基于虚拟仪器的交通灯控制系统课程设计.doc

西华大学课程设计说明书 1前言在当今时代，不管哪个城市都有不同城市的问题，但共同的问题就是混合交通流。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！改革开放以来，随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个十分重要的问题。同时随着我国经济的快速发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭，再加上政府大力发展的公交、出租车，车辆越来越多了。这不仅要求道路要越来越宽阔，而且要求有新的交通管理模式的出台。旧有的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾，使原来不太突出的交通问题被提上了日程。现在有关部门愈来愈多的注重在交通管理中引进自动化、智能化技术，比如“电子警察”、自适应交通信号灯以及耗资巨大的交通指挥控制系统等。随着经济的发展和社会的进步，道路交通已愈来愈成为社会活动的重要组成部分。对交通的管控能力，也就从一个侧面体现了这个国家对整个社会的管理控制能力，因此各国都很重视用各种高科技手段来强化对交通的管控能力。1.1 设计背景许多大城市如北京、上海、南京等随着城市机动车量的不断增加出现了交通超负荷运行的情况，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。因此，开发一套能够社会服务的交通灯控制器将是非常必要和及时的。1.2 设计目标本次我们是通过采用基于虚拟仪器的交通灯控制系统的设计,自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行， 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，为交通安全提供保障。2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方案的原因。2.1 总体思路此次设计可以用六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。 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：北黄和东红灯点亮，时间为5秒。第二阶段：北红和东绿灯点亮，时间为30秒。第三阶段：东黄和北红灯点亮，时间为5秒。第四阶段：北绿和东红灯点亮，时间为30秒。每个循环用时70秒。东、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。总体流程如图2-1所示： 3 单元模块设计设计基于LabVIEW的交通灯控制系统包括前面板的设计和程序框图的设计。下面将对本系统中前面板和程序框图的设计一一进行介绍。3.1 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，只需要用六盏灯、两个时间显示器、一个停止按键即可。其中的六盏灯，红、黄、绿各两盏，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五个，将六个灯均分为两组，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3-1所示。图3-1 交通灯前面板示意图3.2 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3-2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3-3所示： 图3-2 时间计数器 图3-3 时间计数器接线图3.3 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=x70,当0=x5时，条件满足，执行第一个条件结构里面的程序，北黄和东红灯点亮。当5=x35时，条件满足，执行第二个条件结构里的程序，北红和东绿灯点亮。当35=x40时，条件满足，东黄和北红灯点亮。当40=x70时，x40的条件不满足，执行条件结构里面为假的程序，北绿和东红灯点亮。时间分段的程序结构如图3-4所示。 图3-4 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3-5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3-5 判定范围并强制转换控件3.4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ifthenelse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3-6所示。 图3-6 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3-7到图3-10所示。第一阶段：余数在0至5秒之间，此时东红和北黄两个灯点亮，向东方向的时间显示器东灯显示为离红灯熄灭的时间（从6s到1s），向北方向的时间显示器北灯显示为离黄灯熄灭的时间（从6s到1s）。 图3-7 条件结构1第二阶段：当北黄灯点亮5秒后，即余数大于5并且小于35时，条件结构2条件满足,北红和东绿两个灯点亮,向东方向的时间显示器显示离东绿(通行)熄灭的时间（从30s到1s）,向北方向的显示离红灯(禁止通行)熄灭的时间（从35s到6s）。 图3-8 条件结构2 第三阶段：当东绿灯点亮30秒后，即余数大于35并且小于40时，条件结构3条件满足,东黄灯点亮, 而北红未到熄灭的时间，继续点亮。向东方向的时间显示器显示离东黄(准备转换)熄灭的时间（从6s到1s）,向北方向的继续显示离红灯(禁止通行)熄灭的时间（从6s到1s）。 图3-9 条件结构3第四阶段：当北黄灯点亮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,北绿和东红两个灯点亮,向东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）,向北方向的显示离绿灯(通行)熄灭的时间（从30s到1s）。 