交通信號(hào)燈電路板功能構(gòu)成?

燈組驅(qū)動(dòng)與顯示控制功能?

燈組驅(qū)動(dòng)功能主要是讓紅、黃、綠三種信號(hào)燈正常亮滅，保證按設(shè)定的順序工作。電路板通過功率驅(qū)動(dòng)電路連接每個(gè)燈組，每個(gè)燈的顏色都能單獨(dú)控制。驅(qū)動(dòng)電路支持高亮度 LED 光源的恒流驅(qū)動(dòng)，輸出電流能根據(jù) LED 的數(shù)量調(diào)整，一般在 100-500mA 之間，這樣能讓燈光亮度均勻，亮度差別不超過 10%，在晴天、雨天、霧天等各種環(huán)境下都能看得清楚。?

顯示控制功能是按照提前設(shè)定的交通信號(hào)順序控制燈組切換?；镜捻樞虬t燈亮 30-90 秒、黃燈亮 3-5 秒、綠燈亮 20-60 秒，然后循環(huán)。不同路口可以根據(jù)車流量設(shè)置不同的時(shí)間。電路設(shè)計(jì)有硬件和軟件兩重保護(hù)，硬件通過互鎖設(shè)計(jì)防止紅燈和綠燈同時(shí)亮，反應(yīng)時(shí)間不超過 1 毫秒；軟件也會(huì)做邏輯判斷，保證燈組切換符合交通規(guī)則，比如綠燈變紅燈前一定要先變黃燈。?

對于有多組燈的信號(hào)燈，比如有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)箭頭燈的，電路板能單獨(dú)控制每組燈，讓它們之間順暢切換，切換時(shí)間不超過 50 毫秒，滿足復(fù)雜路口疏導(dǎo)交通的需求。同時(shí)還有手動(dòng)控制接口，遇到特殊情況，比如緊急車輛通過時(shí)，可以通過外部信號(hào)強(qiáng)制改變信號(hào)燈狀態(tài)，比如變成全紅或全綠。?

 

時(shí)序控制與聯(lián)動(dòng)功能?

時(shí)序控制功能是通過內(nèi)部的定時(shí)器和程序控制信號(hào)燈自動(dòng)切換，主要參數(shù)有每個(gè)燈的亮燈時(shí)間、切換間隔、順序等，這些參數(shù)可以通過外部設(shè)備修改。有固定和自適應(yīng)兩種模式，固定模式適合車流量穩(wěn)定的路口，按設(shè)定好的參數(shù)循環(huán)；自適應(yīng)模式能接收外部的車流量、行人請求等數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整亮燈時(shí)間，比如某一方向車流量突然增多，就自動(dòng)延長綠燈時(shí)間，最長能到原來設(shè)定的 2 倍。?

聯(lián)動(dòng)功能能讓多個(gè)路口的信號(hào)燈一起工作，通過通信接口接收上級控制中心或附近路口的同步信號(hào)，保證路口間的信號(hào)燈順序協(xié)調(diào)，比如讓主干道的綠燈連續(xù)亮，減少車輛等待時(shí)間。聯(lián)動(dòng)時(shí)會(huì)用時(shí)間同步技術(shù)，讓各路口信號(hào)燈的時(shí)間差別不超過 10 毫秒，避免因?yàn)轫樞虿粚?dǎo)致交通混亂。?

行人請求聯(lián)動(dòng)功能會(huì)接收行人過街按鈕的信號(hào)，當(dāng)檢測到有人要過馬路時(shí)，在當(dāng)前信號(hào)燈順序結(jié)束后，專門給行人亮綠燈，時(shí)間一般 15-30 秒，同時(shí)點(diǎn)亮行人信號(hào)燈，保證行人安全。如果短時(shí)間內(nèi)多次按按鈕，只會(huì)響應(yīng)第一次，避免頻繁打斷正常的信號(hào)燈順序。?

 

狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷功能?

