CN103606329B - 一种具有结果诊断功能的交通灯实训系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有结果诊断功能的交通灯实训系统，该交通灯实训系统还设置有基于诊断单片机的诊断单元，通过该诊断单元直接检测用于模拟交通灯的二极管的工作电压是否正确，来判断学生编写的控制程序是否正确，得到诊断结果，并将通过提示模块将该诊断结果输出，且诊断过程中诊断单元的诊断单片机与控制模块需要同步运行。本发明的交通灯实训系统设置有诊断单元，能够自动检测学生编写的控制程序是否正确，具有自动诊断功能，并将实验结果直观的呈现出来，便于观察，能够节约教学时间，提高教学工作效率。本发明的交通灯实训系统在教学实验领域具有良好的应用前景和实用性。

Description

一种具有结果诊断功能的交通灯实训系统

技术领域

本发明属于教具设备领域，尤其涉及一种具有结果诊断功能的交通灯实训系统。

背景技术

实验教学在教学中的比例逐步增长，实验教学是培养学生实验动手能力、实验研究能力和创新能力，并对理论教学的知识通过实验获得理性认识从而掌握理论知识，因此实验教学内容包括了验证型、综合性、设计性和创新性实验项目，目前中国学生的实验设计能力和创新能力普遍欠缺，这与实验教学设备和教学方法有直接联系，可以通过改进实验教学设备和教学方法，逐步达到提高学生实验设计能力和创新能力的目的。

交通灯控制系统设计是单片机、可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）课程中最常见的一个教学实验项目，在实际教学实验过程中，学校均采用一体化的封闭式的单片机实验箱设计或PLC实验箱。交通灯实验中模仿实际交通灯控制系统，设置四组发光二极管，分别对应于东、南、西、北四个方向，每个方向包括3个发光二极管，发光二极管的一点与I/O口相连。

现有的单片机或PLC课程的交通灯控制实验中，学生完成实验后，老师需逐一检查，每检查一个学生需数分钟，一个班需花费大量的时间进行结果检查，增加了教师的工作量，也影响了教学效果，不利于实训考核。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种具有结果诊断功能的交通灯实训系统。

一种具有结果诊断功能的交通灯实训系统，包括实训单元、诊断单元，以及为实训单元和诊断单元供电的电源电路；

所述实训单元包括：

发光二极管，用于模拟交通灯；

实训控制模块，控制所述发光二极管工作；

所述诊断单元包括：

信号采集模块，用于采集发光二极管工作电压并输出对应的电压信号；

诊断单片机，与实训控制模块同步运行，用于在预设的运行周期内每隔一定的时间间隔接收来自信号采集模块的电压信号，再与预设标准信号进行比对诊断，得到比对诊断结果；

提示模块，用于接受并输出来自诊断单片机的比对诊断结果。

其中实训控制模块多为单片机或逻辑可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。实际应用中该交通灯实训系统中所有组成均封装在一个盒子中或集成在同一个电路板上，其中控制模块可以封装在盒子中或集成在同一电路板上，此时认为控制模块为内置控制模块；控制模块可以不封装在盒子中或集成在同一电路板上，实验时从外部接入控制模块，此时认为控制模块为外接接控制模块。为内置控制模块时，该控制模块需提供下载端口，实验前，学生通过下载接口将控制程序写入该控制模块中。为外接控制模块时，在交通灯实训系统中设置一系列与发光二极管的负极串接的I/O口，实验时，将控制模块的输入/输出端与相应的I/O对接，学生向控制模块中写入控制程序，从而实现外接的控制模块对发光二极管工作状态的控制。

与传统的交通灯实训系统比较，本发明的交通灯实训系统还设置有诊断单元。发光二极管的工作电压即反应了其工作状态，实验过程中通过诊断单元直接检测用于模拟交通灯的二极管的工作电压是否正确，来判断学生编写的控制程序是否正确，得到诊断结果，并将该诊断结果输出，且诊断过程中诊断单元与控制模块需要同步运行，主要是为了保证标准信号与采集到的电压信号的对应关系，即实现将采集到的电压信号与相同时刻的标准信号进行比对。诊断单元通过提示模块做出相应的提示信息，将实验结果直观的呈现出来，便于观察。老师直接通过观测最后提示模块的信息就可以得到最终结果，不需要逐个观察整个交通灯的运行过程，节约时间，提高了工作效率。

