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。

呼吸灯
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

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：74HC245
4.3 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）