十字路口带倒计时显示的交通信号灯电气控制系统设计终极版本7-22

届毕业设计（论文）
材料
院、部：电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：陈华容职称高级实验师专业：自动化
班级：
学号：
201年月
材料清单
1、任务书；
2、开题报告；
3、工作进度检查表；
4、指导教师审阅表；
5、评阅教师评阅表；
6、答辩资格审查表；
7、毕业设计答辩及最终成绩评定表；
8、设计说明书主体部分（含论文封面、摘要和关键词、目录、正文、结束
语、致谢、参考文献、附录等）
湖南工学院2015 届毕业设计（论文）课题任务书院：电气与信息工程学院专业：自动化
指导教师陈华容学生姓名
课题名称十字路口带倒计时显示的交通信号灯电气控制系统设计
内容及任务
基于PLC设计一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口交通灯控制系统，该系统有左转、直行、右转三个方面红，绿，黄3色信号灯指示，并用二位数码管倒计时显示其相应灯亮的时间。

同时还要设计人行横道指示灯的运行。

主干道为东西方向，支干道为南北方向。

主干道每次放行90秒，支干道每次放行40秒。

设计任务
1、基于PLC设计该交通灯电气控制系统硬件电路，包括电路电器元器件的选择、PLC选型；用计算机绘制电路图。

2、根据控制要求设计该交通灯系统PLC控制程序(梯形图)，调试程序，并要有程序运行仿真测试记录。

3、编写设计说明书。

拟达到的要求或技术指标
控制要求：
1、主干道放行时：主干道右转始终保持放行，即主干道右转绿灯始终亮；主干道直行放行42秒，直行黄灯亮3秒后，再主干道左转放行42秒，主干道左转黄灯亮3秒后，放行支干道。

每次放行绿灯亮最后3秒每秒闪烁1次再黄灯亮3秒作为过渡。

主干道直行黄灯亮3秒后，主干道放行时，支干道的直行和左转的红灯始终保持亮支干道右转绿灯始终亮。

支干道放行时：支干道右转绿灯绐终保持亮，即此时支干道右转保持放行；支干道先直行放行17秒，支干道直行黄灯亮3秒后，支干道左转再放行放行17秒；同样每次放行绿灯亮最后3秒每秒闪烁1次再黄灯亮3秒作为过渡。

支干道放行时，主干道的直行和左转的红灯始终保持亮，主干道右转绿灯始终亮。

2、当主干道直行为红灯时，主干道上的人行横道线的绿灯亮，反之主干道上的人行横道线的红灯亮。

同样当支干道直行为红灯时，支干道上的人行横道线的绿灯亮，反之支干道上的人行横道线的红灯亮。

3、能实现放行状态的倒计时显示功能。

4、能实现特殊状态的功能显示：进入特殊状态时，东西、南北路口均显示红灯状态。

进度安排
起止日期工作内容备注2015/1/4～2015/3/1资料搜集
2015/3/2～2015/3/20毕业实习、设计调研
2015/3/21～2015/3/30总体方案确定，撰写开题报告
2015/3/31～2015/4/25系统设计
2015/4/26～2015/4/30系统调试
2015/5/1～2015/5/18撰写设计说明书
2015/5/19～2015/6/6总结、准备设计答辩
2015/6/7～2015/6/11毕业设计答辩
主要参考资料[1] 史国生，鞠勇。

电气控制与可编程控制器技术实训教程［Ｍ］。

北京：化学工业
出版社，2010.
[2] 张培志。

电气控制与可编程控制器［Ｍ］。

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电类专业毕业设计指导［Ｍ］。

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[10]刘祖润、胡俊达。

毕业设计指导（电气类专业适用）［Ｍ］。

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[11]胡学林。

可编程序控制器教程（基础篇）［Ｍ］。

电子工业出版社，2003。

[12]张桂香。

电气控制与PLC应用［Ｍ］。

化学工业出版社，2003。

教研室
意见
年月日系主管领导
意见
年月日
届毕业设计（论文）说明书
十字路口带倒计时显示的交通信号灯电气
控制系统设计
院、部：电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：陈华容职称高级实验师
专业：自动化
班级：
完成时间：
摘要
基于可编程控制器（简称PLC）设计一个十字路口带倒计时显示的交通灯电气控制系统，系统设计分为硬件部分设计和软件部分设计。