狀態(tài)監(jiān)測功能會(huì)實(shí)時(shí)收集信號(hào)燈和電路板的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括每個(gè)燈組的電流、電壓、溫度和總的運(yùn)行時(shí)間等，通過內(nèi)部的傳感器和采樣電路獲取這些數(shù)據(jù)。監(jiān)測燈組電流能判斷 LED 是否損壞，比如電流比額定值低 80% 以上，就說明可能壞了；監(jiān)測電壓能知道供電是否穩(wěn)定，正常工作電壓在 180-240V 之間，超過這個(gè)范圍 10% 就會(huì)報(bào)警；還會(huì)監(jiān)測功率器件的溫度，保證它們的工作溫度不超過 70℃。?

故障診斷功能通過分析監(jiān)測到的數(shù)據(jù)找出問題，常見的故障有燈組斷路、短路、順序錯(cuò)誤、通信中斷等。診斷系統(tǒng)能確定故障的具體位置，比如哪個(gè)燈組或哪個(gè)電路模塊出問題，還會(huì)用故障代碼記錄故障類型和時(shí)間，能存 100 條以上，方便后面維修。?

處理故障時(shí)會(huì)根據(jù)嚴(yán)重程度采取不同措施：小故障，比如個(gè)別 LED 損壞，會(huì)點(diǎn)亮備用 LED，并通過通信接口發(fā)送報(bào)警信息；嚴(yán)重故障，比如紅綠燈同時(shí)亮、供電中斷，會(huì)自動(dòng)切換到安全模式，比如黃燈閃爍或全亮紅燈，同時(shí)現(xiàn)場的蜂鳴器和故障指示燈會(huì)發(fā)出警報(bào)，并在 10 秒內(nèi)向上級控制中心發(fā)送緊急信息。?

 

通信與遠(yuǎn)程控制功能?

通信功能能讓電路板和外部系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，有有線和無線兩種方式，適合不同的安裝環(huán)境。有線通信適合固定路口，傳輸速度不低于 9600bps，最遠(yuǎn)能傳 1000 米；無線通信適合臨時(shí)路口或不好布線的地方，開闊環(huán)境下能傳 1 公里以上，數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間間隔可以設(shè)置，1-60 秒不等，還能切換到低功耗模式，待機(jī)時(shí)電流不超過 50mA。?

遠(yuǎn)程控制功能允許控制中心修改信號(hào)燈的參數(shù)和狀態(tài)，比如調(diào)整亮燈時(shí)間、強(qiáng)制切換燈的顏色、啟動(dòng)手動(dòng)模式等?？刂浦噶顣?huì)加密傳輸，防止被非法操作。還能通過通信接口更新電路板的程序，增加新功能或修復(fù)問題，更新時(shí)如果中斷，能接著上次的進(jìn)度繼續(xù)，避免設(shè)備無法使用。?

數(shù)據(jù)上報(bào)功能會(huì)定時(shí)向控制中心發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)，正常時(shí)每 5 分鐘發(fā)一次，出故障時(shí)馬上發(fā)，內(nèi)容包括當(dāng)前亮的燈色、剩余時(shí)間、故障代碼、運(yùn)行總時(shí)間等，給交通管理部門提供數(shù)據(jù)支持。?

 

電源管理與抗干擾功能?

電源管理功能能保證電路板在電網(wǎng)不穩(wěn)定的情況下正常工作，輸入電壓在 170-264V 之間都能適應(yīng)。電源轉(zhuǎn)換模塊會(huì)把交流電轉(zhuǎn)換成多種直流電壓，供不同的部件使用，比如 5V 給微控制器和通信模塊，12V 給驅(qū)動(dòng)電路，24V 給傳感器，轉(zhuǎn)換效率不低于 85%，電壓波動(dòng)不超過 100mV，保證各部件供電穩(wěn)定。?

有備用電源接口，能接蓄電池或 UPS，停電時(shí)會(huì)自動(dòng)切換到備用電源，切換時(shí)間不超過 50 毫秒，備用電源至少能讓信號(hào)燈工作 4 小時(shí)。電源管理電路還能管理充放電，接蓄電池時(shí)，會(huì)控制充電電流，防止過充，當(dāng)電壓超過 13.8V 就停止充電，同時(shí)監(jiān)測電池電量，低于 20% 就報(bào)警。?