所述诊断单片机进行比对诊断时：

（a）若电压信号与标准信号一致，则下一个时间间隔继续进行比对诊断，完成至少2个运行周期后停止诊断，诊断结果为正确；

（b）若电压信号与预设标准信号不一致，则停止比对诊断，诊断结果为错误。

对比诊断时将该时刻每个电压采集模块采集到的发光二极管的电压信号与该时刻发光二极管对应的标准信号比对，且每隔一个时间间隔比对一次。相对于实时比对，能够减小数据量，从而提高诊断速率，且在某一时刻检测到采集到的电压信号与标准信号不一致，就即可生成诊断结果错误，不需要整个控制程序运行完就可以得到最终结果，进一步提高了诊断的效率。由于实际过程中可能出现从启动后的一个运行周期内，各时间间隔对应的电压信号和相应时刻的标准信号一致，但该程序并未结束，因此实际结果为错误，而只检测一个运行周期，是无法对该时刻进行诊断，因此需进行至少2个运行周期。作为优选，完成2个运行周期后停止诊断

所述的提示模块为发光二极管。当比对诊断结果错误时，发光二极管点亮并闪烁，当诊断结果正确时，发光二极管点亮，且不闪烁。

所述的提示模块也可以为声光报警电路、语音提示电路等，诊断单片机根据对比诊断结果控制该提示模块发出不同相应的提示，分别代表对比诊断结果正确或错误。

所述交通灯实训系统，还包括与所述诊断单片机无线通信的上位机，用于在诊断单片机内设定所述预设时间间隔和所述预设运行周期，以及写入所述预设标准信号。所述上位机可以为PC机，且该PC机和诊断单片机均设有可以相互发射或接收信息的无线通信模块。

所述的诊断单元还包括与诊断单片机相连的读写设备，用于在诊断单片机内设定所述预设时间间隔和所述预设运行周期，以及写入所述预设标准信号。所述的读写设备包括键盘输入电路和显示模块。

对于所述诊断单片机，所述上位机具有比读写设备更高的操作优先级。实际应用中，所述交通灯实训系统具有2种工作模式，分别为考核模式和实训模式，

实训模式下，通过键盘输入电路和显示模块设定运行周期和时间间隔；

考核模式下，通过无线发射模块设定运行周期和时间间隔，并向诊断单片机写入标准信号，读写设备处于锁定状态（即无法设定所述预设时间间隔和所述预设运行周期，以及写入所述预设标准信号），且完成考核后，诊断单元采用无线传输技术，将最终诊断结果上传至上位机。

所述电源电路包括：

用于连接24V电源的第一输入端；

用于连接5V电源的第二输入端；

公共输出端；

连接在第一输入端与公共输出端之间的DC-DC电路；

连接在第二输入端与公共输出端之间的过压保护二极管。

第一输入端和第二输入端均为该交通灯实训系统的电源接口，第一输入端用于外接24V电源，第二输入端用于外接5V电源，24V电源接口通过DC-DC电路将电压降低至5V后为交通灯实训系统供电。通过该电源电路，使该交通灯通信系统能够做单片机实训实验，也可以进行PLC实训实验。

此时若控制模块为单片机（实训单片机）时，则单片机由电源电路的第二输入端供电，若为PLC，则PLC由第一输入端供电。当需要进行单片机实验时，将第二输入单元外接5V电源相连即可；当需要进行PLC实验，将第一输入单元外接24V电源即可。

另外由于提供了2个电源接口，为防止实际试实验操作过程中，学生将5V电源接口误接上24V电源而烧坏交通灯实训系统，5V电源接口还串联后一个过压二极管。

发光二极管分为四组，两两相对的布置，每组中包括三个发光二极管，分别为红色、黄色和绿色；

在相对布置的两组中，颜色相同的两个发光二极管共用同一标准信号。

四组发光二极管分别代表东、南、西、北四个方向。相对布置的一组发光二极管中，相同颜色的发光二极管的工作状态一致，因此可以共用一组标准信号，有利于提高诊断单片机的数据处理速率。

所述的运行周期为10～60s。

运行周期根据实际交通灯的运行周期设定。运行周期为某种颜色的发光二极管开始点亮到下次该发光二极管开始点亮的时长。

所述的时间间隔为0.3～1s。

两次读取信号采集模块之间的时间，由单片机程序设定。

时间间隔为诊断单片机进行相邻两次比对诊断之间测间隔时间。取值过小，会增加诊断单片机的数据处理量，影响检测效率，而取值过大会到到时检测误差过大，作为优选，时间间隔为0.5s。

