交通灯控制系统设计

1、课程设计任务书利用 NI ELVIS II 平台和开发软件 LabVIEW 搭建了一个十字路口双向交通灯控制系统，实现交叉口3种颜色信号灯的交替点亮、持续时间设置等控制，可以指挥车辆和行人安全通行。双向交通灯的基本工作周期是 60 秒，其中 25 秒是红灯，接下来 5 秒是黄灯，再接下来 25 秒是绿灯，在其后 5 秒是黄灯，存在四个定时周期 T1=25 秒、T2=5 秒、 T3=25 秒、 T4=5 秒。设计进度计划：第一天(12.28)：了解毕业设计课目,查找相关资料,以对题目有初步了解，整理资料。第二天(12.29)：根据确定方案，比较、选择设计所需元器件，根据题目要求，设计硬件电路，并

2、进一步优化改进。第三天(12.30)：利用LABVIEW开发环境编写程序，完成硬件电路设计。第四天(12.31)：编写论文，运行调试。第五天(1. 4 )：提交正式设计论文，课程设计结束。基于 NI ELVIS II平台的交通灯控制系统设计摘要：本实验将传统的交通灯控制系统移植到 NI ELVIS 实验教学平台，利用 NI ELVIS 平台和开发软件 LabVIEW 搭建了一个十字路口双向交通灯控制系统，实现交叉口3种颜色信号灯的交替点亮、持续时间设置等控制，可以指挥车辆和行人安全通行。实验证明， NI ELVIS 比传统实验教学设备更具有创新性，灵活性和实践性。关键词：虚拟仪器； NI EL

3、VIS II ； LabVIEW ；交通灯 目录第1章 绪论41.1 研究的目的和意义41.2 国内外研究现状4第2章 LabVIEW 和NI ELVIS II 简介52.1 LabVIEW 简介52.2 NI ELVIS II简介5第3章 基于 NI ELVIS II的交通灯控制设计63.1 交通管理方案63.2 硬件设计63.3 软件设计7第4章 总结9附录1 总程序框图10附录2 原件清单11参考文献12第1章 绪论1.1 研究的目的和意义NI ELVIS是将DAQ（数据采集）硬件和LabVIEW软件组合成的一个虚拟仪器教学实验装置，包括硬件和软件两部分，其硬件包括可运行LabVIEW的

4、计算机、DAQ设备、68针电缆、平台工作站和原版实验板；软件包括LabVIEW开发环境、NI-DAQ、SFP仪器和可针对ELVIS硬件进行程序设计的一系列LabVIEW API。平台工作站和DAQ设备一起建立了一个完整的实验系统，工作站控制面板提供了旋钮调节的函数发生器、可调电源和SFP仪器(示波器和数字万用表)的BNC和香蕉型接口。数据采集卡用于实现电路中的实测信号和LabVIEW程序产生信号的传递。原型实验板连接在平台工作站上，为用户提供一个组建电路的平台。NI ELVIS软件可在SFP仪器间传送平台工作站上信号。NI ELVIS拥有12种精密仪器，这些仪器基于NI LabVIEW图形化系

5、统设计软件，具有USB即插即用功能，并且允许进行快速简单的测量采集与显示。本设计利用了NI ELVIS实现了在LabVIEW实验中虚拟仪器的仿真功能。研究城市交通信号系统具有一定的学术价值和实用价值，适应未来城市的交通的发展。1.2 国内外研究现状在国内，NI ELVIS平台集成有常用实验仪器该平台集成有波形发生器、示波器、数字万用表、可变电源等，同时NI ELVIS可根据课程需要开发和购买不同 功能的实验板建立通信、自动控制、物理等不同学科的实验室。实验实现原理 简单NI ELVIS平台具 备 数 据采集功能，可直接把模拟信号输入计算机。在国外，美国国家仪器仪表有限公司（National I

