁或轻轨以缓解交通压力.但是,建设地铁或轻轨都需要大量的资金与时间,这对大多数中小城市都不现实.所以,改善与提高现有的交通系统的效率已成为当务之急,而提高交通控制系统的效率更是重中之重.目前,我国城市十字路口的交通灯控制系统基本上都采用定时控制方式.这样必然产生如下弊端:当某条道路的车流量很大却要等待红灯,而此时另一条空道或车流量相对少得多的道路却依然按原定时间亮着绿灯,这种现象是未对道路的实际情况进行实时监控所造成的.这样的交通控制系统效率低,容易造成交通拥挤,而且也浪费人力、物力.因此,我们有必要寻求一种具有智能的交通控制系统.这种智能交通控制系统能够根据车流量的变化自动调节红绿灯的时间长度,最大限度地减少十字路口的车辆滞流现象,有效的缓解交通拥挤、实现交通控制系统的最优控制,大大的提高了交通控制系统的效率.随着我国人民生活水平的不断提高,城市化的推进与私家车数量的猛增,道路交通拥挤的问题日益突出,可以预见,智能交通控制系统将具有广大的应用前景.
3.2十字路口交通灯智能控制系统
传统的十字路口交通灯是在十字路口的东、西、南、北各个方向分别装有红、黄、绿灯各一套.其控制一般采用定时控制方式,即首先是南、北红灯亮并维持30s,与此同时,东、西绿灯也亮,但只维持25s,25s时间到,东、西绿灯闪亮3s后熄灭,东、西黄灯再亮2s后熄灭,东、西红灯亮,与此同时,南、北,红灯熄灭,南、北绿灯亮;然后东、西红灯亮并维持30s,南、北绿灯亮并维持25s,25s到时,南、北绿灯闪亮3s后熄灭,南、北黄灯再亮2s.2s时间到,南、北黄灯熄灭,南、北红灯亮,同时东、西红灯熄灭,东、西绿灯亮.以后开始下一周期的动作,周而复始地循环.
其梯形图如下
当有急车来时,将该方向急车强通开关接通,无论原来信号灯的状态如何,一律强制让急车方向的绿灯亮,使急车放行,直至急车通过为止.急车一过急车强通开关断开,交通灯的状态立即转为急车放行。
方向上的绿灯闪3s,随后按正常方式控制. 这种定时控制方式虽然考虑了紧急车辆的通行,但由于采用定时切换红绿灯,这样必然会产生上述弊端:即当某条道路的车流量很大,而此时另一条道路可能是空道或者车流量相对少得多的道路,按照这种定时控制方式,车流量很大道路也要等待红灯而另一条道路无车却依然按原定时间亮绿灯,这种现象是未能对道路车辆的实际情况进行实时监控所造成的.显然,这样的交通灯控制系统效率较低,无法依据道路与季节变化情况改变控制方式,容易造成交通拥挤,也浪费人力、物力.因此,从提高交通控制系统的效率出发,有必要寻求一种具有智能的交通控制系统.它能够依据道路与季节变化情况改变制方式或自动调节红绿灯的时间长度,最大限度地减少十字路口的车辆滞流现象,有效的缓解交通拥挤、实现交通控制系统的最优控制.为此,可采用如下方案进行交通灯控制:首先,采用电感式传感器探测车辆的流量以得到车辆脉冲,然后把这一脉冲输入到PLC;考虑到车辆脉冲的频率,采用PLC内高速计数器对车辆脉冲的上升沿进行计数,并按一定的智能控制原则自动调节红绿灯的时间长度.电感式车辆探测传感器及交通灯布置示意图见右图1.该系统属单机控制系统,即一台PLC控制一个十字路口交通灯,主要由车辆探测器、PLC、交通灯等三部分组成.同时,考虑到PLC的投资与系统的适应性等问题,本系统采用小型PLC为主控制器,如三菱小型PLC系列的FX2N—32MR,其性价比较好.图中,车辆探测器1的信号输入PLC内高速计数器,用于探测车辆通过信号,其距十字路口的安装距离可依据本系统最大计数车辆确定,一般可取200—250m.高速计数器计数频率可达10kHz,可满足探测车辆要求.由于PLC内高速计数器只有六个可同时工作,考虑到车辆出口速度一般较慢,车辆探测器2的车辆通过信号可由PLC内部计数器计数,一般每个方向可设三个,分别为左转、前行、右转.另外,采用继电器输出的PLC可直接驱动交通灯.由上可见,本系统结构简单,可靠性高,且成本不高,特别适合于交通繁忙,无立交的十字路口.当然,本系统也可采用通信联网,适合于一条道路上多个十字交通路口的智能控制.
 

