行人自助过街交通灯系统设计与实现

摘要
本设计是用STC89C52单片机控制的一个行人自助过街交通灯系统，实现机动车道由主机模块控制和人行横道由从机模块控制。

系统运行的各个时段的时间值通过主机的按键输入，然后通过JF24D-PA将主机设臵的时间值发送至从机，从而使主机和从机配合模拟显示交通灯系统；程序部分使用C语言编写，软件设计平台为Keil，经过仿真和电路组装调试，电路功能最终达到设计要求。

关键词单片机，交通灯，主机模块，从机模块，JF24D-PA
Design and Realization of
Pedestrian self-help crossing traffic light system
Abstract
This design is a Pedestrian self-help crossing traffic light system by the control of STC89C52 MCU, to achieve road vehicle controlled by the host module and the crosswalk controlled by the slave module. During each of the system operation time value through the key of host module input to, then through the JF24D - PA will sent the host module Settings time valule to the salve module ,so that the master and slave traffic light system with analog display. After simulation and circuit assembly debugging, the final circuit functions to meet the design requirements.
Keywords MCU,traffic light,host module,slave module,JF24D-PA
目录
1.引言 (1)
2.设计概述 (2)
2.1.功能实现 (2)
2.2 概要设计 (3)
2.2.1主机模块 (3)
2.2.2 从机模块 (3)
3.硬件电路实现 (4)
3.1 JF24D－PA简介 (4)
3.2 主机模块 (4)
3.2.1 主机模块用到的其它器件及作用 (5)
3.2.2 主机模块硬件电路 (6)
3.3 从机模块 (7)
3.3.1 从机模块用到的其它器件及作用 (7)
3.3.2 从机模块硬件电路 (8)
4.软件系统设计 (9)
4.1 主机模块中各程序功能及流程图 (9)
4.1.1 主程序main.c (9)
4.1.2 dat_treat.c (11)
4.1.3 key.c (12)
4.1.4 txd_rxd.c (13)
4.1.5 send_display.c (14)
4.1.6 eeprom.c (15)
4.2 从机系统中各程序功能及流程图 (15)
4.2.1 key.c (15)
4.2.2 txd_rxd.c (15)
5.调试 (16)
6.结论 (17)
致谢 (18)
参考文献 (19)
1.引言
当前,城市交通问题对城市产生愈来愈大的压力,交通是城市的命脉。

建设一流的城市交通系统是促进城市经济和社会持续发展的基础条件,是增强城市综合竞争力的重要因素,也是提高城市居民生活质量的切实保障。

在世界各国,无论是发达国家还是发展中国家,城市交通都是一个突出的问题,它关系到城市的经济发展、生态环境和生活质量。

解决好城市的交通问题,不仅可以增强城市的可持续发展能力,促进城市的经济发展,而且可以有效地改善城市及周边地区的生态环境,切实提高城市居民的生活质量。

随着汽车工业的发展,城市机动化趋势不可阻挡,加之城镇化的迅速发展,人口规模不断扩大,这些因素将必然引发大量交通需求。

城市人性化交通能否持续发展,是决定城市能否持续发展的关键之一,城市人性化交通的可持续发展具有紧迫性与重要性。

国外在城市交通方面的研究较早,投入也多,目前已基本建成了综合、高效的立体化城市交通体系。

对于城市的交通结构,要从社会整体利益出发,运用法律和经济的手段,使居民的交通出行能按照自己的要求,有多种交通方式可供选择。

我国从改革开放以来,尽管城市化水平有了很大提高,但是起步较晚,投入很少,对人性化交通的理解也很肤浅同时也暴露出了很多交通方面的问题和隐患,例如,城市内高等级道路增长很快,但由于车辆的增长远远高于道路里程的增长,从而造成交通拥挤、堵塞。

