1、 本科毕业设计 （ 20 届） 城市道路交通灯控制系统模型的设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 实现路口交通灯系统控制的方法很多 , 可以用标准逻辑器件、可编程序控制器 PLC、单片机等方案来实现。但是这些控制方法 的功能修改及调试都需要硬件电路的支持 ， 在一定程度上增加了设计难度。根据数字逻辑电路与系统设计进行实践，利用 Quartus II软件设计一个基于 EDA的由一条支干道和一条主干道的汇合点形成的十字交叉路口的交通灯控制器，由系统时序发生电路模块、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路模块、红绿灯信号译码电路模
2、块、转换模块、显示模块、东南方向红绿灯控制模块，经过整体组装、测试及程序来实现交通灯的控制功能。该灯控制逻辑可实现 3 种颜色灯的交替点亮、时间的倒计时 ， 当南北方向红灯显示倒计时 40秒的时候，东西方向显示 35秒绿 灯倒计时，指挥车辆和行人安全通行。 关键词 ： PLC； Quartus II； 状态机； EDA - 3 - Abstract A lot of devices, such as standard logic device, PLC (Programmable Logic Controller), single chip microcomputer, etc, can be
3、 used in the design of traffic light system.However; debugging and adjusting the circuits based on these devices require hardware supports. In some sense it complicates the design procedure. Based on digital logic circuits and systems design,use Quartus II carries on the main thoroughfare areas of f
4、orming the cross intersection of traffic light controller, By the system timing generation circuit module, the timing of traffic lights count module, timing control circuit module, the traffic light signal decoding circuit module, conversion module, display module, southeast traffic light control mo
5、dule,through the whole assembly,test and procedures to achieve traffic control functions.The control logic of the system can change the color of traffic lights alternately and has the function of countdown, North-South direction of the red light 40 seconds of the countdown when the east-west green 3
6、5 seconds countdown show,thus it can command vehicles and people on the road. Key Words: PLC; Quartus II; state machine; EDA - 4 - 目 录 1 引言 . 1 2 方案论证 . 2 2.1 设计要求 . 2 2.2 方案种类 . 2 2.2.1 基于 EDA 的交通控制系统 . 2 2.2.2 基于单片机控制的交通控制系统 . 3 2.2.3 基于 PLC 的交通控制系统 . 4 2.2.4 本次设计优点 . 4 3 智能交通灯模拟系统总体设计 . 5 3.1 交通灯
7、整体设计方案 . 5 4 交通灯各模块设计 . 7 4.1 系统时序发生电路模块设计 . 7 4.2 红绿灯计数时间选择模块设计 . 7 4.3 定时控制电路设计 . 9 4.4 控制模块设计 . 10 4.5 转换模块设计 . 12 4.6 显示模块设计 . 13 4.7 东南方向红绿灯控制模块设计 . 13 5 调试与分析 . 15 6 总结 . 16 6.1 展望 . 16 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 17 附录 1 顶层模块图 . 18 附录 2 交通灯 VHDL 代码 . 19 附录 3 顶层设计 VHDL 代码 . 27 - 1 - 1 引言 黄色信号灯的发明者是
8、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 1。 中国最早的马路红绿灯，是于 1908 年出现在上海的英租。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
9、上不断地更新、发展和完善 2。 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 .随着社会的发展 ,城市规模的不断扩大 ,城市交通成为制约城市发展的一大因素 ,因此 ,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案 ,而大多数都为交通指挥灯 ,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的 .全部有数字电路组成 ,比较以前的方案更为精确 3。 城市道路交叉口是城市道路网路的基本节点，也是网络交通流的瓶颈。目前，大部分无控制交叉口都存在高峰小时车流混乱、车速缓慢、延误情况严重、通行能力和服务水