硬件部分设计首先对PLC、交通信号灯、LED数码显示器、熔断器等元器件进行选型，确定其参数。

根据所选元器件参数计算出PLC各输出点电流值，因PLC各输出点电流不大于0.5A，故可用PLC直接控制交通灯电路。

电路中采用了熔断器进行短路保护控制。

软件设计部分，根据任务书要求分模块用步进指令进行设计，其中软件程序设计总共分为三大模块，主干道模块、支干道模块、人行横道模块。

其中主干道模块和支干道模块分别又分为四个小模块，主干道左转、右转、直行交通信号灯显示控制，倒计时数码显示器显示控制；支干道左转、右转、直行交通信号灯显示控制，倒计时数码显示器显示控制。

人行横道模块又分为主干道上的人行横道红、绿灯显示控制，支干道上的人行横道红、绿灯显示控制两个小模块。

程序设计结束后采用GX Developer进行仿真测试，达到控制要求。

该系统程序设计因采用模块化设计，程序结构清晰，调试方便。

关键词：交通信号灯；步进指令；可编程控制器
ABSTRACT
Based on programmable logic controller (PLC) to design a crossroad traffic light electric control system, with the countdown display system design is divided into hardware parts design and software design. Hardware design of PLC first, traffic lights, LED digital display, fuse, such as selection of components, determine its parameters. According to the selected component parameter to calculate the PLC output point of current value, for each PLC output current is not more than 0.5 A, so the available PLC control traffic light circuit directly. For short circuit protection control circuit USES the fuse. Software design part, according to the requirements specification points module use step by step instructions for design, software program design is divided into a total of three main modules, the main module, a pedestrian crossing module module, a road. Main modules and the artery of which is divided into four small module, turn left, turn right and go straight to main traffic lights display control, the countdown digital tube display control; The road turn left, turn right and go straight traffic lights display control, the countdown digital tube display control. Pedestrian crossing module is divided into the main street of the pedestrian crossing the red and green light display control, pedestrian crossing on the road of red, green light shows two small module control. After the program design adopts the GX Developer simulation test, to meet the control requirements. The system program design by using modular design, the program structure is clear, convenient debugging.
Keyword: Traffic lights; Step by step instructions;Programmable logic controller
目录
1 概述 (2)
1.1 课题设计的意义 (2)
1.2 课题设计方案 (3)
2 系统硬件设计 (4)
2.1 系统设计要求 (4)
2.2 PLC的介绍及选型 (5)
2.3 其他器件的选型 (6)
2.4 输入/输出信号分配 (8)
2.5 控制电路设计 (9)
3 系统软件设计 (10)
3.1 信号灯动作时序图 (10)
3.2 程序设计流程图 (11)
3.3 系统梯形图程序 (13)
3.3.1初始化模块 (13)
3.3.2主干道（东西向）模块 (14)
3.3.3支干道（南北向）模块 (23)
3.3.4人行横道分支模块 (32)
3.3.5紧急情况模块 (35)
4 系统仿真及结果分析 (36)
4.1 仿真软件简介 (36)
4.2 程序仿真 (36)
4.3 仿真结果分析 (39)
结束语 (41)
致谢 (42)
参考文献 (43)
附录A 交通信号灯控制电路图 (46)
附录B 系统总梯形图 (47)
1 概述
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

本次毕业设计是基于可编程控制器设计一个主干道与支干道交汇的十字路口交通灯电气控制系统，主要是实现对交通信号灯及每种状态的倒计时显示的控制。

1.1 课题设计的意义
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，交通问题成为制约我国社会经济发展的一个大问题，我国人口众多，现在大多数城市都经常会出现交通拥堵现象，人、车、路三者关系的协调，已经成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