抗干擾功能通過硬件和軟件減少電磁干擾和電網(wǎng)噪聲，電源輸入端有浪涌保護(hù)器和濾波器，能承受 2kV 的浪涌電壓，濾波器能抑制 10kHz-30MHz 的干擾；電路板采用隔離設(shè)計(jì)，信號(hào)和功率電路之間的電壓隔離不低于 2500V，減少相互干擾。軟件會(huì)用數(shù)字濾波的方法處理采集到的信號(hào)，去掉噪聲，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。?

 

交通信號(hào)燈電路板設(shè)計(jì)要點(diǎn)?

高可靠性設(shè)計(jì)?

交通信號(hào)燈電路板需要在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，溫度在 - 40℃到 70℃之間、濕度 95% 不結(jié)露、有振動(dòng)沖擊的情況下，要能工作 5 年以上。選元件時(shí)要考慮耐環(huán)境性能，LED 驅(qū)動(dòng)芯片用工業(yè)級的，能在 - 40℃到 85℃工作；電容用長壽命的，在 105℃下能工作 10000 小時(shí)以上；連接器要防水，防護(hù)等級達(dá)到 IP65，引腳鍍金，金層厚度不低于 1μm，增強(qiáng)抗腐蝕能力。?

電路設(shè)計(jì)有冗余，關(guān)鍵模塊有備份，主模塊壞了會(huì)自動(dòng)切換到備份模塊，切換時(shí)間不超過 100 毫秒，保證基本功能正常。燈組驅(qū)動(dòng)電路獨(dú)立設(shè)計(jì)，一路壞了不影響其他燈組，比如紅燈驅(qū)動(dòng)壞了，黃燈和綠燈還能正常切換。?

PCB 板設(shè)計(jì)要增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和散熱，用厚銅箔和 4 層以上的板子，提高電流承載和散熱能力；邊緣有固定孔，用防震支架安裝，減少振動(dòng)對焊點(diǎn)的影響；表面涂三防漆，厚度 50-80μm，能防潮、防鹽霧、防霉菌，適應(yīng)戶外環(huán)境。?

 

電磁兼容設(shè)計(jì)?

電路板要能在復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常工作，不干擾其他設(shè)備，也不受其他設(shè)備干擾，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?？刂苽鲗?dǎo)發(fā)射要優(yōu)化電源回路和布線，電源輸入端的 EMI 濾波器能抑制干擾，在 150kHz-30MHz 范圍內(nèi)，插入損耗不低于 40dB；功率回路的線要短而粗，減少回路面積，控制在 50cm² 以內(nèi)，降低輻射。?

控制輻射發(fā)射要注意高頻信號(hào)，時(shí)鐘頻率低于 100MHz，減少高頻諧波；通信線用屏蔽線，屏蔽層一端接地，減少傳輸時(shí)的輻射；敏感電路周圍設(shè)接地屏蔽環(huán)，隔離外部干擾。?

提高抗擾度，讓電路板能抵御外部干擾，靜電放電接觸放電能承受 ±6kV，空氣放電能承受 ±15kV；電快速瞬變脈沖群在電源端口能承受 2kV，信號(hào)端口能承受 1kV；浪涌在電源端口線 - 線能承受 2kV，線 - 地能承受 4kV，保證雷擊或電網(wǎng)浪涌時(shí)不會(huì)損壞。?

 

低功耗與節(jié)能設(shè)計(jì)?

低功耗設(shè)計(jì)能降低能耗，適合太陽能供電的信號(hào)燈。主控制器用低功耗的微處理器，正常工作時(shí)電流不超過 10mA，休眠時(shí)不超過 1mA，能根據(jù)工作情況調(diào)整頻率，空閑時(shí)降到 8MHz，工作時(shí)升到 48MHz，減少能耗；LED 驅(qū)動(dòng)電路用恒流芯片，轉(zhuǎn)換效率不低于 90%，比線性穩(wěn)壓器更省電。?

