一種簡(jiǎn)易不停車收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

麻志濱　徐安然　張敏

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的不停車收費(fèi)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)用單片機(jī)AT89C52控制無線模塊，形成發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)車輛信息的傳遞，并通過串口顯示在計(jì)算機(jī)上。采用的nRF24L01無線模塊、數(shù)字信號(hào)編碼和二次調(diào)制方式之間的加密通信原理，軟件設(shè)計(jì)采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)思想，使系統(tǒng)具有分布式、小型化的特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、功耗低、反應(yīng)速度快、傳輸效率高和簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 無線通信； AT89C52； nRF24L01； 不停車收費(fèi)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0044?03

0 引 言

電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）利用車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)完成車輛與收費(fèi)站之間的無線數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行車輛自動(dòng)識(shí)別和相關(guān)數(shù)據(jù)的交換，再通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行收費(fèi)數(shù)據(jù)的處理，從而實(shí)現(xiàn)不停車自動(dòng)收費(fèi)[1]。這一技術(shù)具有提高高速公路收費(fèi)站口的通行能力，減少道路阻塞現(xiàn)象、提高行車安全、使公路收費(fèi)走向電子自動(dòng)化、減少收費(fèi)管理的成本等優(yōu)點(diǎn)。目前，在美國、歐洲、日本等許多發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的電子收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)并形成規(guī)模效益，其明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益具有強(qiáng)大的吸引力。

本文設(shè)計(jì)并制造了一種基于51單片機(jī)的簡(jiǎn)易ETC系統(tǒng)。攜帶有各種車輛信息的單片機(jī)，通過對(duì)獨(dú)立鍵盤的控制，實(shí)現(xiàn)不同信息的發(fā)送。信息將會(huì)由特定的編碼，通過無線模塊和天線發(fā)送給接收機(jī)，當(dāng)接收機(jī)收到信息后，又通過接收機(jī)的單片機(jī)控制串口芯片，將接收到的信息顯示在上位機(jī)上。

1 不停車收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本方案是通過單片機(jī)對(duì)nRF24L01的無限模塊進(jìn)行控制，編輯nRF24L01的工作模式和編碼方式，將信息通過無線模塊的天線發(fā)射出去，接收機(jī)的天線獲取信息后再由無線模塊傳遞回單片機(jī)，并通過上位機(jī)直接顯示出車輛信息，并做簡(jiǎn)單處理。系統(tǒng)框圖如圖1所示[2]。

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由AT89C52單片機(jī)，LED燈，獨(dú)立鍵盤，nRF24L01無線集成模塊，9針串口（母），MAX232串口控制芯片，供電的干電池組成。本設(shè)計(jì)選擇nRF24L01無線集成模塊，主要考慮nRF24L01無線芯片，有自動(dòng)編碼的功能，有較好的抗干擾性，工作頻率很高，可以達(dá)到2.4 GHz。這樣大大縮小了對(duì)天線體積的要求，實(shí)現(xiàn)電路時(shí)可以做到簡(jiǎn)潔且高效地實(shí)現(xiàn)最終功能。

該電路能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)和信號(hào)的傳輸。具體設(shè)計(jì)為字符編碼的傳輸，具體電路包含MCU最小系統(tǒng)電路、電源電路、無線傳輸電路、顯示電路、鍵盤控制電路幾部分構(gòu)成。該系統(tǒng)整體電路包含兩個(gè)分開的部分：發(fā)送模塊電路、接收模塊電路。電路圖如圖2、圖3所示[3?4]。

1.1.1 單片機(jī)時(shí)鐘電路

單片機(jī)的晶振電路中的電容C1和C2的典型值通常選擇30 pF左右，該電容的大小會(huì)影響振蕩電路頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體振蕩頻率的范圍通常在1.2～12 MHz。晶體的頻率越高，系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率越快，單片機(jī)的運(yùn)行速度越快。AT89C52常選擇振蕩頻率12 MHz的石英晶體。

1.1.2 單片機(jī)復(fù)位電路

復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只需要給AT89C52的復(fù)位引腳RST加上大于2個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）的高電平就可以使AT89C52復(fù)位。復(fù)位時(shí)，單片機(jī)初始化為0000H，從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)程序運(yùn)行錯(cuò)誤（如程序跑飛）或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)時(shí)，也需要復(fù)位鍵使RST腳為高電平，使AT89C52擺脫“跑飛”或“死鎖”狀態(tài)而重新啟動(dòng)。