所述的实训单元还设有用于使控制模块和诊断单片机同步运行的启动电路。

本发明中诊断单片机和实训单片机一般可采用STC89C51的单片机。

本发明的交通灯实训系统设置有诊断单元，能够自动检测学生编写的控制程序是否正确，具有自动诊断功能，能够节约时间，提高教学工作效率，该装置在单片机和PLC教学实验领域具有良好的应用前景和实用性。

附图说明

图1为本发明的交通灯实训系统的结构框图；

图2为单个发光二极管的信号检测电路原理图。

具体实施例

下面将结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

本实施例的具有结果诊断功能的交通灯实训系统，所有模块集成于同一电路板上。

如图1所示，该交通灯实训系统包括上位机、实训单元、诊断单元、启动电路和电源电路，电源电路为实训单元、诊断单元和启动电路供电，其中实训单元包括：

发光二极管，用于模拟交通灯；

实训控制模块，控制所述发光二极管工作；

该诊断单元包括：

信号采集模块，用于采集发光二极管工作电压并输出对应的电压信号（一个发光二极管连接一个信号采集模块）；

诊断单片机，与实训控制模块同步运行，用于接收来自信号采集模块的电压信号，并在在预设运行周期内，每隔一定的时间间隔，将所述的电压信号与预设的标准信号进行比对诊断，得到诊断结果，

提示模块，用于接受并输出来自诊断单片机的比对诊断结果，

启动电路，用于控制所述控制模块和所述诊断单片机同步运行，

读写设备，与诊断单片机相连，用于在诊断单片机内设定所述时间间隔和所述运行周期，以及写入所述预设标准信号本实施中读写设备为键盘输入模块和显示模块，且二者均与诊断单片机相连；

上位机（图中未画出），与诊断单片机进行无线通信，用于在诊断单片机内设定所述时间间隔和所述运行周期，以及写入所述预设标准信号，且上位机的优先级高于键盘输入电路和显示模块。

本实施例中上位机为PC机，上位机和诊断单片机上均设有无线通信模块，上位机和诊断单片机上通过无线通信模块进行无线通信。

本实施例中提示模块为发光二极管。

本实施例中用于模拟交通灯的发光二极管分为四组，两两相对的布置，每组中包括三个发光二极管，分别为红色、黄色和绿色；在相对布置的两组中，颜色相同的两个发光二极管共用同一标准信号。

本实施例中控制模块为单片机（即实训单片机，用于运行学生编写的交通灯控制程序），单片机设有下载接口，用于下载控制程序。

实训单片机由电源电路的第二输入端供电。当需要进行单片机实验时，将第二输入单元外接5V电源相连即可。

由于该交通灯实训系统中，每个发光二极管的连接方式相同，因此下面将以单个发光二极管LED的诊断过程为例，来对本发明的交通灯实训系统进行说明。

单个发光二极管的诊断原理图如2所示，其中：

电源电路包括：

用于连接24V电源的第一输入端Vin1，为PLC供电；

用于连接5V电源的第二输入端Vin2，为实训单片机供电；

公共输出端Vcc，为发光二极管、信号采集模块、启动电路、键盘输入和显示模块供电；

连接在第一输入端Vin1与公共输出端Vcc之间的DC-DC电路，用于将24V电压降低至5V；

连接在第二输入端Vin2与公共输出端Vcc之间的过压保护二极管D1。

发光二极管LED的正极接电阻R1，负极与实训单片机的输入引脚连接，还与信号采集模块的限流电阻R2相连。

信号采集模块包括限流电阻R2和三极管T1，限流电阻R2的一端接电源电路的公共输出端Vcc，另一端与三极管T1的基极连接，三极管T1的集电极接公共输出端Vcc，三极管T1的发射极串联有偏置电阻R3，偏置电阻R3的另一端接地。

启动电路包括复位开关K，该复位开关K包括a端和b端，a端接地，b端连接有上拉电阻R4，上拉电阻R4的另一端接电源电路的公共输出端Vcc，b端还与实训单片机的输入引脚连接，其中b端与直接与引脚相连；b端通过限流电阻R5连接有三极管T2，三极管T2的基极与限流电阻R5连接，三极管T2的集电极接公共输出端Vcc，三极管T1的发射极串联有偏置电阻R6，偏置电阻R6的另一端接地。

应用过程中，首先接通电源使诊断单片机和实训单片机上电，诊断单片机和实训单片机开始运行，此时诊断单片机实时检测启动电路的输出（即启动信号），等待启动信号；实训单片机运行交通灯控制程序，使交通灯工作。当按下复位开关K后，实训单片机回到初始状态，重新开始运行控制程序，而诊断单片机接收到启动信号，开始诊断过程，从而实现实训单片机和诊断单片机的同步运行。