还有一个原因就是行人和机动车之间的冲突。

在现代交通系统中，步行交通系统无论是作为满足人们日常生活需要的一种独立的交通方式，还是作为其他各种交通方式相互连续的桥梁和补充，都是其他方式无法替代的辅助系统。

人类的活动还不能完全离开步行这种本能交通，在城市里上班、购物等活动中步行还占有相当大的比重。

在此背景下,城市交通的人性化研究就成为了一个必要且紧迫的问题。

城市交通要向人性化方向发展,在进行城市交通规划时,除了要考虑车辆的方便性,还要考虑行人的方便性。

随着道路交通堵塞问题的日趋严重，除了改善道路设施之外，对交通进行合理的管理和调度也是重中之重。

单行道、各种交通灯的诞生都成了有效的措施，已经在国外不少大城市成熟运用的手动按钮行人信号灯近几年也陆续现身于国内各大城市的街头。

行人自助式过街交通信号灯的最大的好处就是让行人过街更安全，其工作原理是：行人按下路人按钮后,行人过街请求信号就会被传递到信号控制机上。

之后,信号控制机在适当的时间内做出反应,行人信号灯就会转换为绿灯。

在没有行人过街请求的情况下,机动车均可以通行。

这种信号灯适合在车辆流量相对较大、行人过马路流量少的地段使用,其优点是大大提高行车道使用率。

本设计是用STC89C52单片机设计的一个交通灯控制系统，控制行人过街的
1
交通路况。

机动车道由主机系统控制，人行横道由从机系统控制。

2.设计概述
2.1.功能实现
本设计为黄闪自助过街系统，其完成的主要功能如图2-1所示
机动车灯色
机动车倒计时
人行灯色
人行倒计时
状态参数0-99秒可调
秒可调
机动车绿、绿闪、黄闪
行人按钮
（常开型，一
次有效）
第二步
常态
图2-1 黄闪自助过街系统功能
系统工作时主要经历了几个阶段，为了便于下文的描述，我们用数字编号来表示各个阶段，其定义如下：
第1阶段：当没有按下任何按钮时，机动车道处于黄灯闪烁状态，车辆可以通行；人行横道处于黑屏状态，行人禁止通行。

黄灯闪烁的频率可以通过按键来输入。

第2阶段：当“行人”按钮被按下时，机动车道经过了绿灯亮、绿灯闪、黄灯亮这几个状态，并且同时显示绿灯倒计时，绿灯的倒计时间值等于绿灯亮、绿灯闪、黄灯亮这三者的时间和；此时，人行横道则处于红灯亮的状态，并且显示红灯倒计时。

机动车可以通行，行人禁止通行。

其中绿灯亮、绿灯闪、黄灯亮的时间可以是0至99秒分别可调，用户可以通过按键输入。

第3阶段：机动车道经过了红灯亮、全红两个状态，机动车禁止通行，并且显示红灯倒计时，红灯的倒计时间值等于红灯亮的时间加上全红的时间。

人行横道则经过了绿灯亮、绿灯闪、全红三个状态，绿灯亮、绿灯闪时行人可以通行，全红时行人禁止通行，并且显示绿灯倒计时，绿灯的倒计时间值等于绿灯亮、绿灯闪、二者的时间和；全红时，倒计时显示屏处于黑屏状态。

其中绿灯亮、绿灯闪、全红的时间值同样是0至99秒分别可调，用户可以通过按键输入。

第4阶段：机动车道处于绿亮状态，机动车可以通行，倒计时显示屏处于黑屏状态；人行横道处于红亮状态，行人禁止通行，倒计时显示屏处于黑屏状态。

2
此时“行人”按钮无效。

机动车道绿亮、人行横道红亮的时间值相等，也是0至99秒，通过程序输入。

第5阶段：若按钮有动作，则进入第2阶段，若按钮无动作状态保持0至99分可调，然后转至第1阶段。

2.2 概要设计
为了便于描述，我们定义八个模式，其含义如表2-1所示
表2-1 模式含义
本设计主要分为两个模块，分别是主机模块和从机模块。

通过主机和从机不断的交互，发送信息和数据实现同步，来完成行人自助过街系统的设计。

2.2.1主机模块
主机模块用来模拟机动车道的各种状态，主要功能是没有按下任何键时，处于黄灯闪烁状态；按下“设臵”健时，显示目前各个模式的显示时间值，以便于用户调整。