1.1.3 電源電路

該系統(tǒng)中的無線模塊要用3.3 V電源供電，而單片機(jī)的需要5 V供電，所以需要加個(gè)穩(wěn)壓芯片這里采用HT7133進(jìn)行穩(wěn)壓處理。把5 V穩(wěn)降至3.3 V來供給無線傳輸模塊使用。經(jīng)測(cè)試完全滿足各器件的運(yùn)行要求。

1.1.4 無線傳輸電路

無線傳輸電路通過nRF24L01進(jìn)行傳遞，它可以進(jìn)行無線收發(fā)，但只能進(jìn)行半雙工傳遞方式，因而其收發(fā)電路的接線方式是相同的。

1.1.5 按鍵控制電路

由于本設(shè)計(jì)中，預(yù)設(shè)的按鍵數(shù)量不多，所以采用獨(dú)立鍵盤，由單片機(jī)I/O口直接控制。每個(gè)按鍵代表一輛車的信息卡，通過檢測(cè)按鍵是否按下，來確定是否有車輛通過，而按下的按鍵，則代表通過的車輛信息。

1.1.6 上位機(jī)控制電路

上位機(jī)控制電路主要是為了完成對(duì)文字的控制，因?yàn)樯衔粰C(jī)即計(jì)算機(jī)是最常使用的設(shè)備，而且操作過程實(shí)用方便，因此采用上位機(jī)進(jìn)行控制。上位機(jī)采用VC進(jìn)行程序的編寫，最終完成系統(tǒng)功能。

1.2 程序設(shè)計(jì)

軟件編程主要實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)和無線模塊的控制，實(shí)現(xiàn)無線模塊的模式設(shè)置和信息發(fā)送，還有時(shí)鐘電路等的控制，并最終實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸車輛信息。

利用KEIL軟件編寫C語言程序，控制發(fā)射機(jī)和接收機(jī)核心系統(tǒng)單片機(jī)89C52芯片，使芯片進(jìn)一步控制nRF24L01無線模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的通信，實(shí)現(xiàn)車輛信息在兩個(gè)模塊之間的傳輸。主要包括：無線模塊的定義及初始化，I/O口分配的程序編寫，LED燈程序控制，獨(dú)立鍵盤程序控制，無線模塊收發(fā)模式控制，無線模塊收發(fā)信息的控制，串口控制程序、上位機(jī)編寫等。

程序總體設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示，主程序構(gòu)成無限循環(huán)，主要完成單片機(jī)初始化，按鍵檢測(cè)，按鍵處理，延時(shí)，待機(jī)等待的狀態(tài)顯示等功能[5]。

圖4 程序總體設(shè)計(jì)流程圖

1.2.1 按鍵控制子程序

按鍵主要用于人機(jī)界面的輸入，按鍵子程序主要用于按鍵的檢測(cè)。由于綜合考慮按鍵硬件去抖動(dòng)成本要比軟件去抖動(dòng)成本高很多，因此電路采用軟件去抖。其過程如圖5所示。

1.2.2 無線模塊控制程序

nRF24L01自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制為ENAA=1時(shí)，nRF24L01進(jìn)入自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制。Prim?RX配置其處于Prim TX或Prim RX。自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制分為PTX（發(fā)射源）和PRX（接收源）兩種：PTX是主動(dòng)發(fā)送后等待應(yīng)答，PRX是等待應(yīng)答后被動(dòng)發(fā)送。

例如一個(gè)nRF24L01配置為PTX，另一個(gè)設(shè)為PRX，二者就可以自動(dòng)通信。

Prim TX mode下無線模塊控制程序框圖如圖6所示。

1.2.3 上位機(jī)編寫

用VC++軟件編寫上位機(jī)，使由單片機(jī)串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)可以顯示在上位機(jī)上，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理[6]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

該不停車收費(fèi)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能如圖7所示，其無線模塊收發(fā)機(jī)實(shí)物圖如圖8所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過編程后下載到單片機(jī)中對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了調(diào)試。結(jié)果證明，該系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試結(jié)果效果圖如圖9所示[7]。

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，采用美國Atmel公司的單片機(jī)AT89S52與nRF24L01作為主控芯片與無線收發(fā)單元，結(jié)合外圍的鍵盤輸入、LED顯示等電路并用C語言編寫主控芯片的控制程序，實(shí)現(xiàn)了一款可以實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)車輛信息的硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)目地，且有一定的拓展性。使用單片機(jī)制作的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)具有軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于開發(fā)，成本較低，安全可靠，操作方便等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了ETC車道所用的功能上的模擬。

不過，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能較為單一，存儲(chǔ)的信息量有限，而真正的不停車收費(fèi)系統(tǒng)管理，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫作為支撐，可以進(jìn)行大量信息的交流，并具有很強(qiáng)的抗干擾能力，還能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)收費(fèi)。所以本設(shè)計(jì)只是實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的模擬[8]。

參考文獻(xiàn)

[1] 廉飛宇，范伊紅，張?jiān)? ETC電子不停車收費(fèi)的技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（5）：204?207.