随着社会的发展，一个城市的交通是否便捷是衡量城市是否具有发展潜力的重要指标。

目前我国大、中、小城市都出现了交通拥堵的现象，特别是大城市，随着城市机动车量的不断增加，如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况。

因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效的改善了交通状况。

然而，随着城市机动车辆数量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用，而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。

所以，如何采用合适的控制方法，最大限度的利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题，可见改善城市交通灯控制系统是多么的重要。

为使交通得到有效管制，人们发明了交通信号灯，用于疏导交通、提高道路通行能力，以及减少在路口因信号不明而发生的交通事故。

解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。

实现了交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。

现在人类社会城市化的速度进一步加快，交通问题成了很多大城市的进一步发展的局限之一，也是人们主要关心的问题之一。

同时也反映了一个国家的经济水平、科技应用水平和工程设计水平。

所以一个性能良好的交通灯控制系统不仅能够改善人们的生活，还能够从侧面反映出一个国家的真正实力。

所以，设计一款这样的交通灯系统具有一定的实际工程意义。

1.2 课题设计方案
十字路口带倒计时显示的交通灯控制系统是基于可编程控制器（programmable logic controller 简称PLC）设计的电气控制系统。

系统要求主干道每次放行90秒，支干道每次放行40秒。

设计以时间顺序控制红、绿、黄信号灯的显示，因系统在每个确定的时间点有可知固定的输出，故采用步进指令编程，这样程序设计条理清楚，易于理解。

该系统设计分为硬件部分设计和软件部分设计。

硬件部分设计首先对PLC、交通信号灯、LED数码显示器、熔断器等元器件进行选型，确定其参数。

根据所选元器件参数计算出电路电流值是否小于等于0.5A判断出可编程控制器是否可以直接控制交通信号灯及LED数码显示器，由此来设计可编程控制器PLC的控制电路。

电路中还采用熔断器对电路进行短路保护控制。

软件设计部分，根据任务书要求分模块用步进指令进行设计，其中软件程序设计总共分为三大模块，主干道模块、支干道模块、人行横道模块。

其中主干道模块和支干道模块分别又分为四个小模块，主干道左转、右转、直行交通信号灯显示控制，倒计时数码显示器显示控制；支干道左转、右转、直行交通信号灯显示控制，倒计时数码显示器显示控制。

人行横道模块又分为主干道上的人行横道红、绿灯显示控制，支干道上的人行横道红、绿灯显示控制两个小模块。

程序设计结束后采用GX Developer进行仿真测试，达到控制要求。

2 系统硬件设计
系统的硬件设计首先对PLC、交通信号灯、LED数码显示器、熔断器、变压
器等元器件进行选型，确定其参数。

然后设计控制电路，画出PLC的外部接线图。

2.1 系统设计要求
本次设计基于PLC设计一个主干道与支干道交汇的十字交叉路口交通灯控
制系统。

主干道与支干道都有左转、直行、右转三个方面红，绿，黄3色信号灯
指示，并用二位数码显示器倒计时显示其相应灯亮的时间。

同时还要设计人行横
道指示灯的运行。

主干道为东西方向，支干道为南北方向。

主干道每次放行90
秒，支干道每次放行40秒。

图1交通现场示意图
十字路口交通信号灯现场示意图如图1所示，南北和东西每个方向都有左转、直行、右转三个方面的红，绿，黄3色信号灯指示，及人行横道信号灯，为确保交通安全，要求如下：
1、主干道放行时：主干道、支干道右转始终保持放行，即主干道、支干道
右转绿灯始终亮；主干道直行放行42秒，直行黄灯亮3秒后，再主干道左转放
行42秒，主干道左转黄灯亮3秒后，放行支干道。

每次放行绿灯亮最后3秒每
秒闪烁1次再黄灯亮3秒作为过渡。

主干道左转黄灯亮3秒后，支干道放行。

主
干道放行时，支干道的直行和左转的红灯始终保持亮。

支干道放行时：主干道、支干道右转绿灯绐终保持亮，即此时主干道、支干道右转保持放行；支干道先直行放行17秒，支干道直行黄灯亮3秒后，支干道左转再放行放行17秒；同样每次放行绿灯亮最后3秒每秒闪烁1次再黄灯亮3秒作为过渡。