                       
3.3车辆检测电路
本系统采用电感式传感器,它是专门用于车辆检测的磁感应探测器,可直接得到标准输出的脉冲信号.该电感式传感器的高频电流频率为60kHz,尺寸为2×3m,电感约为100uH,这种传感器脉冲可检测的电感变化率在0.3%输出以上.可用于单车道的车辆检测,其脉冲输出信号可直接输入PLC.

3.4 PLC的智能控制原则----绿灯时长智能控制原则
PLC的智能控制原则是本控制系统的核心,是系统如何依据车辆脉冲的计数结果自动输出以调节红绿灯的时间长度的控制逻辑.由于十字路口的交通灯,南北方向的车辆都是同时停止,同时流通的,东西方向也是这样,所以只要取南、北方向车辆的最大值和东、西方向的最大值进行比较,而不是对南、北方向车辆总和与东、西方向的车辆总和进行比较.另外,由于十字路口的交通灯控制是实时的,考虑到小型PLC的长处是控制而非复杂的逻辑运算,为了简化逻辑运算,提高PLC的控制输出速度,本系统采用“规模分档”的绿灯时长智能控制原则,即:把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档,相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档.这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长,达到最大限度的有车放行,减少十字路口的车辆滞流,缓解交通拥挤、实现最优控制,从而提高了交通控制系统的效率.同时采用如下约定:若按上、中、下三档考虑,假定现在要控制东西方向的绿灯时长,则若东西方向的车流规模小,而南北方向的车流规模同样小,则采取中长度的时间,否则取小长度的时间;若东西方向的车流规模为中,则不管南北方向的车流规模如何都取中长度的时间;若东西方向的车流规模为大,而南北方向的车流规模同样为大,则采取中长度的时间(这是为了加快交通的流动频率,提高系统效率),否则采取大长度的时间.东西方向与南北方向绿灯时长的逻辑运算见表1--4.(采用PLC内中间继电器实现).
表1东西车道车流规模比较
                                      

表2南北车道车流规模比较       

其中:M6、M7、M8分别表示北            
车道的车流规模小、中、大;
M9、M10、M11分别表示南
车道的车流规模小、中、大;
由表2可得南北车道车流规模逻辑运算结果:小(M503):M6*M9;
中(M504):M7M9+M7M10+M6M10;大(M505):M8+M11
表3东西方向绿灯时间长度控制  

 

表4南北方向绿灯时间长度控制



以上车辆的计数和车流量的比较及绿灯时间长度控制全部由PLC完成.在一个红绿灯周期中,每当东西或南北绿灯亮之前,PLC都以高速计数器、内部计数器中采集的数据,即某一道路中高速计数器的计数值减去内部计数器中的计数值,作为该道路的车辆滞流量(其他通道同理),然后判定该道路的车流规模,进而判定东西、南北的车流规模,最后根据以上阐述的智能控制原则,调整绿灯时长.绿灯时长输出后,内部计数器立即清零并继续计数,高速计数器在原有的车辆滞流量基础上继续计数,为下一个红绿灯周期做准备.当然,以上的车流规模与绿灯时间长度都可以方便地依据道路与季节变化情况而改变.
3.5 PLC程序设计
PLC程序设计是本系统的重要内容,设计中采用顺序功能图与梯形图相结合的方法设计程序.十字路口交通灯智能控制程序框图参见图3.该PLC程序在调试中验证了本文上述的PLC的智能控制原则.

 
 
3.6结论
本系统可以提高交通控制效率,是一种具有智能的交通控制系统.它能够依据道路与季节变化情况自动调节红绿灯的时间长度,减少十字路口的车辆滞流,缓解交通拥挤、实现交通控制系统的最优控制.有了它,可以方便地对传统的定时交通控制系统进行改造升级,并可通过组网与122或GPS系统进行通信.同时,由于其结构简单,可靠性高,且成本较低,特别适合于交通繁忙,无立交的十字路口,其经济与社会效益十分明显,具有较高的推广价值.
 
         
3.7参考文献
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