交通灯的设计论文与仿真学位论文Word文件下载.docx
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交通灯是交管部分管理城市交通的重要工具。
现在交通灯一般设在十字路口，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯，加上一个倒计时的显示计时器来控制行车，对于一般情况下的安全行车、车辆分流发挥着作用。
目前绝大部分交通灯其时间都是设定好的，采用的是单段式定时控制或多段式定时控制，其最大的缺点是绿灯时间和绿信比是固定的或是分时段固定的，且最佳绿灯时间和最佳绿信比的整定较为困难，需要大量的实测统计数据,且很多情况下整定所得值并不是最优的,甚至是不合理的。
控制起来都不是很灵活，这使得城市车流的调节不能达到最优。
这次设计正是针对这一弊端进行了改进，较好地解决了这一问题。
根据实时车流量对各路口的绿灯时间进行动态调节，大大加强了其灵活性和实时性，本系统能自动检测当前的车流量并计算出当前的最佳绿灯时间和最佳绿信比，当车流量变化时,其最佳绿灯时间和最佳绿信比也随之变化，实现了真正的动态控制。
本着“先到先服务”的原则，在保证交通安全性不降低的条件下提高了交通效率。
与传统的交通控制系统相比，该控制系统有一定的智能水平和很强的控制能力。
第二节交通灯的的介绍
19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。
其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。
后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·
哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。
在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。
后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。
不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。
从此，城市的交通信号灯被取缔了。
直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。
稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红、黄、绿三种标志）于1918年诞生。
它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。
一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。
回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。
他的建议立即得到有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界。
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
交通指挥灯是非裔美国人加莱特?
摩根在1923年发明的。
此前，铁路交通已经使用自动转换的灯光信号有一段时间了。
但是由于火车是按固定的时刻表以单列方式运行的，而且火车要停下来不是很容易，因此铁路上使用的信号只有一种命令：
通行。
公路交通的红绿灯则不一样，它的职责在很大程度上是要告诉汽车司机把车辆停下来。
开车的人谁也不愿意看到停车信号。
美国夏威夷大学心理学家詹姆斯指出，人有一种将刹车和油门与自尊相互联系的倾向。
他说：
驾车者看到黄灯亮时，心里便暗暗作好加速的准备。
如果此时红灯亮了，马上就会产生一种失望的感觉。
他把交叉路口称作“心理动力区”。
如果他的理论成立的话，这个区域在佛罗伊德心理学理论中应该是属于超我（superego）而非本能（id）的范畴。
新式的红绿灯能将闯红灯的人拍照下来。
犯事的司机不久就会收到罚款单。
有的红绿灯还具备监测车辆行驶速度的功能。
最早的交通灯出现于一八六八年英国伦敦。
那时的交通灯只有红、绿两色，经改良后，再增加一盏黄色的灯，红灯表示停止，黄灯表示准备，绿灯则表示通行。
其实,用这三色来作交通讯号和人的视觉机能结构和心理反应有关。
我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞，杆状细胞对黄色的光特别敏感，三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。
由于这种视觉结构，人最容易分辨红色与绿色。
虽然黄色与蓝色也容易分辨，但因为眼球，对蓝光敏感的感光细胞较少，所以分辨颜色，还是以红、绿色为佳。
所以，交通灯用什么颜色也是有大学问的呀！
颜色也有活动（activity）的含意，要表达热或剧烈的话，最强是红色，其次是黄色。
绿色则有较冷及平静的含意。
因此，人们常以红色代表危险，黄色代表警觉，绿色代表安全。
而且，由于红光的穿透力最强，其他颜色的光很容易被散射，在雾天里就不容易看见，而红光最不容易被散射，即使空气能见度比较低，也容易被看见，不会发生事故。
所以我们用红色表示禁止。
第二章交通灯设计的方法
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况。
为此，进行了深入的研究，以下就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计和实验调试等问题来进行具体分析讨论。
目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;
有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计；
有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。
目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。
加上一个倒计时的显示计时器来控制行车，属于定时计数类交通灯控制。
对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：
1．两车道的车辆轮流放行时间相同，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；
另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。
2．两条干道的红绿时间不能随时间的改变而修改。
第一节CPLD及EPGA控制
一CPLD是什么
CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。
是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（MC，MacroCell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。
其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。
由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。
发展历史及应用领域：
20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件--PLD诞生了。
其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。
为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件--CPLD。