10、平低下等问题。特别是随着城市车流量的快速增加，城市无控 制道路交叉口的交通压力越来越大。因此，做好基于 EDA 技术平台的交叉口信号控制设计是缓解交通阻塞、提高城市交通交叉口车辆通行效率的有效方法 4。 - 2 - 2 方案论证 2.1 设计要求 (1)用两组红、黄、绿三种颜色灯分别作为东西，南北方向的指示灯。 (2)变化规律：东西绿灯亮，南北红灯亮 -东西黄灯亮，南北红灯亮 -东西红灯亮，南北绿灯亮 -东西红灯亮，南北黄灯亮 -东西绿灯亮，南北红灯亮。 (3)主干道通行时间为 35s， 支干道通行时间为 15s， 并且时间可以修改。 (4)红灯到绿灯，中间有黄灯提醒，时间为 5s。 (5)要
11、求具有复位的功能 ，同时增加自动 /手动的功能。 2.2 方案种类 2.2.1 基于 EDA 的交通控制系统 该系统通过外部输入信号可方便地设定交通灯的延迟时间 ,使交通灯控制数字电路设计得到了优化 ,提高了系统的灵活性、可靠性和可扩展性。硬件描述语言可以实现综合 , 优化 , 仿真与验证，直到生成器件 ,且与硬件电路很相似 , 是一个数字电路和系统的描述、建模、综合的工业标准 , 设计起来方便 , 所以采用硬件描述语言来实现中央控制器、逻辑判断器、红、黄、绿灯显示环节功能设计 ,系统框图如图 1 所示 5 - 3 - 图 1 交通控制系统框图 设计由于采用自顶向下法设计交通灯控制器 ,合理地
12、处理灯时分配 , 分频 , 控制显示与编码的相互关系 ,采用 VHDL 语言层次化和模块化的设计方法 ,减少了设计芯片的数量、减少系统开发周期 , 降低了功耗 , 可以通过改变程序或着外部输入来控制交通灯。此设计是基于硬件描述语言 VHDL,借助可编程器件完成的数字系统的设计 ,显示了可编程器件的广阔前景 ,加之工艺的改进 ,可编程逻辑器件的集成度和速度将进一步提高 , 性能将进一步完善 6。 2.2.2 基于单片机控 制的交通控制系统 图 2 系统组成 数字输入复位控制盘 设置命令输入紧急控制 单片机最小系统 液晶显示 交通灯显示 雨雪报警 中央控制器 传感器 黄灯显示 逻辑判断器 红灯显示
13、 绿灯显示 黄灯 红灯 绿灯 - 4 - 本系统是基于新型交通规则的由单片机控制的可编程的交通灯控制系统 。 系统能够根据新型交通规则 ， 自行控制交通灯的依次亮灭 ， 可以通过键盘设定交通灯的亮灭时间 ， 还能及时处理突然发生的紧急情况 ， 并且可以在不同时段改变交通灯的信号自动调节车流量 。 系统的控制部分为可编程的单片机控制芯片 ， 可以通过编程改变其运行规则 。 这种采用单片机控制的模块化设计 ， 具有可靠性高 ，操作简单 ， 功能强大等特点 ， 系统还采用了液晶显示器显示系统运行的状态 ， 具有很 强的交互性 7 。 2.2.3 基于 PLC 的交通控制系统 系统主要由车辆探测器 、
14、 PLC、 交通灯等 3 部分组成，如图 1所示 。 该系统具有构成简单，编程容易，系统设计和开发周期短，可靠性高，性价比好且安装维护方便等优点 。 特别适合于交通繁忙 、 无立交桥的十字路口 8。 图 3 智能控制系统组成 运用 PLC 模糊控制实现的十字路口交通灯智能控制系统在保证系统稳定可靠运行时，能根据不同的交通流量优化信号灯的配时，缓解交通拥挤，提高交通控制效率，从而有效地解决交通 流量不均衡 、 不稳定带来的问题 9。 2.2.4 本次设计优点 三种方案看来，每一种方案都有它自己的优势，但是我觉得还是第一种的设计发案是最好的，此方案提高了系统的灵活性和可靠性 ,使交通灯控制数字电路
15、设计得到了优化 。 通信 控制信号 输出驱动 报警 P L C - 5 - 3 智能交通灯模拟系统总体设计 3.1 交通灯整体设计方案 设计一个基于 FPGA 的红绿灯交通信号控制器。在 Quartus 集成环境中完成程序设计，计划采用 VHDL 语言进行程序的设计和开发，采用模块化方法进行顶层的设计和开发。假设某个十字路口是由一条主干道和一条次干道汇合而成，在每个方向设置红 绿黄 3种信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮允许行驶中车辆有时间停靠到禁止线以外 10。 在自动控制模式时，主干道每次放行时间为 35s，次干道每次放行时间为15s，主干道红灯、次干道黄灯、主干道黄灯、次干道
16、红灯持续时间为 5s。其外部硬件电路方面包括：两组红绿灯（配合十字路口的双向指挥控制）、两级七段显示器（配合绿灯时倒计时显示）、一组手动与自动控制开关（针对交通警察指挥交通控制使用） 11。交通灯控制器系统组成方框图如 图 3-1中。 图 3-1 交通灯控制器系统组成方框图 首先系统时序发生电路最主要的功能就是产生一些额外的输出信号，它们是为红绿灯信号译码电路提供的频率为 250Hz 的扫描信号，为定时控制电路提供的使能（ enable）控制信号，为红绿灯信号译码电路提供的占空比为 50%的秒闪烁时序发生模块 （ 1kHz 输入时钟） 红绿灯计数时间选择模块 红绿灯信号译码模块 定时控制电路
17、南北向 红黄绿 倒计时显示 红绿灯切换 手动 /自动 系统复位 东西向 红黄绿 - 6 - 信号；红绿灯计数时间选择模块是负责输出显示器需要的值（即倒数的秒数值），作为定时控制电路（ count_down circuit）的倒计数秒数，在该模块中可设置东西路口和南北路口的信号灯维持秒数；定时控制电路功能就是负责接收红绿灯计数时间选择模块输出的值（即倒数 的秒数值），让行人能清楚地知道再过多久就会变成红灯；红绿灯信号译码电路除了负责控制路口红绿灯的显示外，最主 要的功能就是能够利用开关来切换手动与自动的模式，让交警能够通过外部输入的方式来控制红绿灯信号系统的运作，在红绿灯交通信号系统中，大多数的情况是通过自动控制的方式指挥交通的，但为了配合高峰时段，防止交通拥挤，有时还必须使用手动控制，即让交警自行指挥交通 12。 本系统采用的是系统级层次化设计方法，整个系统主要可分为 4 个模块，系统时序发生电路、红绿灯计数时间选择模块、定时控制电路、红绿灯信号译码电路。系统 的关键电路用一片 FPGA 芯片实现，首先用 VHDL 语言编写各功能模块程序，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，然后用顶层原理图将各功能模块连接起来。
