十字路口交通信号灯(虚拟仪器Labview).doc

虚拟仪器大型实验 课程名称 课程名称 十字路口交通信号灯的设计十字路口交通信号灯的设计 学学 期 期 20122012 20132013 第二学期第二学期 分分 院 院 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 学学 号 号 任课教师 任课教师 二 一三年六月 十字路口交通信号灯的设计 摘要 虚拟仪器是将仪器技术 计算机技术 总线技术和软件技术紧密的 融合在一起 利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能 打破了 传统仪器的框架 形成的一种新的仪器模式 虚拟仪器 virtual instrumention 是基于计算机的仪器 计算机和仪 器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向 粗略地说这种结合有两种方 式 一种是将计算机装入仪器 其典型的例子就是所谓智能化的仪器 随着 计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小 这类仪器功能也越来越强大 目前已经出现含嵌入式系统的仪器 另一种方式是将仪器装入计算机 以通 用的计算机硬件及操作系统为依托 实现各种仪器功能 虚拟仪器主要是指 这种方式 鉴于 LabVIEW 有诸多优点 这次我们将应用 LabVIEW 来完成一个十字路口 交通灯系统的设计 关键词 虚拟仪器 LABVIEW 交通信号灯 目 录 绪 论 第一章 总体设计方案 1 1 1 实现的功能 1 1 2 总体思路 1 第二章 程序的设计 3 2 1 前面板的设计 3 2 2 定时信号的产生 4 2 3 时间信号的分段 4 2 4 各组时间信号的动作 5 2 5 循环的设计 7 第三章 软件调试 9 第四章 心得总结 12 附录 13 绪论 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件 结合高效灵活的软件来完成各种测试 测量和自动化的应用 自 1986 年问世以来 世界各国的工程师和科学家们都已将 NI LabVIEW 图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节 从而改善了产品质量 缩短了产 品投放市场的时间 并提高了产品开发和生产效率 使用集成化的虚拟仪器环境与现实世 界的信号相连 分析数据以获取实用信息 共享信息成果 有助于在较大范围内提高生产 效率 虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要 美国国家仪器公司 NI National Instruments 最早提出的虚拟测量仪器 VI 概念 引发了传统仪器领域的一场重大变革 使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器 领域 和仪器技术结合起来 软件即是仪器 这是 NI 公司提出的虚拟仪器理念的核心思想 从这一思想出发 基于电脑或工作站 软件和 I O 部件来构建虚拟仪器 I O 部件可以是独立仪器 模块 化仪器 数据采集板 DAQ 或传感器 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的 数据采集系统 虚拟仪器的研究中涉及 的基础理论主要有计算机数据采集和 数字信号处理 目前在这一领域内 使用较为广泛 的计算机语言是美国 NI 公司的 LabVIEW LabVIEW 是一种程序开发环境 由 NI 公司研制开发的 类似于 C 和 BASIC 开发环境 但是 LabVIEW 与其他计算机语言的显著区别是 其他计算机语言都是采用基于文本的语言 产生代码 而 LabVIEW 使用的是图形化编辑语言 G 编写程序 产生的程序是框图的形式 LabVIEW 提供很多外观与传统仪器 如示波器 万用表 类似的控件 可用来方便地 创建用户界面 用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板 使用图标和连线 可以通过编程对 前面板上的对象进行控制 这就是图形化源代码 又称 G 代码 LabVIEW 的图形化源代码 在某种程度上类似于流程图 因此又被称作程序框图代码 第一章 总体设计方案 1 1 实现的功能 本次课程设计要完成一个十字交通信号灯的设计 这个交通信号灯系统能为向北和向 东两个方向行驶的车辆指示能否通行 这个交通路口每一个方向上的红绿黄灯按绿 黄 红的顺序循环 每个循环的时间为 70s 其中通行 绿灯 的时间为 30s 等待通行 黄灯 的时间为 5s 禁止通行 红灯 的时间为 35s 当停止键按下时 循环停止 1 2 总体思路 此次设计可以用十二盏灯来指示路口的红绿灯状况 它们分别是下文中的东红 东黄 东绿 北红 北黄 北绿 西红 西黄 西绿 南红 南黄 南绿 信号灯按一定规律循环点亮 