目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。
二CPLF的特点及使用方法
器件特点：
它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10,000件以下）之中。
几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。
CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。
CPID是一种复杂可编程逻辑器件，具有高集成度、高密度、高速度的特点。
将原有采用中小规模集成电路（LSI）设计的电路改造为由CPLD实现，既可以提高系统的集成度，又可以提高系统的可靠性。
另外，由于CPLD具有在系统编程的功能，可在不改变印刷电路板的情况下改变电路功能，这样可以为系统提供更多的冗余功能。
本文介绍一种采用CPLD设计实现智能交通信号灯控制器方法，改变了原有控制器的体积较大、故障率高的缺点，并且增加了智能控制功能，使交通信号灯控制器具有更广泛的适应性。
如何使用：
CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
三EPGA是什么
FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。
FPGA的基本特点主要有：
1）
采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
2）
FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3）
FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。
4）
FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
5）
FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。
用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。
加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。
掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。
FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。
当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。
这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。
因此，FPGA的使用非常灵活。
FPGA有多种配置模式：
并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；
主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；
串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；
外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程
FPGA是80年代中期出现的高密度可编程逻辑器件（PLD）。
FPGA器件及其系统软件是开发大规模数字集成电路的最新技术。
它利用计算机辅助设计，以电路原理图、VHDL、布尔方程、真值表或状态机等格式，输入设计逻辑，然后经一系列变换，将输入的逻辑转换成适合于FPGA器件结构的图形文件或文本形式。
此时不仅可以观察整个设计在器件中实际布线的结果，了解各网络的延时特性，进行人工修改或编辑；
从而可利用模拟手段，对设计的输入、输出及任意点信号进行模拟仿真，包括验证设计功能是否正确的功能模拟，以及确定最终设计是否满足相位和延时要求的定时模拟。
把经过模拟验证后的设计文件转换成比特流文件或PROM（可编程只读存储器）格式文件，把常规的编程器对EPROM（可擦可编程只读存储器）编程。
然后把这EPROM与FPGA器件适当连接，加上（5V）电源。
此FPGA器件就可作为大规模专用集成电路使用。
用不同的设计文件配置同一块FPGA"
白片"
，则可实现不同的逻辑功能。
FPGA器件可实现所有数字电路功能。
目前，器件集成度已经达到了两万门数量级，工作频率可达300MHz以上。
一般可在几个小时或几天内完成一个设计，并可随时修改。
这加速了产品设计开发的进程，免去了昂贵的ASIC（专用集成电路）器件半导体生产工艺费用及投资风险。
FPGA技术是电子工程师不可缺少的好帮手。
四EPGA与CPLD的区别
一、相同点
都由3个部分组成LI/O模块；
逻辑功能模块；
用来连接逻辑模块之间，逻辑模块和I/O模块之间的连线。
二、差异
1、结构
CPLD类似于PAL器件集成到一个芯片构成，FPGA类似于门阵列或ASIC结构
2、CPLD掉电后数据不会消失，FPGA会
3、CPLD采用系统可编程（ISP）的方法为器件定义功能，FPGA通过静态随机存储器以查找表方式，来实现具有固定数目输入和输出的任何组合逻辑函数。
三、选择原则
CPLD比较容易实现各种算法和组合逻辑，FPGA适合含有较多时序逻辑的电路。
第二节PLC控制系统
一PLC是什么
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
二PLC的特点
一可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
二配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
三易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
四系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
五体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
三PLC应用的领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
一开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
二模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
三运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
四过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
五数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；
也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
六通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
第三节单片机控制系统
一单片机是什么
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。
8051是MCS-51系列单片机的典型产品
8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等
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