智能節(jié)能會(huì)根據(jù)環(huán)境亮度調(diào) LED 亮度，白天光線強(qiáng)，亮度 100%；晚上光線弱，亮度 50%，既能看清又能節(jié)能，晚上能省 50% 以上的電。調(diào)光用 PWM 技術(shù)，至少有 10 級可調(diào)，不會(huì)閃爍。?

待機(jī)時(shí)功耗控制在 1W 以內(nèi)，長時(shí)間沒車流量時(shí)，比如深夜，會(huì)進(jìn)入間歇模式，延長亮燈時(shí)間，比如紅燈延長到 60 秒，減少切換次數(shù)，降低能耗，同時(shí)保持基本的警示功能。?

 

模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)?

模塊化設(shè)計(jì)把電路板分成電源、驅(qū)動(dòng)、控制、通信等獨(dú)立模塊，模塊間用標(biāo)準(zhǔn)接口連接，方便生產(chǎn)、調(diào)試和維修。模塊用統(tǒng)一的供電接口和通信協(xié)議，一個(gè)模塊壞了可以單獨(dú)換，降低維修成本。?

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)遵循交通設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，接口類型、電氣參數(shù)、通信協(xié)議等符合行業(yè)規(guī)范，不同廠家的電路板能互換。比如燈組接口用標(biāo)準(zhǔn)端子，間距 5.08mm；通信接口用 RS485 標(biāo)準(zhǔn)，速率 9600bps，無奇偶校驗(yàn)，方便系統(tǒng)集成和升級。?

模塊化設(shè)計(jì)還支持?jǐn)U展功能，預(yù)留傳感器和擴(kuò)展槽接口，能根據(jù)需要加功能模塊，適應(yīng)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展。?

 

安全性設(shè)計(jì)?

安全性設(shè)計(jì)要保證信號(hào)燈控制符合交通規(guī)則，避免因電路故障導(dǎo)致信號(hào)沖突，比如紅燈和綠燈同時(shí)亮。硬件上用互鎖電路，紅、黃、綠燈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過邏輯門互鎖，任何時(shí)候最多只有一組燈亮，反應(yīng)時(shí)間不超過 1 毫秒；軟件上多次校驗(yàn)，切換燈色前檢查目標(biāo)狀態(tài)是否合法，不合法就切換到黃燈閃爍。?

防誤操作設(shè)計(jì)限制手動(dòng)控制權(quán)限，手動(dòng)控制要輸密碼或用物理鑰匙，操作記錄自動(dòng)保存，包括時(shí)間、人員、內(nèi)容，方便追溯。遠(yuǎn)程控制指令要加密和校驗(yàn)，防止惡意攻擊或誤操作導(dǎo)致信號(hào)異常。?

電氣安全設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)，電路板和外殼之間的絕緣電阻不低于 100MΩ，接地電阻不超過 4Ω，有過流、過壓、短路保護(hù)，保證安裝和維修人員的安全。?

 

交通信號(hào)燈電路板組成元件?

控制與邏輯元件?

控制與邏輯元件是電路板的核心，有主控制器、定時(shí)器、邏輯電路等。主控制器用工業(yè)級微處理器，有足夠的 I/O 接口、定時(shí)器、通信接口，工作頻率不低于 48MHz，程序存儲(chǔ)容量不低于 256KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量不低于 32KB，負(fù)責(zé)控制時(shí)序、診斷故障、通信等，支持在線編程和升級。?

定時(shí)器提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，計(jì)時(shí)精度誤差不超過 0.1%，能多通道獨(dú)立計(jì)時(shí)，滿足多相位控制需求。邏輯電路由門電路和觸發(fā)器組成，實(shí)現(xiàn)燈組互鎖、狀態(tài)切換等，主控制器故障時(shí)還能維持基本的燈色切換。?

實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片提供日歷和時(shí)間，記錄故障時(shí)間和運(yùn)行數(shù)據(jù)，斷電后靠電池供電，能維持時(shí)間運(yùn)行 7 天以上，時(shí)間精度誤差不超過 ±5ppm，每年誤差不超過 2 分鐘。?

 

驅(qū)動(dòng)與功率元件?