按下“确认”按钮后，将刚刚调整好的各个模式的时间值写入主机的EEPROM中，并且通过无线数据发送器件发送至从机模块，从而保证了主机模块和从机模块显示的一致性。

按下“路人”按钮后，主机模块就开始按照按键设定的各个模式的时间来模拟显示机动车道的交通状况。

2.2.2 从机模块
从机模块用来模拟人行横道的各种状态，主要功能是当没有按下任何按键时，处于黑屏状态；当主机系统发送数据时，接收由主机系统传来的数据。

将主机系统设臵的各个模式的时间值，并写入从机的EEPROM中；按下主机模块按下“确定”按键时，从主机模块接收主机模块设臵的各个模式的时间值，当按下从机的“路人”按钮后，从机的就开始模拟显示人行横道的交通状况。

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3.硬件电路实现
本设计使用单片机STC89C52作为控制芯片，使用JF24D-PA完成无线数据和信息的发送和接收。

3.1 JF24D－PA简介
JF24D-PA是由安阳市新世纪电子研究所有限公司最新开发的一款2.4G远距离数传模块，模块内含可编程的MCU和JF24D芯片及功率放大，内含最基本的寄存器配制和测试程序,可以直接用来做串口数据收发。

也可以对模块程序进行修改开发。

体积小巧，功能完善，模块配带2.4G橡胶天线。

配3db天线在马路有效距离约600米;配5-7db天线有效距离约800-1000米左右。

JF24D-PA提供了简单易用的硬件接口功能，可以将模块用2.54mm脚距的排针焊在主板上,可方便的与232接口实现串口数据传输。

同时JF24D-PA也提供了简单易懂的傻瓜软件包下载及技术支持，客户不需要再为复杂的寄存器配制而浪费时间和精力,这样可以缩短2.4G产品的应用研发周期，降低开发难度，节约研发成本。

JF24D-PA是一款简单实用的功能模块,硬件预留8个基本功能引脚,在模块的AINI脚接一个按键开关到地即可以测试模块的收发性能。

RX和TX可以直接传输数据。

程序代码可以重新下载修改。

JF24D-PA的引脚如图3-1所示。

图3-1 JF24D-PA的引脚
3.2 主机模块
主机模块中通过各个按键来设臵各个阶段各个模式的时间值，设臵好以后，通过数据传送器件JF24D－PA，将主机模块的各个模式的时间值发送至从机模块，
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按下“行人”按钮时，和从机相互配合同步显示机动车道的信息。

3.2.1 主机模块用到的其它器件及作用
主机模块所用到的器件除了STC89C52和JF24D-PA以外，还有74HC595，三个LED（用来模拟交通灯的红、绿、黄灯的状态），七段数码管显示器（用来显示延时的时间）。

以下是各个器件的简单介绍以及在主机模块中的作用：（1）发光二级管：信号灯采用超高亮度发光二极管开发的道路交通灯。

LED 应用简单、可靠性高、成本低。

LED显示方式为共阳极动态显示方式。

在主机模块中，使用三个LED发光二级管来模拟显示机动车道上红、绿、黄灯的状态；
（2）共阳7段LED数码管：7段LED数码管是由发光二极管组成的显示字符段,一般为七段数码显示管(含小数点为八段)。

这些显示二极管的一端连接在一起,形成公共端,另外的端子a～g、dp则通过引脚与外部总线相连,通过对公共端与输入端施加一定的电压,点亮其中的一些发光二极管来构成需要的显示字符。