图3-10 条件结构43.5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dowhile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。图3-11 while循环4 交通灯电路硬件设计4.1 交通灯总体方案设计自动手动时基电路时序控制时间显示东西方向时间显示南北方向图4-1 交通灯总体方案图原理说明：根据实验要求，交通灯按照时间设定变换工作状态，其中黄灯为闪烁发光。1.时基电路：选用NE555定时器组成的多谐振荡器可以产生所需频率的脉冲。2.计数译码显示电路：选用可置数的8421BCD 码十进制计数器，这里选用74LS192，另加74LS48译码器及共阴极LED数码管。3.时序控制电路：采用移位寄存器74LS164，接成扭环形计数器。4.分频电路：利用74LS74对秒脉冲进行分频，即可得到单位时间脉冲，控制各灯亮的时间。原理图：图4-2 交通灯电路原理图4.2 单元电路设计4.2.1 脉冲输出电路图 4-3 脉冲输出电路proteus仿真图555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。由555定时器组成的CP脉冲电路，产生频率为1HZ的脉冲信号控制计数器工作。4.2.2 计数译码显示电路 图4-4 计数译码显示电路proteus仿真图4.3.3 分频电路图4-5 分频电路proteus仿真图十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间比例分别为5:1:6所以若选4秒为一时间单位，则计数器每四秒输出一个脉冲。这里选用74LS74组成。4.3.4 时序控制电路图4-6 时序控制电路proteus仿真图显示时间的控制信号，由南北方向的黄灯控制信号控制东西方向的绿灯时间计数器，东西方向的黄灯信号控制南北方向的绿灯时间计数器。4.3.5 自动与手动控制电路图4-7自动与手动控制电路proteus仿真图由与非门组成的基本RS触发器（又称抖动开关）作为手动开关信号，主要是便于电路调试。自动控制由秒信号产生电路（555组成）的输出经四分频形成单位时间t。若改变t，只需改变分频级数。若时间要求精确，可用晶体振荡器加以分频而得到秒信号。5 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，北红灯亮35s6s，东绿灯亮30s1s，此时往东方向的车辆可以通行，通行时间总共为30s，向北方向禁止通行，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4-1所示，东灯显示器显示为26，表明再过26s绿灯将转变为黄灯，彼时向东方向将禁止通行；北灯显示器显示为31，表明再过31s向北将允许通行。 图5-1 运行状态1运行状态2，北红灯亮6s1s，东黄灯亮6s1s，此时往东方向的车辆准备禁止通行。准备时间总共为5s，向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4-2所示，两个显示器都显示为5，表明再过5s向北方向将转变为绿灯，向东方向转为红灯，彼时向东方向将禁止通行，向北方向将允许通行。 图5-2 运行状态2运行状态3，北绿灯亮30s1s，东红灯亮35s6s，此时往东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）；向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4-3所示，北灯显示器都显示为11，表明再过11s向北方向将转变为黄灯，彼时向北方向将准备禁止通行；东灯显示器显示16，表明再过16s，向东方向转为绿灯，彼时向东方向将允许通行。 图5-3 运行状态3运行状态4，北黄灯亮6s1s，东红灯亮6s1s，此时往东方向的车辆准备通行，准备时间总共为5s；向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4-4所示，两个显示器都显示为3，表明再过3s向北方向将转变为红灯，向东方向转为绿灯，彼时向东方向将允许通行，向北方向将禁止通行。 图5-4 运行状态4运行中按下停止键后，程序停止循环，如图4-5所示： 图5-5 停止运行如需继续运行程序，须单击工具栏中的【运行】或【连续运行】按钮。6心得体会此次课程设计圆满结束了，对于我经过努力所得的结果，我感到非常满意。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。由于平时大家都是学理论，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，但课后也从没真正地应用过这个软件，对它一点都不熟悉，拿到的时候都不知道怎么做。但通过电脑对LabVIEW进行了几天的摸索学习，我终于把课程设计做好了，并发现其实LabVIEW很简单，很实用。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感情，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，好伟大啊！这真的是仪器界的一场伟大的革命，可以断定不久的将来虚拟仪器之风将刮到世界上每个角落。在这之前我们做了数字电子技术课程设计、 PLC课程设计，与实实在在的数字电路和PLC相比，在LabVIEW上完成的仪器有更大的优越性，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。就我个人认为，虚拟仪器应该有更广泛应用，要把它推广到农业,工业以及服务业的每一个部门。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。要想以后有更大发展，学好虚拟仪器技术是非常必要的。 通过这次设计实践。我总结了使用LabVIEW编程的两个要点。第一，熟悉每个控件的用途、使用方法和在软件中的位置。LabVIEW有这么多控件，有这么单元，如果我们不知道每个单元是用来干什么的，那就根本谈不