每盏红灯亮 35 秒 每盏黄灯亮 5 秒 每盏绿灯亮 30 秒 每个循环包括四个阶段 第一阶段 北黄 南黄 西红和东红灯点亮 时间为 5 秒 第二 阶段 北红 南红 西绿和东绿灯点亮 时间为 30 秒 第三阶段 东黄 西黄 南红和北 红灯点亮 时间为 5 秒 第四阶段 北绿 南绿 西红和东红灯点亮 时间为 30 秒 每个 循环用时 70 秒 东西 南北两个方向分别放置一个时间显示器来显示离下一个信号到来的 时间 用计数器产生以秒为单位的计时信号 再将产生的时间信号进行分段 每到一个时间 段时系统进行相应的动作 最新可编辑 word 文档 总体流程如图 1 1 所示 图 1 1 总体流程图 最新可编辑 word 文档 第二章第二章 程序的设计程序的设计 2 1 前面板的设计 前面板是 VI 的用户界面 创建 VI 时 通常应先设计前面板 然后在前面板上创建输 入 输出任务 本课程设计中前面板比较简单 只需要用十二盏灯 四个时间显示器 一个停止按键 即可 其中的十二盏灯 红 黄 绿各四盏 在控件选板中选择指示灯 将它放在前面板 合适的位置 单击鼠标右键 更改指示灯的属性 改变指示灯的大小 做出一个合适的指 示灯 依同样的步骤可以做好另外十一个 将十二个灯均分为四组 每组都包含红黄绿三 种颜色的灯 再用框将每组灯框起来 做成一个交通灯 在每组交通灯合适的位置放置一 个数值显示控件作为交通灯的计时器 在前面板合适的位置放置一个开关按钮 控制循环 的停止 这样交通灯系统的前面板就做好了 面板设计如图 2 1 所示 图 2 1 交通灯前面板示意图 最新可编辑 word 文档 2 2 定时信号的产生 毫秒计时器在 LabVIEW 中的一个计时单元 它的图标与用途如图 2 2 所示 在函数选 板的 编程 定时 子选板中选择时间计数器选定该单元 毫秒计数器对时间信号计 数 要产生一个一秒为单位的时间信号 所以还得用毫秒计数值除以 1000 取商得到以秒为 单位的时间信号 接线如图 2 3 所示 图 2 2 时间计数器 图 2 3 时间计数器接线图 2 3 时间信号的分段 将得到的时间信号除以每个循环所用的时间 70s 取余数 得到的余数 x 的范围为 0 x 70 当 0 x 5 时 条件满足 执行第一个条件结构里面的程序 北黄 南黄 西红和 东红灯点亮 当 5 x 35 时 条件满足 执行第二个条件结构里的程序 北红 南红 西 绿和东绿灯点亮 当 35 x 40 时 条件满足 东黄 西黄 南红和北红灯点亮 当 40 x 70 时 x 40 的条件不满足 执行条件结构里面为假的程序 北绿 南绿 西红和东 红灯点亮 时间分段的程序结构如图 2 4 所示 图 2 4 时间分段程序 这里用到了判定范围并强制转换控件 应用这个控件可以判定输入的数是否在上限和 下限之间 它的图标和作用如图 2 5 所示 如果输出信号在范围之内 接口将产生一 个信号 此信号恰可以输入到条件结构作为分支选择器信号 图 2 5 判定范围并强制转换控件 最新可编辑 word 文档 2 4 各组时间信号的动作 条件结构是 LabVIEW 最基本的结构之一 条件结构类似于文本编程语言中的 switch 语 句或者 if then else 语句 条件结构可以从 结构 子选板中创建 它的图标及功能如 图 2 6 所示 图 2 6 条件结构 在条件结构中 选择端口相当于 switch 语句中的 表达式 框图表示符相当于 表 达式 n 编程时 将外部控制条件连接至选择端口上 程序运行时选择端口会判断送来的 控制条件 引导选择结构执行相应框架中的内容 在本程序中的控制条件为从判定范围并 强制转换 端口输出地判断值 当各组条件满足时 将执行各条件结构里的程序 每个条件结构里的程序基本相同 用需要点亮的灯与布尔真常量连接 不需要点亮的与布尔假常量连接 而时间显示器则用 一定的值减去输入的时间量 以实现倒计时的功能 各结构里的程序略有不同 具体程序 如图 2 7 到图 2 10 所示 第一阶段 余数在 0 至 5 秒之间 此时东红 西红 南黄和北黄两个灯点亮 东西方 向的时间显示器显示为离红灯熄灭的时间 从 6s 到 1s 南北方向的时间显示器显示为离 黄灯熄灭的时间 从 6s 到 1s 最新可编辑 word 文档 图 2 7 条件结构 1 第二阶段 当北黄和南黄灯点亮 5 秒后 即余数大于 5 并且小于 35 时 条件结构 2 条 件满足 北红 南红 西绿和东绿两个灯点亮 东西方向的时间显示器显示离东西绿 通行 熄灭的时间 从 30s 到 1s 南北方向的显示离红灯 禁止通行 熄灭的时间 从 35s 到 6s 图 2 8 条件结构 2 第三阶段 当东西绿灯点亮 30 秒后 即余数大于 35 并且小于 40 时 条件结构 3 条件满足 东西黄灯点亮 而南北红未到熄灭的时间 继续点亮 东西方向的时间显示 器显示离东西黄 准备转换 熄灭的时间 从 6s 到 1s 南北方向的继续显示离红灯 禁 最新可编辑 word 文档 止通行 熄灭的时间 从 6s 到 1s 图 2 9 条件结构 3 第四阶段 