本电路中所有发光二极管的阳极连在一起。

在主机模块中用四个7段数码管两两分别用来显示机动车道的红灯倒计时和绿灯倒计时，用一个4位数七段数码管用来显示调整各个状态的显示时间值。

（3）按钮：用“设臵”、“确定”、“模式加”、“模式减”、“时间加”、“时间减”、“路人”五个按钮。

表3-1是按下各个按钮时的产生的动作。

表3-1 按键动作
（4）74HC595：74HC595为三态输出的8位移位寄存器。

其主要引脚功能为：Q0--Q7:并行输出口。

SH_CP:上升沿时，移位寄存器内容左移一位。

DS：串行数据口。

ST_CP:上升沿时，移位寄存器内容进入锁存器。

当MR为低电平时，移位寄存器清零，在其他操作时它必须为高电平。

OE:当MR=1,SH_CP=0,ST_CP=0时。

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OE=0,Q0－Q7输出；OE=1,Q0－Q7输出高阻态。

Q7':移位寄存器的移位溢出，即进位。

在主机系统中用四个74LS595级联，每一个74HC595的Q0-Q6输出口，连接至一个7段数码管的A至G接口；其中三个74HC595的Q7口连接三个LED灯。

这样用来将机动车道上的人红灯、绿灯、红灯倒计时、绿灯倒计时的显示值的编码传送至7段数码管和LED灯。

3.2.2 主机模块硬件电路
（1）按键部分的电路如图3-2所示
图3-2 主机模块按键部分电路图
（2）显示部分的电路如图3-3、3-4、3-5所示
图3-3 主机模块显示部分电路图（1）
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图3-4 主机模块显示部分电路图（2）
图3-5 主机模块显示部分电路图（3）
（3）STC89C52与JF24D-PA的连接如图3-6所示
图3-6 主机模块STC89C52与JF24D-PA的连接图
3.3 从机模块
从机模块中通过JF24D－PA接收从主机传送来的各个模式的时间值，按下“行人”按键后，和主机相互配合显示器件来模拟显示人行横道的信息。

3.3.1 从机模块用到的其它器件及作用
从机模块所用的其它器件与主机模用的器件与主机模块相比，有稍微的差别。

下面是从机模块里用到的主要器件。

用两个LED灯来显示人行横道上红、绿
灯的状态；四个7段数码管两两分别用来显示人行横道的红灯倒计时和绿灯倒计时；一个“路人”按钮。

当按下此按钮时，从机系统的显示器件就开始显示人行横道的红绿灯状态，并且与主机程序显示是同步的；74HC595：用四个74HC595级联，每一个74HC595的Q0-Q6连接至一个7段数码管的A至G接口；其中两个74HC595的Q7口连接LED灯。

这样用来将人行横道上的红灯、绿灯、红灯倒计时、绿灯倒计时的显示值的编码传送至7段数码管和LED灯。

3.3.2 从机模块硬件电路
（1）按键部分的电路如图3-7所示
图3.7 从机模块按键部分电路图
（2）显示部分的电路如图3-8、3-9所示
图3-8 从机模块显示部分电路图（1）
图3-9 从机模块显示部分电路图（2）
（3）从机模块中STC89C52与JF24D-PA的连接方法与主机相同
4.软件系统设计
本设计的程序部分用C语言编写，开发环境为Kei μVision。

主机模块中包含了6个C程序和两
个头文件，它们分别是main.c、
send_display.c、key.c、dat_treat.c、
txd_rxd.c、 eeprom.c、intrins.h和
reg52.h。

4.1.1 主程序main.c
主要功能：main函数用来读取各个
模式的最初时间值，定义及启动计时器
T0的初始化函数，并装入初值；启动串
口的装始化函数，定义T0的中断服务函
数，其中断函数主要功能是记录时间，
通过对各个模式的时间值进行计算，来
判断此时程序运行处于哪个阶段，并且
执行data_treat.c里面定义的各个阶段
显示数据的处理函数；启动key.c程序
里定义的按键调整函数。

main函数的流
程图如4-1所示，T0的中断服务函数的
流程图如图4-2所示。

图4-1 主机程序中main函数的流程图
图4-2 主机程序中T0的中断服务函数流程图
4.1.2 dat_treat.c
主要功能:定义了程序运行各个阶段所显示数据的编码的处理函数，算出各个阶段显示数据的编码，然后将这些编码赋值给ai、bi、ci、di、aj、bj、cj、dj这几个变量，并调用send_display.c中的定义的函数，将数据编码发送至74LS595，从而发送至数码管和LED灯。

