本案例秉承工程教育理念及竞赛机制组织实践教学环节，让学生在真实工作情境中进行完整、系统、工程化的专业实践训练，达到培育高质量具有创新实践人才的目的。本实验案例选择交通灯为对象，因为学生多数对此比较熟悉，便于理解和引导；在实验教学的组织上，按照由基本到进阶，不断提高的原则，完成从理论分析到仿真调试再到样机制作实现，实现设计流程全闭环。全过程中学生进行了基本逻辑电路设计，电路虚拟仿真和样机搭建，难度由浅至深，层层递进，对虚拟仿真技术、数据采集技术和最优化算法设计等技术进行了实践和训练，训练了学生的创新思维和自主学习能力。
1、实验内容及任务要求
以十字路口交通灯为对象,模拟实现十字路口交通灯的工作情况。分基础设计任务和进阶设计任务两部分。基础部分：基础交通灯功能、倒计时功能、应急模式功能；进阶部分：根据不同时段车流量不同的实际情况,设计基于车流量的交通灯控制策略，完成交通灯智能控制系统设计，实现多路口交通灯的联动控制。
设计对象描述：设定相邻两路口间的距离为0.5Km，设计传感器检测电路和通信电路,实时调节十字路口交通信号灯的配时模式，实现道路畅通的控制目标。交通信号灯是由红绿黄三色灯组成，用来显示十字路口的行人及车辆通行状况，红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示允许通行，黄灯亮表示提示行人与车辆注意红绿灯交换，每个路口的信号转换顺序实验中规定为：绿、黄、红。交通灯通行模式及行车方向如图1所示。其中设定南北方向为主干道方向。
图1交通灯通行模式及行车方向图
2、交通信号控制的方案设计
系统的设计采用模块化的方法，主要包括单片机主控制单元、LED点阵模块、驱动模块、通信模块和按键开关模块等。系统结构图如图2所示。
图2交通灯控制系统结构图
交通信号控制的方案设计包括两部分：对十字路口交通灯的状态转换次序加以分析，设计合理的配时方案；针对单一模式的交通灯信号系统，提出增加应急和早晚高峰等模式。下面分别进行说明：
（1）十字路口交通灯的状态转换次序和配时方案：
1号十字路口正常情况下交通指示灯以4个状态S0,S1,S2,S3进行转换,通过倒计时进行显示。状态显示的主要过程如图3所示：
图3正常情况下交通灯配时方案
状态S0：南北方向红灯，东西向绿灯，两个方向均从50s倒计时，持续时间45s时转向S1；
状态S1：南北方向红灯，东西向黄灯，持续5s后，转向S2；
状态S2：东西方向红灯，南北向绿灯，两个方向均从60s倒计时，持续时间55s时转向S3；
状态S3：东西方向红灯，南北向黄灯，持续5s后，重复转向S0；正常情况下十字路口交通指示灯配时方案具体如下：绿灯45s红灯50s黄灯5s红灯60s绿灯55s黄灯5s东西方向南北方向。
（2）应急模式和早晚高峰模式分析：
A应急模式。东西方向、南北方向均为红灯常亮，禁止通行，特殊车辆优先通过，随之恢复为先前状态，此模式作为高优先级。
B早晚高峰模式：南北方向为主干道方向在早上7点~8点若出现早高峰时候可以通过按键调换模式，调完模式后南北方向绿灯115s，红灯50s，黄灯5s，东西方向绿灯55s，红灯50s，黄灯5s，待早高峰过去后回到正常的工作模式。晚高峰也和早高峰工作原理相同，此模式作为低优先级。早晚高峰情况的交通配时方案如图4所示。
图4早晚高峰情况下的交通灯配时方案
3、硬件电路设计说明
本系统采用STC89s52单片机为控制核心：通过两路级联74HC595驱动LED点阵，三片74HC595采用级联方式连接。单片机的南北方向由P2.0口和P2.2口，分别接入一路级联74HC595的数据输入时钟线与输出存储器锁存时钟线，P2.1口接入一片74HC595的串行数据输入管脚。单片机的东西方向由P2.3口和P2.5口，分别接入另一路级联74HC595的数据输入时钟线与输出存储器锁存时钟线，P2.4口接入一片74HC595的串行数据输入管脚。P3.2口接应急开关按钮并作为高优先级，P3.3口接早高峰开关按钮并作为低优先级。P3.0口和P3.1口分别为RS485通信模块的发送数据端口和接收数据端口。P3.7为RS485使能端。如图5所示为系统硬件电路图。
图5系统硬件电路仿真效果图
4、软件设计说明
基础交通灯功能实现：点亮点阵LED信号灯,实现单灯亮(灭),单灯1秒交替亮灭显示；点阵显示功能,实现点阵静态显示0123456789；绿色点阵LED灯常亮,点阵50秒倒计时，倒计时9s显示，至5秒时,绿色点阵LED灯灭,黄色LED灯亮；设置应急工作模式,通过按键开关手动控制模式切换。如图6所示为系统主程序流程图。
图6主程序流程图
进阶任务设计：完成两路口交通灯联动控制系统设计，单个十字路口是整个交通网络的最小研究单元，其控制策略是研究基础。相邻两个路口的协调控制是主干道控制中的基本问题，这种协调方法以增加两路口的车流量为控制目标。
设这两个相邻路口贯穿南北方向，两路口相距0.5km，道路为6车道通行。当两个路口协调配合时，需考虑两个路口南北向直行绿灯的周期配合。根据实际两路口的距离和车辆的平均时速先对把该车流所经过的各路口绿灯起始时间，做相应的调整，以确保该车流到达每个路口时，正好遇到“绿灯”；各路口控制主机采用485串行通信，进行协调控制；通过计算车辆平均时速为50km/h，绿灯通行时间36s，红灯时间34s。如图7所示为甲、乙两机的绿波带控制流程图。
图7绿波带控制工作流程图
整个实验过程中，学生经历查阅资料、方案论证、硬件设计、软件设计、仿真调试、硬件模型搭建和调试、总结报告、答辩交流等环节。在实验教学中，学生学习了芯片数据手册查看，使用Keil、protues等软件程序调试和仿真测试；使用电路实验仪器、万用表、开发板、电烙铁等工具；优化控制方案设计等。实践了以成果为导向的工程教育理念，全面培养了学生主动学习能力和探究实践与专业知识之间有机联系，实现理论知识与实践活动的深度结合。
