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交通信号灯实训装置|交通信号灯实训系统设备
2021-02-24 08:46:42ZN-ZNSDHX交通信号灯实训装置|交通信号灯实训系统设备 一、概述 本装置是PLC学习中典型的执行机构,本设备可模拟复杂的十字路口交通信号控制系统,包括车辆直行、行人直行、过街手动按钮等的逻辑控制。 二、主要...ZN-ZNSDHX交通信号灯实训装置|交通信号灯实训系统设备
一、概述
本装置是PLC学习中典型的执行机构,本设备可模拟复杂的十字路口交通信号控制系统,包括车辆直行、行人直行、过街手动按钮等的逻辑控制。
二、主要特点
1、直观的环境界面,便于操作和理解。
2、可做复杂交通环境的现场模拟。
三、性能参数
3、输入电源:AC220V±10%(单相三线);
4、整机功率:<1kVA;
5、外形尺寸:500×350×680mm。
四、产品涉及课程
可编程控制器及其应用等。
五、试验内容
6、机械:装置的机械安装与位置调整;
7、电气:电器元件的布线;
8、PLC:电气逻辑控制思路及编程应用。 -
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呼吸灯:我们将通过脉宽调制技术来实现“呼吸灯”,实现LED的亮度由最暗逐渐增加到最亮,再逐渐变暗的过程。 脉冲宽度调制。它是利用微控制器的数字输出调制实现,是对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等众多领域。
硬件设计
实现原理:如上图所示,脉冲信号的周期为T,高电平脉冲宽度为t,占空比为t/T。为了实现PWM脉宽调制,我们需要保持周期T不变,调整高电平脉宽t的时间,从而改变占空比。当t = 0时,占空比为0%,因为我们的LED硬件为低电平点亮,所以为最亮的状态。
当t = T时,占空比为100%,LED灯为最暗(熄灭)的状态。
结合呼吸灯的原理,整个呼吸的周期为最亮→最暗→最亮的时间,即t的值的变化:0→T→0逐渐变化,这个时间应该为2s。
呼吸灯设计要求呼吸的周期为2s,也就是说LED灯从最亮的状态开始,第一秒时间内逐渐变暗,第二秒的时间内再逐渐变亮,依次进行。
本设计中需要两个计数器cnt1和cnt2,cnt1随系统时钟同步计数(系统时钟上升沿时cnt1自加1)范围为0-T,cnt2随cnt1的周期同步计数(cnt1等于T时,cnt2自加1)范围也是0-T,这样每次cnt1在0-T的计数时,cnt2为一个固定值,相邻cnt1计数周期对应的cnt2的值逐渐增大,我们将cnt1计数0~T的时间作为脉冲周期,cnt2的值作为脉冲宽度,则占空比 = cnt2/T,占空比从0%到100%的时间 = cnt2*cnt1 = T^2 = 1s = 12M个系统时钟,T = 2400,我们定义CNT_NUM = 2400作为两个计数器的计数最大值。
2.verilog程序设计module breath_led(clk,rst,led); input clk; //系统时钟输入 input rst; //复位输出 output led; //led输出 reg [24:0] cnt1; //计数器1 reg [24:0] cnt2; //计数器2 reg flag; //呼吸灯变亮和变暗的标志位 parameter CNT_NUM = 2400; //计数器的最大值 period = (2400^2)*2 = 24000000 = 2s //产生计数器cnt1 always@(posedge clk or negedge rst) begin if(!rst) begin cnt1<=13'd0; end else if(cnt1>=CNT_NUM-1) cnt1<=1'b0; else cnt1<=cnt1+1'b1; end //产生计数器cnt2 always@(posedge clk or negedge rst) begin if(!rst) begin cnt2<=13'd0; flag<=1'b0; end else if(cnt1==CNT_NUM-1) begin //当计数器1计满时计数器2开始计数加一或减一 if(!flag) begin //当标志位为0时计数器2递增计数,表示呼吸灯效果由暗变亮 if(cnt2>=CNT_NUM-1) //计数器2计满时,表示亮度已最大,标志位变高,之后计数器2开始递减 flag<=1'b1; else cnt2<=cnt2+1'b1; end else begin if(cnt2<=0) //当标志位为高时计数器2递减计数 flag<=1'b0; //计数器2级到0,表示亮度已最小,标志位变低,之后计数器2开始递增 else cnt2<=cnt2-1'b1; end end else cnt2<=cnt2; //计数器1在计数过程中计数器2保持不变 end //比较计数器1和计数器2的值产生自动调整占空比输出的信号,输出到led产生呼吸灯效果 assign led = (cnt1<cnt2)?1'b0:1'b1; endmodule
交通灯
1.有限状态机
FSM:一种由寄存器组和组合逻辑构成硬件时序电路,堪称FPGA硬件设计的灵魂。
在同一时钟跳变沿由当前状态(现态)转移到下一状态(次态)
究竟转向哪一状态不但取决于各个输入值,还取决于当前状态。
在时钟跳变沿时刻进行复杂组合逻辑控制
包含时序、组合逻辑电路
非常有用模型,可以模拟大部分事物。如按键命令、自动门控制、通信时序等1)状态总数state是有限的
2)任何一个时刻,只能处于一个状态
3)在条件满足时,由一个状态转变到另一个状态分类:1)moore型:输出逻辑只由当前状态决定
下一个状态 = F(当前状态,输入信号);
输出信号 = G(当前状态);
2)mealy型:输出逻辑不但与当前状态有关还与当前输入值有关
下一个状态 = F(当前状态,输入信号);
输出信号 = G(当前状态,输入信号);
有限状态机要素
状态:当前状态、次态
输入:触发状态转移的输入条件
输出:输入所触发的动作有限状态机的样式
一段式
整个状态机在一个always模块中,模块中既包含状态转移也含有组合逻辑输入输出。
二段式