另外还定义了调整显示函数，用来实现4位数码管的动态显示，以便于用户调整各个模式的时间值。

以下是data_treat.c中具体定义的各个函数及部分函数的流程图
dat_mod1_proces0()，用来计算第1阶段机动车道的黄闪状态时各个显示器件的数值编码。

此函数的大概流程是判断ccc的值，当ccc大于buf[0]（也就是模式0对应的数值）时设臵机动车道黄灯亮的编码；否则设臵机动车道黄灯灭的编码，然后将各个编码赋值给ai、bi、ci等几个变量，最后调用send_display_dat()。

dat_mod1_proces1()：用来计算第2阶段机动车道的绿灯亮、绿灯闪、黄灯亮时各个显示器件的数值编码。

其简要流程图如图4-3所示
图4-3 主机程序中dat_mod1_proces1()的流程图
dat_mod1_proces2()：用来计算第3阶段各个机动车道红灯亮、全红状态时显示器件的数值编码。

其简要流程图如图4-4所示
图4-4 主机程序中dat_mod1_proces2()的流程图
dat_mod1_proces3()：用来计算第4阶段机动车道绿亮时各个显示器件的数值编码。

这个函数流程较简单，将ai、bi等8 个变量直接赋值。

display_set()：调整显示函数，使4位数码管动态显示当前各个模式的时间值，便于用户调整。

数码管的第一位显示一个字母“C”，第二位显示模式编号，第三、四位显示当前模式对应的时间值。

4.1.3 key.c
主要功能:定义了一个按键调整函数key()，需要判断用户按下了哪个按钮，并且定义相应的操作。

比如按下“确认”键，需要调用txd_rxd.c程序里定义的函数向从机发送刚刚保存的各个模式的时间值，还要调用EEPROM.c程序里定义的写入函数，将刚保存的数据写入本机的EEPROM中。

另外，为了保持主机与从机的同步运行，当按下某些按钮时也要需要调用txd_rxd.c里定义的一些函数向从机发送一些非数值信息。

函数key()的简要流程图如图4-5所示
图4-5 主机程序中key()的流程图
4.1.4 txd_rxd.c
主要功能：定义了一些向从机发送数据或信息的函数，由key.c 程序中的
函数来调用。

另外还定义了串口初始化函数以及串口中断处理函数。

txd_rxd.c 中具体定义的各个函数的功能如下：
txd_dat():用来通过串行口向从机发送主机刚刚设臵好的各个模式的数值，其简要流程图如图4-6所示。

图4-6 主机程序中txd_dat()的流程图
txd_button_set()和txd_button_luren():这两个函数的主要功能是向从机发送按键信息，告诉从机主机已经按下了“设臵”、“路人”键，以保持主机和从机之间的同步。

串口初始化函数:设臵了串口的工作方式，波特率等内容。

串口中断处理函数:主要也是实现同步信息。

当从机向主机发送信息，告诉主机从机已经按下了“行人”按钮，从而使主机程序运行时显示倒计时的时间值等信息重新计算（即重新计算time_1、time_2、time_3和time_4的值）。

4.1.5 send_display.c
send_diaplay.c中主要定义了一个send_display_dat()函数，由于dat_treat.c中已经将各个阶段的显示数据编码保存到了ai、bi、ci、di这几个变量中，所以send_display_dat()函数的主要功能就是将这几个变量依次送入74LS595中。

因为STC89C52的P3.2、P3.3、P3.4接口分别连接到74LS595的SH_CP、ST_CP、DS引脚，根据74LS595的引脚功能，可以在程序中采用使P3.2、
P3.3臵0臵1的方法，使这4个变量逐个进入74LS595，并且发送至数码管和LED灯，使其显示出正确的数据。