支干道放行时，主干道的直行和左转的红灯始终保持亮。

2、当主干道直行为红灯时，主干道上的人行横道线的绿灯亮，反之主干道上的人行横道线的红灯亮。

同样当支干道直行为红灯时，支干道上的人行横道线的绿灯亮，反之支干道上的人行横道线的红灯亮。

3、能实现放行状态的倒计时显示功能。

4、能实现特殊状态的功能显示：进入特殊状态时，东西、南北路口均显示红灯状态。

2.2 PLC的介绍及选型
1、PLC介绍
可编程控制器（Programmable Controller）原本被叫做PC，但是因为私人的计算机（Personal Computer）的英语简称也是PC，所以为了避免将两者混为一谈，从初始就被用来逻辑控制的可编程控制器就被改称为PLC(Programmable logic Controller）。

人们之所以认为可编程控制器有着计算机的基本特征，是因为其内部的结构、功效还有工作的原理都与计算机差之毫厘，其内部拥有的能够编制程序的存储器，可编程控制器不光能完成逻辑运算和顺序运算，还拥有定时、计数和算术运算的功能。

然而与一般的计算机的区别在于，“针对于工业环境而设计”是可编程控制器的独特之处，普通的个人计算机能在充满了粉末和灰尘的环境下正常工作吗？能在很强的电磁不断干扰的状况下，亦或是温度忽高忽低有剧烈变化的环境下安然无恙吗？并不能，然而可编程控制器可以，它就是为此而诞生的。

它的优点显而易见：
①可靠性高，抗干扰能力强；
②编程直观、简单、易学、易懂；
③采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；
④功能完善，接口功能强；
⑤安装简便，调试方便，维护工作量小。

2、PLC的选型
在对PLC进行选型时，主要依据系统所用到的I/O接口数量、PLC的负载类型特点及负载使用电源、工作频率等来进行PLC的型号选择。

首先对系统的I/O口数量进行统计，设计的十字路口带倒计时显示的交通信号灯电气控制系统需要1个启动按钮、1个停止按钮、1个紧急情况开关、18个
LED灯、4个数码显示器合计有3个输入50个输出，故所选的PLC至少需要53个I/O口。

该系统所接负载有交通信号灯、数码显示器、总开关，交通灯输出电压为AC 220V，额定电流为0.35A；数码显示器输出电压为DC 24V，额定电流为0.35A；数码显示器采用静态输出。

总开关额定电压为AC 220V。

PLC输出类型可分为继电器型、晶体管型、可控硅型三种，其中继电器型既可接交流也可接直流负载，负载工作频率较低。

根据上述系统的I/O端口数及所接负载的情况，决定选用继电器型输出的PLC。

又因系统输出端口远多于输入端口，从经济方面考虑决定选用输出扩展模块FX2N-16EYR和三菱FX2N-80MR基本单元PLC。

FX2N-80MR 基本单元PLC的参数为：输出、输入点数均为40个，最大负载方面电阻负载是2A/1点、8A/4点共享、8A/8点共享；感性负载为80V·A；灯负载为100W。

FX2N-16EYR型号的PLC输出扩展模块，其输出点为16点。

PLC基本单元和输出扩展模块的总I/O点数可以满足系统的需求，并且有一定的空余可作改进。

2.3 其他器件的选型
前面已经介绍了PLC的选择，下面介绍系统的其他主要器件的选择。

1、熔断器的选型
熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔断，从而断开电路的一种电器。

熔断器的选择主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。

设计中需要用到的熔断器有4种，分别为保护电路的熔断器；保护交通信号灯的熔断器；保护数码显示器的熔断器；保护人行横道信号灯的熔断器。

其中保护的是长期工作的交通信号灯，所以熔体额定电流应该按最大A/D 电流来选择，因为信号灯额定电流约为0.35A，由于共有14个交通信号灯所以选择RT14-10型号熔断器，额定电压为AC220V，熔断器额定电流10A，熔体额定电流为5A,足以满足要求。