6、nstruments，简称NI）近日发布最新NI ELVIS II设计与原型平台，作为一款简单、集成的系统，它可以将理论与实际应用相联系，这对于实验室和院校教学来说是理想的选择。新款NI ELVIS 系列集成了一款板载100MS/s示波器，并配备一系列的新款附加板卡，拓展了仪器和电路应用。利用已广泛应用于全球工业和研究院校中NI LabVIEW图形化系统，设计虚拟仪器技术动手学习课程更为方便。NI ELVIS开放式的配置性能，为众多高级课题项目提供了一个高性价比的、可拓展的教学和原型平台。第2章 LabVIEW 和NI ELVIS II 简介2.1 LabVIEW 简介Labview是一种程序

7、开发环境，由美国国家仪器（ 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 的程序是数据流驱动的。 数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。这样， LabVIEW 中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。 从而，可以通过相互连接功能方框图快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多

8、个数据通道同步运行。在 LabVIEW 环境下开发的应用程序我们称之为虚拟仪器（ VI ）。虚拟仪器设计步骤由程序输入和程序调试组成。一个完整的 VI包括前面板（ front panel ）、流程图（ block diagram ）以及图标 / 连结器 (icon/connector) 三部分。 因此一个 VI 程序的设计主要包括前面板的设计、框图程序的设计以及图标 / 连接器。1 ）前面板的设计是根据实际中的仪器面板以及该虚拟仪器所要实现的功能，利用 LabVIEW 的控制模板在用户界面上添加输入控制器和输出指示器。 控制器用以输入数据到程序，而指示器则用来显示程序产生的数值。2 ）框图程序

9、的设计是在前面板设计好以后，根据各个框图之间的关系以及对数据的处理方法等设计框图程序（即源代码），主要是对节点、数据端口和连线的设计。 节点是 VI 程序运行的要素，可以把他理解为程序的语句、函数或子程序，他包括 4 种类型：函数、 VI 子程序、结构和代码接口。3 ）连线是指将流程图上的每一个对象的连线端子连接起来，构成构成对象之间的数据通道。 连线时要注意数据的流向和类型。不同的数据类型用不同的线形表示。当前面板和程序框图设计好以后，程序的执行过程中可能会遇到很多方面的错误，因此要对程序进行调试。 程序的调试方法主要：找出语法错、设置执行程序高亮、断点与单步执行和探针。2.2 NI ELV

10、IS II简介NI ELVIS II是将 DAQ （数据采集）硬件和 LabVIEW 软件组合成的一个虚拟仪器教学实验装置，包括硬件和软件两部分，其硬件包括可运行 LabVIEW 的计算机、 DAQ 设备、 68 针电缆、平台工作站和原型实验板；软件包括 LabVIEW 开发环境、 NI-DAQ 、 SFP 仪器和可针对 ELEVIS 硬件进行程序设计的一系列 LabVIEW API 。平台工作站和 DAQ 设备一起建立了一个完整的实验系统，工作站控制面板提供了旋钮调节的函数发生器、可调电源和 SFP 仪器（示波器和数字万用表）的 BNC 和香蕉型接口。数据采集卡用于实现电路中的实测信号和 L

11、abVIEW 程序产生信号的传递。原型实验板连接在平台工作站上，为用户提供一个组建电路的平台。 NI ELVIS 软件可在 SFP 仪器间传送平台工作站上信号。 NI ELVIS 拥有 12 种精密仪器，这些仪器基于 NI LabVIEW 图形化系统设计软件，具有 USB 即插即用功能，并且允许进行快速简单的测量采集与显示。第3章 基于 NI ELVIS II的交通灯控制设计交通灯通常指由红、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。近年来，在快速城市化进程和经济发展的影响下，城市交通迅速增长，交通问题成