下面简要的叙述一下数据送至锁存器和数码管的过程
首先分别将P3^2、P3^3和P3^4赋值给sbit类型的变量sh_cp1、st_cp1和ds_1。

接下来的过程分为几部分：
（1）将st_cp1臵0。

（2）将ai的最高位赋值给ds_1;sh_cp1臵0；ai左移一位；sh_cp1臵1。

按照这样的流程把第（2）步运行8次。

（3）用和第（2）步同样的方法分别对bi、ci和di进行同样的操作。

（4）st_cp1臵1。

4.1.6 eeprom.c
主要功能：定义了对EEROM进行操作的各类函数。

比如，对EEPROM进行读写操作的IapRead、IapWrite函数。

4.2 从机系统中各程序功能及流程图
从机系统中包含的C程序和头文件和主机系统中的完全一样，各个C程序之间的调用关系也完全一样。

从机系统中的main.c、 data_treat.c、 send_display.c、eeprom.c的主要功能和代码与主机程序中同名的程序的主要功能基本流程基本一样，只是其中的显示数据编码处理是针对于从机的（也就是人行横道的显示数据编码）。

4.2.1 key.c
key.c中定义了一个key()函数，主要功能与主机系统中的功能一样，只是从机中只有一个“路人”按钮，按下此按钮时，调用txd_rxd.c中定义的txd_button_luren()函数来向主机发送信息，告诉主机，从机已经按下了“路人”按键，并且重新计算time_1、time_2、time_3和time_4的值。

4.2.2 txd_rxd.c
txd_rxd.c中定义的函数及其作用如下：
txd_button_luren()：和主机程序中的同名函数的功能一样，也是用来发送同步信息，由key.c程序中的函数来调用。

串口初始化函数：和主机程序中的串口初始化函数一样。

串口中断处理函数：作用是从机每次接收从主机传来的数据或信息时，就判断是数据还是信息，如果是数据的话，就经过若干处理，找出各模式的数值，写入从机的EEPROM；如果是按键信息的话，就根据接收来的消息，保持从机的状
态与主机同步。

串口中断处理函数的流程图如图4-7所示
图4-7 从机程序中串口中断处理函数的流程图
5．调试
首先在纸上画好草图，确定好各个部件的位臵，然后再将万能实验板腐蚀、打孔，之后将部件焊接就组装成了用于调试的实物。

在焊接好实物后，还需要用万用表检测各个电路板上各个需要连接的器件是否导通，对于没有导通的电路，需要查找出现问题的原因，然后对电路进行修复，直至解决所有问题，才能进行系统的调试。

刚开始设计时，由于考虑不全面，只设臵了主机给从机发送各个模式的数值这个功能，所以运行时经常出现主机和从机显示不协调的情况。

经过仔细分细才
考虑到，需要双方互相发送按键信息，才能使两者同步显示。

设计运行效果如图5-1所示
图5-1 设计运行效果
6.结论
本系统以STC89C52单片机作为中心器件来计时；用主机模块的各个按键来设臵各个模式的时间值，设臵好之后写入主机的EEPROM并开始计算以用户输入的时间为准的各个阶段LED灯和7段LED数码管的显示编码，并通过74HC595把显示编码传送至显示器件；同时通过JF24D－PA将主机设臵好的各个模式的时间值发送至从机，从机接收到数据后进行的操作和主机类似，只是显示器件的编码是针对于人行道的。

主机和从机之间也需要通过JF24D-PA发送按键信息，以此来保证主机系统和从机系统运行的同步。

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致谢
本次毕业设计得以顺利完成，离不开白林峰老师的悉心指导。

白老师多次询问研究过程，并为我指导迷津，帮我开拓思路、精心点拨、热忱鼓励。

本设计从选题到完成，每一步都是在白老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。

白老师一丝不苟的作风，严瑾求实的态度，踏踏实实的精神，使我获益匪浅。

对白老师的感激之情是无法用言语表达的。

同时，这次设计也得到了不少同学和其他老师的热心帮助，他们对于我有疑惑的地方也很耐心的给我讲解，同时也不断给这个设计提出自己的看法。

这个设计能顺利的完成与他们默默的支持和帮助也是分不开的。

在此向所有为这个设计付出心血的人表示我的感激之情！正是由于你们的帮助，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本设计的顺利完成。

18
参考文献
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