付忠亮 黃忠毅 葉雨

摘 要：介紹一種高速ETC車道安全提示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用隔離型DC-DC電源模塊供電，以W78E58B為核心微控制器，地磁線圈信號經(jīng)TLP521光耦隔離后送往MCU的I/O口，當(dāng)車輛靠近時地磁線圈產(chǎn)生下降沿脈沖信號，系統(tǒng)檢測到后控制MOS管IRF540導(dǎo)通，吸合收費(fèi)亭門上的電磁鎖，并通過固態(tài)繼電器閉合聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警；同時使用ISD4002語音芯片設(shè)計(jì)了一個語音播報(bào)提醒電路，提供人性化的播報(bào)功能。設(shè)計(jì)中充分考慮了電磁干擾的影響，保證了系統(tǒng)的長期可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：ETC；電磁鎖；語音提示；聲光報(bào)警

引言

電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）作為高速公路創(chuàng)新收費(fèi)方式、提升信息化水平的重要舉措，有效解決了收費(fèi)站交通擁堵問題，為廣大ETC客戶提供了方便、快捷、舒適的出行體驗(yàn)。同時由于通過ETC車道的車輛無需停車，一般車速都較快，給現(xiàn)場工作人員帶來了一定的安全隱患。近年來全國各地已發(fā)生過多起ETC車道人員傷亡事故[1]。為了提高收費(fèi)站工作人員的安全，設(shè)計(jì)一種高速ETC車道安全提示系統(tǒng)顯得十分必要和迫切。高速ETC車道安全提示系統(tǒng)，利用車道上現(xiàn)有的用于門欄升降信號控制的地磁線圈作為車輛檢測傳感器單元。系統(tǒng)通過檢測此地磁線圈感應(yīng)信號，判斷是否有車輛靠近或駛離收費(fèi)口。偌檢測到車輛靠近信號，系統(tǒng)立即將收費(fèi)亭門上的電磁鎖吸合，阻止亭內(nèi)工作人員的開門動作；并語音播報(bào)提示有車輛靠近，同時拉響收費(fèi)亭外的的聲光報(bào)警器，提醒車道附近其他人員避讓車輛。當(dāng)車輛駛離收費(fèi)口時，系統(tǒng)將自動關(guān)閉報(bào)警器并釋放電磁鎖，工作人員可進(jìn)出收費(fèi)亭。整個系統(tǒng)不會對收費(fèi)人員工作和車輛通行造成干擾。

1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括微控制器單元、地磁線圈檢測單元、電磁鎖和聲光報(bào)警器單元、語音播報(bào)單元、人機(jī)界面單元、系統(tǒng)電源單元。硬件主要框圖見圖1。

1.1 微控制器其相關(guān)電路

微控制器選用華邦公司生產(chǎn)的W78E58B，是一款帶ISP功能的Flash EPROM的低功耗8位MCU，性價比高，且抗干擾性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。也是設(shè)計(jì)時選擇其的主要原因。它的指令集同標(biāo)準(zhǔn)8052指令集完全兼容，包含32K的主ROM和4K的輔助ROM，3個16位定時/計(jì)數(shù)器，8個中斷源。使用MAXIM公司的MAX813作為上電復(fù)位芯片和硬件看門狗電路，當(dāng)系統(tǒng)超時未執(zhí)行喂狗指令時，將重新復(fù)位MCU，確保系統(tǒng)長期運(yùn)行的安全性與可靠性[2]。

1.2 地磁線圈信號檢測電路

高速ETC車道每個通道地面都安裝有4個地磁線圈，用于通道門欄的升起和降下控制。系統(tǒng)借用這4個地磁線圈的感應(yīng)信號可判斷當(dāng)前是否有車輛駛?cè)胧召M(fèi)ETC車道。前3個地磁線圈用于車輛駛?cè)霗z測，第4個線圈用于車輛駛出檢測。地磁線圈感應(yīng)到車輛時輸出高電平，將對應(yīng)連接的光耦導(dǎo)通，光耦輸出端將產(chǎn)生一個下降沿信號，MCU通過檢測該下降沿信號，即可判斷出當(dāng)前車輛情況以及位置信息。

1.3 電磁鎖和聲光報(bào)警器驅(qū)動電路

采用一個N溝道的MOS管IRF540驅(qū)動電磁鎖。當(dāng)ETC車道有車輛進(jìn)入時，電磁鎖立即吸合阻止人為開門動作。選用12V/500N的電磁鎖，吸合狀態(tài)時一般人正常情況下根本無法拉開門。單片機(jī)I/O口輸出后先經(jīng)光耦TP521-1隔離，再連接到MOS管RF540的G極，S極接地，D極跟電磁鎖的負(fù)極連接，電磁鎖正極連接到12V電源正極上。電磁鎖屬于感性負(fù)載，關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生反向感應(yīng)電動勢，在電磁鎖線圈兩端并聯(lián)了一個由瞬態(tài)抑制二極管P6KE30和硅二極管BYV26C組成的吸收電路可有效減低該反向尖峰毛刺。