保护数码显示器的熔断器选择FS-101型号熔断器，额定电压为DC24V，熔断器额定电流为1A，熔体电流为0.5A，数码显示器额定电流为0.3A，所以该熔断器足以满足要求。

保护电路的熔断器采用RT18-32X/3P 型号熔断器，额定电压为AC220V，熔断器额定电流为32A，熔体电流为16A，电路为总电流15A，所以该熔断器足以满足要求。

人行横道信号灯的额定电流为0.35A，由于共有4个信号灯，所以选择RT14-3信号熔断器，额定电压为AC220V，熔断器额定电流3A，熔体额定电流为1.5A，足以满足要求。

2、交通信号灯的选型
交通信号灯的选型主要根据系统设计要求和实际应用的需要，同时考虑到系统的实用性。

设计中选用JXK300-44-RYG-3B型号的红黄绿圆形交通灯及
JXR300-18-RG-2B型号的静态人行红绿灯。

作为最新开发的交通灯系列产品之一
Auosun-JXK系列交通灯，它成功的避开了笨重、效率低的传统变压器，工作电压为AC220V，工作电流为0.35V。

由于交通信号灯的电流小于0.5A，故可以直接接入电路。

同时其可视度为500米满足实际交通道路使用的基本要求并且经济实惠。

不仅如此，该系列的信号灯抗干扰能力强而且质量可靠。

采用美国进口的芯片及先进的生产工艺，发光管的亮度高、寿命长,。

3、数码显示器的选型
根据系统设计要求和实际应用的需要，同时考虑到系统的实用性来选择数码显示器。

DJS600-3-ZGSM-1型号数码显示器是倒计时显示器。

数码显示器样式美观大方，路口视觉效果显著，产品免费质保3年。

采用超高亮LED，色度均匀统一，排列整齐，特殊设计散射单元，能使光线达到特别均匀的最佳效果；倒计时采用超高亮发光二极管，可视距离200米以上，寿命10年以上；外壳采用钣金结构，工艺精细、外表美观，重量轻，不生锈，防尘，防水，使用寿命超过10年，充分满足交通使用要求且经济实惠。

通过电流的计算得出数码显示器电流小于0.5A，故设计中直接选用DJS600-3-ZGSM-1型号的数码显示器。

数码显示器额定电压为DC24V，额定电流为0.3A，由于工作电源为AC220V，所以需要通过变压整流后接入数码显示器。

4、总开关的选型
通过总开关的接通和断开控制整个电路的通电与断电。

该设计中采用的是HK1系列的闸刀开关。

该开关的额定电流为16A，2极，额定电压为AC220V。

5、变压器的选型
设计中所选用的数码显示器是直流数码显示器，额定电压为24V，需将220V 交流电通过变压器降压为24V后整流为直流电方可使用。

根据要求，选择圣英EEIO-C300VA型变压器。

该变压器输入电压为交流220V，输出电压为交流 24V。

最大输出电流为5A，额定功率为300W。

同时圣英EEIO-C300VA型变压器是针对防水变压器散热问题，特开发出全铝外壳防水变压器。

此变压器为防水变压器中散热效果最好的，特别适用于户外灯具及环境温度较高、工作条件较差的设备电源。

铝壳防水变压器内部为全环氧树脂灌制而成绝缘性能高，防水性能好，适用于户外LED产品，地埋灯，水底灯专用最佳配套电源。

若不需防水（不用环氧树脂灌封），也可直接装外壳。

防水防尘等级达到IP68级，满足实际使用要求。

所以选择圣英EEIO-C300VA型变压器。

6、元器件清单
元器件清单如表1。

表1 元器件清单
元器件名称数量型号
总开关 1 HK1-2P-16A
紧急情况开关 1 HK1-2P-1A
按钮 2 LA25-10
数码显示器 4 DJS600-3-ZGSM-1
PLC基本单元 1 FX2N-80MR
PLC输出扩展模块 1 FX2N-16EYR
交通信号灯14 JXK300-44-RYG-3B
人行信号灯 4 JXR300-18-RG-2B
熔断器 1 RT14-10
熔断器 2 RT18-32X/3P
熔断器 4 FS-101
熔断器 1 RT14-3
2.4 输入/输出信号分配
根据系统的需求分析，可以设计出系统所采用的控制器I/O口输入/输出信号分配如表2所示。