状态机使用两个always描述,一个采用同步时序实现状态转移,一个采用组合逻辑判断转移条件和逻辑输出。需要定义两个状态——现态和次态
三段式
状态机使用三个always描述,一个采用同步时序实现状态转移,一个采用组合逻辑判断转移条件,一个实现状态同步输出
2.交通灯的设计
设计流程:
上图为十字路口交通示意图分之路与主路,要求如下: * 交通灯主路上绿灯持续15s的时间,黄灯3s的时间,红灯10s的时间; * 交通灯支路上绿灯持续7s的时间, 黄灯持续3秒的时间,红灯18秒的时间;
根据上述要求,状态机设计框架分析如下: * S1:主路绿灯点亮,支路红灯点亮,持续15s的时间; * S2:主路黄灯点亮,支路红灯点亮,持续3s的时间; * S3:主路红灯点亮,支路绿灯点亮,持续10s的时间; * S4:主路红灯点亮,支路黄灯点亮,持续3s的时间;
程序设计
时钟分频:module divide ( //INPUT clk , rst_n , //OUTPUT clkout ); //******************* //DEFINE PARAMETER //******************* parameter WIDTH = 3; parameter N = 5; //******************* //DEFINE INPUT //******************* input clk,rst_n; //******************* //DEFINE OUTPUT //******************* output clkout; //******************** //OUTPUT ATTRIBUTE //******************** //REGS reg [WIDTH-1:0] cnt_p,cnt_n; reg clk_p,clk_n; assign clkout = (N==1)?clk:(N[0])?(clk_p&clk_n):clk_p; //Sequential logic style always @ (posedge clk) begin if(!rst_n) cnt_p<=0; else if (cnt_p==(N-1)) cnt_p<=0; else cnt_p<=cnt_p+1; end always @ (negedge clk) begin if(!rst_n) cnt_n<=0; else if (cnt_n==(N-1)) cnt_n<=0; else cnt_n<=cnt_n+1; end always @ (posedge clk) begin if(!rst_n) clk_p<=0; else if (cnt_p<(N>>1)) clk_p<=0; else clk_p<=1; end always @ (negedge clk) begin if(!rst_n) clk_n<=0; else if (cnt_n<(N>>1)) clk_n<=0; else clk_n<=1; end endmodule
交通灯通过利用有限状态机的三段式模型的程序设计:
module traffic ( clk , //时钟 rst_n , //复位 out //三色led代表交通灯 ); input clk,rst_n; output reg[5:0] out; parameter S1 = 4'b00, //状态机状态编码 S2 = 4'b01, S3 = 4'b10, S4 = 4'b11; parameter time_s1 = 4'd15, //计时参数 time_s2 = 4'd3, time_s3 = 4'd10, time_s4 = 4'd3; //交通灯的控制 parameter led_s1 = 6'b101011, // LED2 绿色 LED1 红色 led_s2 = 6'b110011, // LED2 蓝色 LED1 红色 led_s3 = 6'b011101, // LED2 红色 LED1 绿色 led_s4 = 6'b011110; // LED2 红色 LED1 蓝色 reg [3:0] timecont; reg [1:0] cur_state,next_state; //现态、次态 wire clk1h; //1Hz时钟 //产生1秒的时钟周期 divide #(.WIDTH(32),.N(12000000)) CLK1H ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .clkout(clk1h)); //第一段 同步逻辑 描述次态到现态的转移 always @ (posedge clk1h or negedge rst_n) begin if(!rst_n) cur_state <= S1; else cur_state <= next_state; end //第二段 组合逻辑描述状态转移的判断 always @ (cur_state or rst_n or timecont) begin if(!rst_n) begin next_state = S1; end else begin case(cur_state) S1:begin if(timecont==1) next_state = S2; else next_state = S1; end S2:begin if(timecont==1) next_state = S3; else next_state = S2; end S3:begin if(timecont==1) next_state = S4; else next_state = S3; end S4:begin if(timecont==1) next_state = S1; else next_state = S4; end default: next_state = S1; endcase end end //第三段 同步逻辑 描述次态的输出动作 always @ (posedge clk1h or negedge rst_n) begin if(!rst_n==1) begin out <= led_s1; timecont <= time_s1; end