基于LabVIEW的交通灯控制系统设计与仿真

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本文使用虚拟仪器LabVIEW软件开发出一套基于软件的交通灯实验控制系统来模拟交通灯的控制，即可实现无逻辑控制硬件的交通灯控制实验系统，并能进行实验模拟，使学生掌握交通灯的软件控制方法。相对于可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现，加强了软件开发过程的理解，也节约了试验系统开发成本。

1、LabVIEW简介

LabVIEW是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，是一个标准的数据采集和仪器控制软件。虚拟仪器是20世纪80年代兴起的一项新技术，是现代仪器仪表发展的重要方向，在建模仿真、设计规划和教育训练等方面都有应用。LabVIEW具备各种编程平台的通用功能，比方数据类型、事件处理、循环结构因此成为功能强大的图形化编程工具，LabVIEW并不仅仅是一门编程语言。虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI），每个VI，均含一个用户接口，这个接口叫前面板，通俗来说即与仪器面板对应的软面板。还有一个后面板，也叫作程序框图。VI的设计，包括前面板和程序框图的设计。VI就是通过前面板和程序框图的设计，使用图形化的编程语言，编程实现软件的程序功能。

2、交通灯控制系统设计方案

2.1、控制方案

十字路口交通信号红绿灯通常为三种控制形式。第一种为传统红绿灯，即绿灯切换到红灯之前，车辆由动到静，用黄灯缓冲过度；红灯切换到绿灯时，车辆由静到动没有缓冲过度；第二种是在传统红绿灯控制形式的基础上增加绿灯闪烁（简称绿闪）功能，即在绿灯时段行将结束的最后3秒闪烁三次，其目的是提示绿灯时段行将结束，并保留黄灯缓冲过度；第三种是数显红绿灯，即倒计时数字显示红绿黄灯的时段。由于全过程有时间显示，不要绿灯闪烁，但可以保留黄灯。文中采用第一种和第三种相结合的控制方式。

2.2、前面板设计

文中所设计的十字路口控制模型由两条东西方向的车道和南北方向的车道在交汇处设置。在交汇处东西南北四个方向各设置一个交通信号灯，每个交通信号灯由红、黄、绿三盏灯构成。打开LabVIEW2012软件，新建一个VI，并命名为交通灯仿真，在前面板上右击→指示灯→圆形指示灯，一共需要12个灯，东西南北四个方向各三个信号灯，右击指示灯，打开属性，在外观里面设置灯亮和灯灭的颜色，灯亮的时候分别是红、绿、黄三种颜色。灯灭的时候不显示。红绿灯对交通的影响起着至关重要的作用，如何合理地设置红绿灯时间是解决交叉路口交通问题的关键。设置红绿灯的时间，设置南北方向红灯和东西方向红灯时间及倒计时显示。前者用数值输入控件，后者用数值显示控件。设定完显示时间之后右击数据，单击数据操作，单击当前值设置为默认值，保存设定的数值。这样做的目的是下次实验系统打开后依然保存上次设定的时间数值，否则设定数值在本次程序关闭后会消失。

汽车数量的急剧增加，给城市交通带来了极大的压力。特别是在上下班高峰期，巨大的车流量使得道路拥挤，造成了不必要的时间浪费与经济损失。所以设计可靠、安全、便捷的智能交通灯控制系统有极大的现实必要性。传统的交通灯的缺陷也日益出现，其设计过于死板，红绿灯交替变换时间过于程式化，达不到道路的最大通行效率是最明显的问题。传统的十字路口交通控制系统中，一般只采用红绿黄灯分方向轮流控制形式，没有考虑到实时的各方向路面车流辆情况，紧急突发事件的应急处理等，这样的控制显得不够灵活，无法达到最优的交通指挥目的。为了模拟实际交通灯的控制，还可以在实验系统中设置交通管制的功能，改变红绿灯的亮灭时间，比如设置南北方向禁行，让东西方向的车流放行或者设置东西方向禁行，让南北方向的车流放行等功能，即可通过下拉列表控件实现设计功能。