当南北黄灯点亮 5 秒后 即余数大于 40 并且小于 70 时 条件结构 4 为假的条件满足 南北绿和东西红两个灯点亮 东西方向的时间显示器显示离东红 禁止 通行 熄灭的时间 从 35s 到 6s 南北方向的显示离绿灯 通行 熄灭的时间 从 30s 到 1s 图 2 10 条件结构 4 2 5 循环的设计 LabVIEW 中的循环结构主要通过 while 和 for 循环实现 这两种循环的功能基本相同 但使用上有一些差别 for 循环必须确定循环次数 循环一定次数后自动退出循环 而 while 循环不用确定循环次数 只需要指定退出循环的条件 本次课程设计中循环的次数不能确定 所以就用到了 while 循环 LabVIEW 中的 while 循环相当于 C 语言中的 while 循环和 do while 循环 While 循环可以从程序框图中的 结构 子选板中创建 while 循环包括两个端口 条 件端口和重复端口 它的功能 图标及说明如图所示 在此课程设计中 用按键连接条件端口 当按键按下时 循环停止 最新可编辑 word 文档 图 2 11while 循环 最新可编辑 word 文档 第三章第三章 软件调试软件调试 这次所设计的十字路口交通灯有四种运行状态 状态 1 状态 2 状态 3 状态 4 各 种状态的效果在下文中将会讲到 运行状态 1 南北红灯亮 35s 6s 东西绿灯亮 30s 1s 此时东西方向的车辆可以通 行 通行时间总共为 30s 南北方向禁止通行 禁止时间总共为 35s 时间显示器显示的为 离下一个状态到来的时间 如图 3 1 东西灯显示器显示为 15 表明再过 15s 绿灯将转变为 黄灯 彼时东西方向将禁止通行 南北灯显示器显示为 20 表明再过 20s 红灯将转变为绿 灯 彼时南北方向将允许通行 图 3 1 运行状态 1 运行状态 2 南北红灯亮 6s 1s 东西黄灯亮 6s 1s 此时东西方向的车辆准备禁止 通行 准备时间总共为 5s 南北方向的车辆准备通过 时间显示器显示的为离下一个状态 到来的时间 如图 3 2 所示 四个显示器都显示为 5 表明再过 5s 南北方向将转变为绿灯 东西方向转为红灯 彼时东西方向将禁止通行 南北方向将允许通行 最新可编辑 word 文档 图 3 2 运行状态 2 运行状态 3 南北绿灯亮 30s 1s 东西红灯亮 35s 6s 此时东西方向的车辆禁止通 行 禁止时间总共为 35s 还有 5s 在下一个状态中体现 南北方向的车辆允许通行 通 行时间总共为 30s 时间显示器显示的为离下一个状态到来的时间 如图 3 3 所示 南北 灯显示器都显示为 10 表明再过 10s 南北方向将转变为黄灯 彼时南北方向将准备禁止通 行 东西灯显示器显示 15 表明再过 15s 东西方向转为绿灯 彼时东西方向将允许通行 图 3 3 运行状态 3 最新可编辑 word 文档 运行状态 4 南北黄灯亮 6s 1s 东西红灯亮 6s 1s 此时东西方向的车辆准备通行 准备时间总共为 5s 南北方向的车辆准备禁止通过 时间显示器显示的为离下一个状态到 来的时间 如图 3 4 所示 四个显示器都显示为 5 表明再过 5s 南北方向将转变为红灯 东西方向转为绿灯 彼时东西方向将允许通行 南北方向将禁止通行 图 3 4 运行状态 4 运行中按下停止键后 程序停止循环 如图 3 5 所示 最新可编辑 word 文档 图 3 5 停止运行 第四章第四章 心得总结心得总结 此次虚拟仪器大型实验圆满结束了 对于我们共同努力所得的结果 还是感到比较满 意 此次设计以分组的方式进行 每组有一个题目 我们做的是十字路口交通灯系统 平 时大家还都比较注重实践 但是毕竟没有过实际开发设计的经验 虽然上课的时候讲过很 多关于 LabVIEW 的应用 对一些稍微复杂的程序设计还是有些困难 刚开始拿到的时候也 不知道怎么做 但通过这些天结合课本和电脑实践对 LabVIEW 进行了几天的摸索学习 还 在网上找了一些别人做的实例 受到了一些启发 取得了比较明显的成效 我们终于把课 程设计做好了 通过这次课程设计我基本学会了虚拟仪器设计的步聚和基本方法 提高了 动手能力 增强了理论联系实际的能力 分组工作的方式给了我与同学合作的机会 提高 了与人合作的意识与能力 同时也培养和发展了同学之间的友谊 对此我感到非常欣慰 总之 在这次课程设计中我受益匪浅 在这个课程设计中 我真正的感受到了虚拟仪器的优越性 软件即仪器 仅仅在 Labview 上写入一些图形程序 就可以实现相应的仪器的功能 只需要借助一台计算机 一个 LabVIEW 软件 就可以实现很多仪器的功能 真的好方便 在这之前我们做了双音门 铃电子技术课程设计 PLC 课程设计 与实实在在的电子电路和 PLC 相比 在 LabVIEW 上 完成的仪器虚拟有更大的优越性 它的内容可以完全由自己定义 而且不必用到其他的任 何硬件 可以非常方便地修改做成的仪器 我由衷的感慨 LabVIEW 功能太强了 作用太 大了 虚拟仪器会在更广泛地领域得到应用 要想以后有更好发展 学好虚拟仪器技术也