驅(qū)動(dòng)與功率元件把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成燈組的驅(qū)動(dòng)電流，有 LED 驅(qū)動(dòng)芯片、功率開關(guān)、保護(hù)電路等。LED 驅(qū)動(dòng)芯片支持 100-500mA 的恒流輸出，能調(diào)電流，有過流、過溫保護(hù)，轉(zhuǎn)換效率不低于 90%，能驅(qū)動(dòng)多顆串聯(lián)或并聯(lián)的 LED，通過 PWM 信號(hào)調(diào)光，調(diào)光范圍 0-100%。?

功率開關(guān)用繼電器或 MOSFET，繼電器適合高壓交流燈組，能切換 10 萬次以上；MOSFET 適合低壓直流 LED 燈組，導(dǎo)通電阻不超過 10mΩ，開關(guān)速度不超過 100ns，都能隔離，防止燈組高壓影響控制電路。?

驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路有保險(xiǎn)絲、TVS 二極管、限流電阻，燈組短路時(shí)能快速切斷電路，保護(hù)驅(qū)動(dòng)芯片。保險(xiǎn)絲用快熔型的，額定電流是燈組電流的 1.5 倍。?

 

電源與轉(zhuǎn)換元件?

電源與轉(zhuǎn)換元件把市電轉(zhuǎn)換成電路板需要的直流電壓，有電源適配器、整流橋、濾波器、穩(wěn)壓器等。電源適配器輸入 AC 220V，輸出多種直流電壓，總功率不低于 20W，效率不低于 85%，有過流、過壓、短路保護(hù)。?

整流橋把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，額定電流不低于 1A，反向耐壓不低于 400V；濾波器由電感和電容組成，濾除整流后的波動(dòng)，讓直流輸出平穩(wěn)，波動(dòng)電壓不超過 50mV；穩(wěn)壓器用線性或開關(guān)型的，線性的用于低噪聲電路，輸出噪聲不超過 10μVrms；開關(guān)型的用于大電流電路，效率不低于 90%。?

備用電源接口能接蓄電池，一般是 12V/7Ah 的，有充放電管理芯片，能恒流恒壓充電，充電電壓 13.8V，電流 0.5-1A，過充保護(hù)電壓 14.4V，過放保護(hù)電壓 10.5V。?

 

監(jiān)測與傳感元件?

監(jiān)測與傳感元件采集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，有電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、光敏傳感器等。電流傳感器串聯(lián)在燈組回路，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，1V 對應(yīng) 1A，測量范圍 0-1A，精度誤差不超過 2%，監(jiān)測燈組電流。?

電壓傳感器通過電阻分壓監(jiān)測輸入和燈組電壓，測量范圍 AC 0-300V 或 DC 0-30V，精度誤差不超過 1%，幫助診斷電源故障。溫度傳感器用 NTC 熱敏電阻，貼在功率器件表面，測量范圍 - 40-125℃，精度誤差不超過 1℃，用于過溫保護(hù)。?

光敏傳感器檢測環(huán)境光強(qiáng)度，范圍 0-100000lux，輸出 0-3.3V 的模擬信號(hào)，用于自動(dòng)調(diào)節(jié) LED 亮度，白天亮、夜間暗，響應(yīng)時(shí)間不超過 100ms。?

 

通信與接口元件?

通信與接口元件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和外部控制，有通信芯片、接口連接器、保護(hù)元件等。通信芯片支持 RS485、以太網(wǎng)或無線通信，RS485 芯片能差分傳輸，通信距離不低于 1000 米，數(shù)據(jù)速率 9600-115200bps 可調(diào)，支持多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)；以太網(wǎng)芯片支持 TCP/IP 協(xié)議，接入有線網(wǎng)絡(luò)，速率 10/100Mbps；無線通信芯片用于無線傳輸，距離 1-10 公里，工作頻段符合國家無線通信標(biāo)準(zhǔn)。?

接口連接器有電源接口、燈組接口、控制接口等，電源接口用 AC 插座，防護(hù)等級 IP65；燈組接口用端子排，間距 5.08mm，能接多組 LED 燈；控制接口用于連接外部控制設(shè)備，如行人按鈕、交通信號(hào)機(jī)，有防反插設(shè)計(jì)，保證連接正確。