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[7] 辛潔，孫運(yùn)強(qiáng)，張倫.基于ATmega16和nRF2401的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2009（4）：60?64.

[8] 張煜，葛海波.基于nRF2401的跳頻無線傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，14（5）：27?31.

1.2.2 無線模塊控制程序

nRF24L01自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制為ENAA=1時(shí)，nRF24L01進(jìn)入自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制。Prim?RX配置其處于Prim TX或Prim RX。自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制分為PTX（發(fā)射源）和PRX（接收源）兩種：PTX是主動(dòng)發(fā)送后等待應(yīng)答，PRX是等待應(yīng)答后被動(dòng)發(fā)送。

例如一個(gè)nRF24L01配置為PTX，另一個(gè)設(shè)為PRX，二者就可以自動(dòng)通信。

Prim TX mode下無線模塊控制程序框圖如圖6所示。

1.2.3 上位機(jī)編寫

用VC++軟件編寫上位機(jī)，使由單片機(jī)串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)可以顯示在上位機(jī)上，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理[6]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

該不停車收費(fèi)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能如圖7所示，其無線模塊收發(fā)機(jī)實(shí)物圖如圖8所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過編程后下載到單片機(jī)中對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了調(diào)試。結(jié)果證明，該系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試結(jié)果效果圖如圖9所示[7]。

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，采用美國Atmel公司的單片機(jī)AT89S52與nRF24L01作為主控芯片與無線收發(fā)單元，結(jié)合外圍的鍵盤輸入、LED顯示等電路并用C語言編寫主控芯片的控制程序，實(shí)現(xiàn)了一款可以實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)車輛信息的硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)目地，且有一定的拓展性。使用單片機(jī)制作的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)具有軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于開發(fā)，成本較低，安全可靠，操作方便等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了ETC車道所用的功能上的模擬。

不過，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能較為單一，存儲(chǔ)的信息量有限，而真正的不停車收費(fèi)系統(tǒng)管理，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫作為支撐，可以進(jìn)行大量信息的交流，并具有很強(qiáng)的抗干擾能力，還能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)收費(fèi)。所以本設(shè)計(jì)只是實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的模擬[8]。

參考文獻(xiàn)

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1.2.2 無線模塊控制程序

nRF24L01自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制為ENAA=1時(shí)，nRF24L01進(jìn)入自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制。Prim?RX配置其處于Prim TX或Prim RX。自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制分為PTX（發(fā)射源）和PRX（接收源）兩種：PTX是主動(dòng)發(fā)送后等待應(yīng)答，PRX是等待應(yīng)答后被動(dòng)發(fā)送。

例如一個(gè)nRF24L01配置為PTX，另一個(gè)設(shè)為PRX，二者就可以自動(dòng)通信。

Prim TX mode下無線模塊控制程序框圖如圖6所示。

1.2.3 上位機(jī)編寫

用VC++軟件編寫上位機(jī)，使由單片機(jī)串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)可以顯示在上位機(jī)上，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理[6]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

該不停車收費(fèi)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能如圖7所示，其無線模塊收發(fā)機(jī)實(shí)物圖如圖8所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過編程后下載到單片機(jī)中對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了調(diào)試。結(jié)果證明，該系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試結(jié)果效果圖如圖9所示[7]。

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，采用美國Atmel公司的單片機(jī)AT89S52與nRF24L01作為主控芯片與無線收發(fā)單元，結(jié)合外圍的鍵盤輸入、LED顯示等電路并用C語言編寫主控芯片的控制程序，實(shí)現(xiàn)了一款可以實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)車輛信息的硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)目地，且有一定的拓展性。使用單片機(jī)制作的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)具有軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于開發(fā)，成本較低，安全可靠，操作方便等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了ETC車道所用的功能上的模擬。

不過，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能較為單一，存儲(chǔ)的信息量有限，而真正的不停車收費(fèi)系統(tǒng)管理，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫作為支撐，可以進(jìn)行大量信息的交流，并具有很強(qiáng)的抗干擾能力，還能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)收費(fèi)。所以本設(shè)計(jì)只是實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的模擬[8]。

參考文獻(xiàn)

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