LED交通信号灯设计方案

LED交通信号灯设计方案
摘要：随着经济的不断发展，城市化的进程越来越快，使人流量和车流量也相应地增加，为了保证道路的安全、有序、畅通，需要在繁忙的路口安装交通信号灯来指挥交通，交通信号灯的需求量也随之增多。

传统的信号灯是用灯泡作为光源，已不适应合今环保的概念。

文章介绍一种用恒流芯片xlt601控制的led交通信号灯，可以代替以灯泡作为光源的信号灯，更节能、寿命更长。

关键词：led；交通信号灯；xlt601
传统的交通信号灯都是使用白炽灯或卤钨灯作为光源，通过不同颜色和透光形状的透镜来形成红黄绿颜色的全屏、箭头和人行等图案，虽然有发光稳定、均匀，结构简单的优点，但是存在能耗高、寿命短的缺陷，与倡导绿色环保的今天形成了巨大的矛盾。

随着led行业的不断发展，现在的led技术也越来越成熟，凭着其高亮度、高可靠性、低功耗、长寿命等特点，已经广泛应用到很多产品中，得到良好的效果。

在倡导节约能源的今天，用led来代替灯泡作为光源的信号灯势在必行。

本文以φ300mm红色机动车信号灯为例，介绍一种以led作为光源的交通信号灯系统设计方案。

一、系统设计
（一）光源的介绍
市面上led的种类多样，交通信号灯产品主要采用φ5mm超高亮度led作为光源。

本系统的红色led发光角度为15°，在电流为20ma的情况下亮度大于5cd，寿命可达10w小时，而普通白炽灯的
寿命一般小于2000h。

led被完全封装在环氧树脂里面，不易损坏，便于运输，发热量也不大，只需要设计电路板的时候，在管脚附近合理地增加多些铜箔就可以解决散热的问题。

所以相对于白炽灯，有更大的优势，更具发展潜力。

国标规定机动车信号灯在基准轴线上的发光强度要大于400cd，用led作光源时其光强不能超过1000cd。

我们可以将160只led灯均匀合理地组合在一起，即可形成机动灯的圆形图案。

经仪器测试，在单管电流为17ma的时候，光强可以符合国标的要求，而且看上去亮度也非常均匀。

（二）驱动方式
led的亮度是由电流来决定的，所以采用恒流驱动的方式效果较好，可以避免出现闪烁的现象和过电流会导致led光强下降和损坏。

led的驱动方式主要有两种：一、电源直接恒流恒压供电，led采用串并联方式的结构，这种方式成本低但灵活性差。

二、利用驱动芯片恒流控制led工作，这种方式成本略高但组合灵活，还可以方便地实现调光控制。

xlt601是用于led恒流驱动的控制芯片，内部有16位恒流驱动电路，能同时驱动16路led，每路的最大驱动输出电流为120ma，对地总电流最大可以达到1920ma，输出电流通过外部电阻来调节，最大功率可以达到2.87w。

xlt601有4个数据端，通过单片机对其发送数据，可以实现对恒流驱动输出的控制。

本系统选用stc系列的12c2052单片机作为控制芯片。

如果每路只驱动一只led，160只led就需要用到10个xlt601来驱动。

根据led和xlt601的参数，可以采用led串并联方式进行驱动，将2只led串连起来，然后每路驱动2串，这样每路驱动4只led，每个xlt601可以控制64只led，这就仅需用到3个驱动芯片，大大节省了成本和功耗。

xlt601外部限流电阻可以通过公式计算：13÷r_ext×13.1=i。

上面已提到，单管电流为17ma时可以符合国标的要求，经计算得r_ext可用510ω。

（三）电源的设计
红色led的正向电压值vf为1.8v~2.4v，2只串联在一起最大需4.8v就能完全导通。

而xlt601和单片机都需要5v直流电。

所以本系统需要有5v直流电源。

开关电源可以满足要求，但其成本高，结构复杂，不方便维护。

而本系统的功率不大，设计一个简单的变压器电源电路就可满足要求。

由于交通信号灯可能会安装在比较空旷的地方，而且本系统有低压控制电路，所以需要选用带隔离的变压器，防止受到雷击导致低压部分损坏。

国标要求电压变化范围交流220v±15%情况下，信号灯的发光强度都应在要求的范围内，而且功率因素要求达到85%以上。

所以变压器的选择非常重要，这里我们可以选用一款工作电压为180v-260v ac，15w，功率因素>0.9，输出9v ac的变压器。

经过整流后，用lm2576集成稳压电路输出5v dc。

具体的电路如图1所示：
图 1电路原理图
另外，黄色led的vf值与红管的一样，其设计电路可以和红色的一样，但绿管的vf值一般为3v-3.4v，其电路与红管的不同，但原理也一样，在这里不再详述。

箭头灯和人行灯所需的led数量少很多，所以功率也更少、更省电。

二、调光控制
由于日夜的光照相差很大，白天觉得符合亮度要求的情况下，但到了晚上可能会感觉到刺眼。

若有需要可考虑在信号灯上增加一个光敏电阻检测电路，用来判断外界的光强，将检测到的亮暗状态数据发送给单片机；也可以在交通控制信号机上专门给一路信号，在特定的时间段内发送数据到信号灯上，以让单片机降低亮度。

单片机根据接收到的信号，若需要降低亮度，则发送pwm控制信号给xlt601，通过控制led正向工作电流的占空比来降低led的发光亮度。

利用pwm的脉冲占空比来调光可以保持led的发光颜色不变。

xlt601的串行输入最大时钟频率达到20mhz，cpu也可使用20mhz 的外部晶振。

频率越大，使熄灭的时间远远小于肉眼的视觉暂留时间，这样可以避免人眼感觉到闪烁的现象，而且这么高的频率，也不会影响到监控的抓拍效果。

但目前国标还没有要求到交通信号灯可以调光和使用脉冲组来发光。

三、能耗比较
传统的交通信号灯一般使用一个100w的白炽灯泡作为光源，一个常规的小型十字路口，一共有4组机动灯，8组人行灯，也就是
正常工作情况下有12个灯同时亮着，一天按工作18个小时（大部分路口晚上有几个小时采用黄闪模式，此处忽略不计）来计算，用电量就是100w×12×18小时=28800w/h=21.6千瓦时。

而使用led交通信号灯，机动灯和人行灯加起来平均每个信号灯的功率只有10w左右。

每天的用电量大概为2.16千瓦时，一年一个路口就可以节省（21.6-2.16）×365=7096千瓦时。

一般的小城市都有30个路口，大的城市上百个路口，如果全部都用led信号灯来代替，每年都可以节省很多能源。

五、结语
在实际应用中，已经有很多led交通信号灯使用超过5年，未有损坏现象出现，而且响应时间也比灯泡快，从而减少交通事故的发生，得到了交通部门的青睐，所以现在大部分的路口都已经采用led交通信号灯来代替白炽灯交通信号灯。

参考文献
[1]中华人民共和国国家标准（gb 14887-2003）．
[2]潘晓宁，朱耀东，杨敏，等．单片机程序设计实践教程．清华大学出版社．
[3]周志敏，纪爱华，等．led驱动电源设计100例．中国电力出版社．。