else begin case(next_state) S1:begin out <= led_s1; if(timecont == 1) timecont <= time_s1; else timecont <= timecont - 1; end S2:begin out <= led_s2; if(timecont == 1) timecont <= time_s2; else timecont <= timecont - 1; end S3:begin out <= led_s3; if(timecont == 1) timecont <= time_s3; else timecont <= timecont - 1; end S4:begin out <= led_s4; if(timecont == 1) timecont <= time_s4; else timecont <= timecont - 1; end default:begin out <= led_s1; end endcase end end endmodule
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基于51单片机的智能交通灯设计(带车流量计数和蜂鸣功能)
2021-02-09 10:07:34当前,大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调,多值化方向发展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...需要源码和原理图及其他资料请自行下载:
智能交通灯一、引言
当前,大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调,多值化方向发展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。
现代的电子技术高速发展,产生了一大批先进的电子类产品。尤其是单片机的发展异常迅速。由于单片机的特殊结构形式,在某些应用领域中,它承担了一些通用的微型计算机无法完成的工作,它是一种高性能,低价格的处理器。集成度高,体积小,可靠性高,控制功能强,电压低。由于单片机具有这些特点,在人类的生活应用中得以十分广泛。
本文便是以单片机为主体,外设电路为基本,设计出了一款高效、可用性强、可靠性高的交通灯电路。
二、系统方案
交通灯控制系统就是利用单片机控制数码管和LED,用来模拟真实交通灯功能。
阶段1:东西主干道通车时绿灯常亮,南北次干道红灯常亮
阶段2:东西方向通车时间过了之后,东西方向由绿灯转为黄灯并闪烁,南北方向仍保持红灯常亮;
阶段3:当南北红灯倒计时结束,即刻转换为绿灯常亮,此时东西方向由黄灯闪烁转为红灯常亮;
阶段4:南北方向通行时间过了之后,南北方向由绿灯转为黄灯并闪烁,东西方向仍保持红灯常亮;
阶段5:当东西红灯倒计时结束,即刻转为绿灯常亮,此时南北方向由黄灯闪烁转为红灯常亮,此时回到阶段1。
可改变红绿灯倒计时时间因素:车流量和特殊状况
case1:当东西方向绿灯通行时间为20时,南北红灯禁止通行时间为25时(因为当东西绿灯倒计时结束后,要有5秒的黄灯闪烁时间,所以南北红灯的禁止通行时间为25秒),我们用红外模块来模拟路口车流状况,当南北方向出现车流时,默认为闯红灯,此时蜂鸣器鸣叫;当东西方向出现车流时,自动进行车流计数,此时又分两种情况:
case1-1:通车数量未超过东西默认通行时间的一半(20÷2=10)时,下一个周期回来保持红绿灯通行时间不变。
case1-2:通车数量超过东西默认通行时间的一半(20÷2=10)时,下一个周期回来绿灯通行时间会+5秒,红灯禁止通行时间也会在原来默认情况下+5秒。
case2:若始终无任何车辆经过,东西和南北方向通行时间逐阶段递减5秒,直至通行时间到达15时,停止递减,维持现状。
三、单片机介绍
单片机数据手册:AT89C51四、硬件设计
4.1 晶振与复位电路
该部分我将晶振电路与复位电路融合在了一起,使电路更简洁。
晶振部分:
51单片机允许的晶振晶体可在1.2-24MHz之间选择,典型值有6MHz、11.0592MHz、12MHz。电容C1和C2作用是稳定振荡频率和快速起振,电容的取值会对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路的起振速度有一定影响,取值范围:20-100pF,典型值为30pF。
复位部分:
单片机在运行中由于本身或外界干扰的原因会导致出错,此时可以使用按键复位,使单片机恢复初始状态。
4.2 P0口驱动电路
在介绍P0口驱动电路之间,我们需要了解两个概念:
双向口:单片机的I/O口为了提高接口的驱动能力,具有由场效应管组成的输出驱动器。当驱动器场效应管的漏极具有开路状态时,该口就具有高电平、低电平和高阻抗3种状态,称为双向口。
准双向口:单片机I/O口的输出场效应管的漏极接有上拉电阻,该口具有高电平、低电平两种状态,称为准双向口。
单片机的P0-P4口内部结构如图:
内部结构图:参考:姜志海 赵艳雷 陈松 单片机的C语言程序设计与应用-基于Proteus仿真(第3版)
而P0口输出为漏极开路式,因此需要外接上拉电阻,阻值一般为5~10kΩ,本实验采用阻值为10kΩ的上拉电阻。
驱动电路如下:
其中:74HC245是兼容TTL器件引脚的高速CMOS总线收发器,典型的CMOS型三态缓冲门电路,八路信号收发器。由于单片机的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力,如果负载超过其负载能力,一般应加驱动器。其主要应用于大屏显示,以及其它的消费类电子产品中增加驱动。芯片引脚图如下:
这里给出数据手册:74HC2454.3 数码管和LED显示电路
4.4 按键部分
4.5 完整电路原理图
五、软件设计
主程序流程图:
六、仿真结果
6.1 东西绿灯,南北红灯
6.2 东西黄灯闪烁,南北红灯
6.3 仅东西方向通行
6.4 仅南北方向通行
6.5 夜间通行
6.6 禁止通行(特殊情况)
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