表2 输入/输出信号分配表
输入端口外接器件名称及功能输出端口外接器件名称及功能
X0 启动按钮SB1 Y1 东西向直行红灯HL1
X1 停止按钮SB2 Y2 东西向直行绿灯HL2
X3 特殊状态开关SQ1 Y3 东西向直行黄灯HL3
Y4 东西向右转绿灯HL4
Y5 东西向左转红灯HL5
Y6 东西向左转绿灯HL6
Y7 东西向左转黄灯HL7
Y11 南北向直行红灯HL81
Y12 南北向直行绿灯HL9
Y13 南北向直行黄灯HL10
Y14 南北向右转绿灯HL11
Y15 南北向左转红灯HL12
Y16 南北向左转绿灯HL13
Y17 南北向左转黄灯HL14
Y20～Y26 东西向个位数码显示器显示a～g
Y30～Y36 东西向十位数码显示器显示a～g
Y40～Y46 南北向个位数码显示器显示a～g
Y50～Y56 南北向十位数码显示器显示a～g
Y60 东西方向上人行横道红灯HL15
续表1 输入端口外接器件名称及功能输出端口外接器件名称及功能
Y61 东西方向上人行横道绿灯HL16
Y62 南北方向上人行横道红灯HL17
Y63 南北方向上人行横道绿灯HL18
2.5 控制电路设计
根据系统的控制要求，已经选择好系统的控制器为三菱公司的FX2N-80MR 型可编程控制器及FX2N-16EYR输出扩展模块。

选用的交通信号灯、LED数码显示器、熔断器、变压器等硬件型号及具体参数已在前面进行了介绍，下面根据其具体参数设计控制电路。

对于交通信号灯控制系统控制电路而言，其输入端主要接有开始按钮、停止按钮、紧急情况开关，通过分配不同的输入端口，将其相应元器件的一端通过导线连接至可编程控制器的输入端而另一端通过导线连接至其COM公共端，PLC工作电源为AC 220V。

对于输出端而言接有东西向直行红灯、东西向直行黄灯、东西向直行绿灯、东西向右转绿灯、东西向左转红灯、东西向左转黄灯、东西向左转绿灯、南北向直行红灯、南北向直行黄灯、南北向直行绿灯、南北向右转绿灯、南北向左转红灯、南北向左转黄灯、南北向左转绿灯、东西向人行道红灯、东西向人行道绿灯、南北向人行道红灯、南北向人行绿灯、四个一位共阳极数码显示器。

系统各方向的红、绿、黄三色信号灯，通过分配不同的PLC输出端口控制，将其相应元器件的一端通过导线接至可编程控制器的输出端而另一端通过导线连接至220V交流电源的火线L端，其PLC输出端相对应的公共端COM口连接至220V交流电源的零线N端。

对于FX2N-80MR型PLC基本单元而言，其COM口的分配与FX2N-16MR 型有所不同，FX2N-80MR其COM1-COM4每四个输出点共用一个输出公共端，而对于COM5-COM7公共端口，每八个输出点共用一个输出公共端。

对于一位共阳极数码显示器而言，其公共端接至24V直流电源正极、数码显示器的a～g段接24V 直流电源负极，数码显示器内部设计厂家已加限流电阻，故在本次设计中直接接入24V直流电源。

对于FX2N-16EYR型号的PLC输出扩展模块而言，每八个输出点共用一个输出公共端，本次设计将该扩展模块的公共端取名为COM8、COM9公共端口。

此外各电路中采用了熔断器进行短路保护控制。

综合上述设计，画出交通信号灯控制电路图。

具体交通信号灯控制电路图见附录A。