该交通灯实训系统可以有2种工作模式，分别为考核模式和实训模式：

实训模式下，运行周期、时间间隔和标准信号由学生通过键盘输入电路和显示模块设定；

考核模式下，运行周期、时间间隔和标准信号由老师通过上位机设定，且将读写设备处于锁定状态，且完成考核后，诊断单元采用无线传输技术，将最终诊断结果上传至上位机。

当进行单片机实验，且在考核模式下时，工作过程如下：

（1）初始化

老师通过上位机设定运行周期和时间间隔，并写入标准信号，学生通过下载接口将编写的控制程序写入实训单片机；

（2）将电源电路中的第二输入端Vin2外接5V电源，使系统上电；

（3）按下复位开关K，开始进行诊断，具体如下：

（3-1）实训单片机接收到启动电路的启动信号后，重新开始运行，控制发光二极管LED的工作，同时诊断单片机接收到启动信号，开始诊断过程；

（3-2）当到达设定的时间间隔后，诊断单片机将信号采集模块采集到的电压信号与标准信号进行比对诊断，

若电压信号与标准信号一致，则到达下一个时间间隔时继续进行比对，完成2个运行周期后停止诊断，诊断结果为正确，并点亮提示模块中的发光二极管；

若电压信号与预设标准信号不一致，则停止比对诊断，诊断结果为错误，并使提示模块中的发光二极管闪烁发光。

本实施例设定的运行周期为60s，时间间隔为0.5s，该发光二极管LED的标准信号为时序信号。

当进行单片机实验，且在实训模式下时，工作过程和进行和模式下相同，所不同的是初始化时，学生通过读写设备设定运行周期，时间间隔和标准信号。

当进行PLC实验时，其在考核模式和实训模式下的工作过程分别与进行单片机实验时，在考核模式和实训模式下的相同，所不同的是步骤（2）中电源电路中的第一输入端外接24V电源，使系统上电。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有结果诊断功能的交通灯实训系统，其特征在于，包括实训单元、诊断单元，以及为实训单元和诊断单元供电的电源电路；

实训单元包括：

发光二极管，用于模拟交通灯；

实训控制模块，控制所述发光二极管工作；

诊断单元包括：

信号采集模块，用于采集发光二极管工作电压并输出对应的电压信号；

诊断单片机，与实训控制模块同步运行，用于接收来自信号采集模块的电压信号，并在预设运行周期内，每隔一定的时间间隔，将所述的电压信号与预设的标准信号进行比对诊断，得到诊断结果，

提示模块，用于接受并输出来自诊断单片机的比对诊断结果；

所述的诊断单元还包括与诊断单片机相连的读写设备，用于在诊断单片机内设定所述时间间隔和所述运行周期，以及写入所述预设的标准信号；

所述交通灯实训系统还包括与所述诊断单片机无线通信的上位机，用于在诊断单片机内设定所述时间间隔和所述运行周期，以及写入所述预设的标准信号；

对于所述诊断单片机，所述上位机具有比读写设备更高的操作优先级。

2.如权利要求1所述的具有结果诊断功能的交通灯实训系统，其特征在于，所述诊断单片机进行比对诊断时：

(a)若电压信号与预设的标准信号一致，则下一个时间间隔继续进行比对诊断，完成至少2个运行周期后停止诊断，诊断结果为正确；

(b)若电压信号与预设的标准信号不一致，则停止比对诊断，诊断结果为错误。

3.如权利要求2所述的具有结果诊断功能的交通灯实训系统，其特征在于，所述电源电路包括：

用于连接24V电源的第一输入端；

用于连接5V电源的第二输入端；

公共输出端；

连接在第一输入端与公共输出端之间的DC-DC电路；

连接在第二输入端与公共输出端之间的过压保护二极管。

4.如权利要求3所述的具有结果诊断功能的交通灯实训系统，其特征在于，所述发光二极管分为四组，两两相对的布置，每组中包括三个发光二极管，分别为红色、黄色和绿色；在相对布置的两组中，颜色相同的两个发光二极管共用同一标准信号。

5.如权利要求4所述的具有结果诊断功能的交通灯实训系统，其特征在于，所述的运行周期为10～60s。

6.如权利要求5所述的具有结果诊断功能的交通灯实训系统，其特征在于，所述的时间间隔为0.3～1s。