2.3、程序框图设计

2.3.1、交通灯正常运行

在程序框图界面上使用条件结构判断程序是否进入交通管制，交通灯在正常条件下工作，未实行交通管制的情况下，程序进入假分支。在结构选板中有两种顺序结构，分别是平铺式顺序结构和层叠式顺序结构，为了节约程序后面板空间，这里使用层叠式顺序结构。首先在层叠式顺序结构的第一帧中给12个布尔灯（交通灯）赋值为F，即交通灯都不亮。南北方向和东西方向的红灯倒计时赋值为0。在第二帧里设计东西方向通行，南北方向禁行，即给南北方向的两个绿灯赋值为F，东西方向的两个红灯赋值为T。南北方向红灯倒计时显示。第三帧让南北红灯和东西绿灯灭，给它们赋值为F。第四帧显示东西方向的黄灯。在第五帧里设计东西方向禁行，南北方向通行，即给南北方向的两个绿灯赋值为T，东西方向的两个红灯赋值为F。东西方向红灯倒计时显示。南北方向红灯倒计时显示程序框图如图1所示。

图1  南北方向红灯倒计时显示

如图1所示，南北方向红灯倒计时显示时间为南北方向红灯设置时间减去循环次数。同时南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮。

第六帧让南北绿灯和东西红灯灭，赋值为F。第七帧显示南北方向的黄灯亮的程序。黄灯闪烁程序如图2所示。

图2  黄灯闪烁程序分支

2.3.2、交通管制情况

为了适应实际交通问题，当实行交通管制时，交通灯模拟实验系统依然能实现这部分功能，在程序框图中，实行交通管制，程序进入真分支。在层叠式顺序结构的第一帧里让所有灯灭，即给所有灯赋值为F。在第二帧中设定南北方向通行，东西方向禁行，给东西方向红灯赋值为T，南北方向绿灯设置为T，其余灯赋值为F。在第三帧中设定东西方向通行，南北方向禁行，东西方向绿灯赋值为T，南北方向红灯赋值为F，其余灯赋值为F。在第四帧中是黄灯闪烁程序分支。

3、交通灯运行结果

单击交通灯控制系统的前面板上的运行按钮时，未实行交通管制时交通灯运行结果如图3所示。

图3  未实行交通管制时交通灯运行结果

如图3所示，未实行交通管制时，交通灯按正常设定的红绿灯时间运行，南北方向为红灯，该方向车辆禁行，东西方向为绿灯，该方向车辆通行。前面板还能显示出南北方向红灯的剩余时间。当南北方向红灯设定时间到，南北方向红灯自动切换到绿灯，东西方向路绿灯时间到过度为黄灯，之后迅速切换成红灯，在时间上和南北方向切换的绿灯的时刻重合。同理东西方向红灯，南北方向绿灯的切换过程类似。

单击交通灯控制系统的前面板上的运行按钮时，单击控制中心的交通管制按钮，实行交通管制时交通灯运行结果如图4所示。

图4  交通管制时交通灯运行结果

单击交通灯控制中心的交通管制按钮，出现管制措施枚举控件，选择南北禁行模式，运行结果如图4，此时南北方向和东西方向红灯设置时间颜色变灰，表示禁用，不可进行设置。此时程序一直处在南北方向红灯，东西方向绿灯的状态，直到停止程序运行为止，同理实行东西方向交通管制的方法类似。

本交通灯控制实验系统软件使用顺序结构为程序主体架构，一步一步的实现程序的控制步骤，使交通灯控制实验系统的软件开发步骤逐步实现预设系统的功能，另外也使学生和教师更清楚明白的掌握程序的各部分具体功能，方便学生学习和教师的教学讲解。此外软件开发的过程中还用的条件结构，实现分支设计。为了美观，在程序的前面板上绘制直线勾边，在VI的前面板上右击，选择系统，进而选择修饰，再选择系统分隔线来实现。

4、结束语

文中使用在测试测量分析领域具有强大功能的LabVIEW软件，设计了交通灯控制实验系统，实验系统能够较好的满足交通灯控制的实验要求，提高了学生做实验的兴趣，促进学生对理论知识的学习和对实验过程的了解。实验平台具有可扩展性，可以继续添加实验，以丰富实验平台的功能。基于LabVIEW的实验系统设计思想也体现了教学改革创新。通过编程设计出来的实验平台，减少了实验室建设成本，有推广应用价值，可将本文的思路拓展到其他实验系统中去，用开发软件的方法来代替硬件功能，做出尝试，改革创新，驱动高效实验室创新发展。