12、为困扰许多大城市发展的通病，已成为日趋严峻的国际性问题。其中，十字路口则是造成交通堵塞的主要”瓶颈”。世界发达国家都在积极探索如何最大限度地发挥道路通行能力，尽量减少交通堵塞造成的各种损失。我们设计了基于labview的智能交通灯控制系统，该系统可实现3种颜色灯的交替点亮，通过信息提示指挥车辆和行人安全通行，并能实时监测交通灯工作状态。该系统不仅编程简单、灵活、具有较高的可靠性，而且成本低、具有良好的经济效益。 本课设利用 LabVIEW 软件和 NI ELXIS 设计和原形平台，设计实现了一个十字路口双向交通灯控制系统。3.1 交通管理方案一个十字路口有东西、南北两条干道，每条干道有一组红、

13、黄、绿指示灯，用来指挥车辆和行人交通安全。 双向交通灯的基本工作周期是 60 秒，其中 25 秒是红灯，接下来 5 秒是黄灯，再接下来 25 秒是绿灯，在其后 5 秒是黄灯，存在四个定时周期 T1=25 秒、T2=5 秒、 T3=25 秒、 T4=5 秒。3.2 硬件设计首先，在 NI ELVIS 面包板上双向十字路口的位置上分别安装两组红色、黄色、绿色的 LED 。然后，将 6 个 LED 的阳极按对应关系分别接到原形板上的数字 I/O 插槽，每个LED 都由 8 位并行端口中的一个二进制位进行控制， 再将 LED 的阴极通过电阻接到数字地（如图 3-1 ）。利用 NI ELVISmx Di

14、gital Writer 数字输出程序模拟十字路口交通灯各种LED 灯亮情况，并找出各周期对应的 8 位二进制代码，如表3-1 所示。图3-1 实际电路连线图方向南向 东向灯颜色指示位红/黄/绿 012 红/黄/绿 4568位代码十进制数值T1 25s 001 10000010100 20T25s 010 100 00010010 18T3 25s 100 001 01000001 65T4 5s 100 010 00100001 33表3-1 3.3 软件设计在红绿灯控制系统中，红绿黄灯的亮灯顺序是固定的，即假设初始状态为绿灯，接下来是黄灯，红灯。在labview环境下，由于需要重复运行，所

15、以需要运用while循环与for循环综合设置，时间周期为4。为了保障交通有序进行，在十字路口处需设置两组交通信号灯分别控制交叉口不同方向的交通。当一个方向的红灯亮时，其交叉方向对应绿灯亮，过渡阶段黄灯亮，反之亦然。然后，利用 LabNIEW 软件编写应用程序。 本例程序框图设计采用while循环结构、For 循环结构和条件结构，选择“NI ELVISmx Digital Write”函数，通过输入控件来实现红绿灯时间设置和调整，其程序框图如图3-2所示。图3-2 图3-2图3-4图3-3硬件电路运行结果如图3-4所示：前面板如图3-3所示：第4章 总结该设计在分析虚拟仪器和 NI ELVIS

16、平台在电子类课程教学中的作用和应用前景的基础上，指出了传统仪器存在的缺陷和不足，介绍了虚拟仪器的构成和设计原理，以及 ELVIS 平台的结构和功能，运用 LabVIEW 开发软件在 ELVIS 平台上搭建了一个简单的双向十字路口交通信号灯控制电路，可实现交叉口3种颜色信号灯的交替点亮、持续时间设置等控制，可以实时监测交通系统工作状态，指挥车辆和行人安全通行。实验证明，该设计是可行的、稳定的。可以灵活、方便利用 NI ELVIS 平台搭建和测试各种应用电路，有利于开拓实践能力和创新能力的培养。系统目前仍存在不完善之处：不能根据十字路口不同方向车流情况及停车拥堵情况实现自动控制车辆左、右转弯以缓解交通负荷的功能。但是，随着系统设计及程序的进一步扩展，将会逐步完善，从而真正实现路口信号灯智能化、人性化控制。附录1 总程序框图附录2 原件清单元件名称大小个数电阻2206红色发光二极管2黄色发光二极管2绿色发光二极管2万能表1导线若干 参考文献1 杨智 . 虚拟仪器教学实验简明教程基于LabV