聲光報(bào)警電路，安裝于收費(fèi)亭外，用于提示車道中可能正橫穿通道的其他人員避讓車輛?？紤]室外布線方便，使用220V交流供電的戶外型聲光報(bào)警器，直接安裝在收費(fèi)亭的屋頂上，警報(bào)聲響亮、警燈閃爍清晰可見。報(bào)警器使用固態(tài)繼電器控制，經(jīng)光耦隔離后接到單片機(jī)的IO口上。固態(tài)繼電器與一般的機(jī)電繼電器比較具有驅(qū)動電路小、反應(yīng)速度快、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[5]。

圖2為電磁鎖和聲光報(bào)警器驅(qū)動電路。

圖2 電磁鎖及聲光報(bào)警器驅(qū)動電路

1.4 語音提示電路

圖3為語音提示電路。美國ISD公司生產(chǎn)的單片語音錄放電路ISD40020-120P，采用直接模擬量貯存技術(shù)，音質(zhì)好，信息存放在芯片內(nèi)部FLASH RAM中，抗斷電、可隨意更改內(nèi)容。事先使用MIC將需要播報(bào)的語音信息錄制到芯片中，需要播報(bào)時再使用MCU調(diào)用相應(yīng)地址數(shù)據(jù)播報(bào)即可[4]。T1為音頻隔離變壓器，可將語音信號與外部功放電路電氣隔離。LM386組成的功放電路可以直接驅(qū)動8Ω/0.5W的喇叭。

1.5 人機(jī)界面電路

設(shè)計(jì)了4個LED燈用于指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，分別指示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前警情指示、聲光報(bào)警器開啟/關(guān)閉、電磁鎖狀態(tài)。設(shè)計(jì)了4個獨(dú)立按鍵，用于系統(tǒng)運(yùn)行/停止、聲光報(bào)警功能開啟/關(guān)閉、語音播報(bào)功能開啟/關(guān)閉、強(qiáng)行開門。另外還設(shè)計(jì)了2個經(jīng)過TLP521-1光耦隔離的輸入IO，用于連接外部/內(nèi)部開門開關(guān)。

1.6 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)直接使用220V市電工作，經(jīng)過一個12V/30W的開關(guān)電源輸出12V做為主電源，一路為電磁鎖供電，另一路經(jīng)過DC-DC電源模塊轉(zhuǎn)換為5V電壓為系統(tǒng)MCU及其外圍電路供電。電磁鎖吸合瞬間會產(chǎn)生一個尖峰干擾，使用二極管1N4007先隔離濾波后再送給DC-DC模塊?？紤]系統(tǒng)工作環(huán)境和保證系統(tǒng)的可靠性，使用金升陽的B1205S-2W隔離型DC-DC模塊作為系統(tǒng)的穩(wěn)壓電源，并使系統(tǒng)核心控制部分與外部電氣隔離，有效避免受外部電氣的干擾。DC-DC輸出端電容不應(yīng)超過10uF，避免影響模塊的正常工作[5]。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分使用Keil C51編寫，程序的設(shè)計(jì)是和硬件相關(guān)聯(lián)的，實(shí)際上在硬件的構(gòu)思中就已經(jīng)為軟件規(guī)劃了具體流程。系統(tǒng)上電開機(jī)運(yùn)行后，循環(huán)掃描地磁線圈的信號和開門開關(guān)等按鈕，當(dāng)檢測到前三個線圈任意一個產(chǎn)生下降沿時，判定為有車輛靠近收費(fèi)站，系統(tǒng)立即將電磁鎖吸合，語音播報(bào)“車輛進(jìn)入，危險(xiǎn)！”，同時吸合聲光報(bào)警器。第4個線圈信號出現(xiàn)下降沿，且前三個地磁線圈信號保持高電平不變時，判定車輛已經(jīng)駛離收費(fèi)站，自動釋放電磁鎖，語音播報(bào)“車輛駛離，安全！”，同時關(guān)閉聲光報(bào)警器。報(bào)警期間亭內(nèi)人員按開門開關(guān)無效，系統(tǒng)將保持電磁鎖的吸合狀態(tài)，同時再次語音播報(bào)提示。特殊情況下，確認(rèn)需強(qiáng)制開門時，可按系統(tǒng)控制面板上的“強(qiáng)行開門”按鈕開門，同時語音播報(bào)“警告，危險(xiǎn)！”。語音播報(bào)和聲光報(bào)警器功能，可通過控制面板的按鈕選擇靜音模式或正常報(bào)警模式，體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)。外來人員進(jìn)入亭內(nèi)時，則只需按一下門外的開門開關(guān)，電磁鎖即自動釋放。

3 結(jié)束語

本方案設(shè)計(jì)的高速ETC車道安全提示系統(tǒng)已經(jīng)在浙江某高速收費(fèi)站ETC車道安裝并投入使用，安裝使用以來，使用方便、性能可靠、無誤報(bào)現(xiàn)象，大大提高了高速收費(fèi)站工作人員的安全指數(shù)，獲得了高速收費(fèi)站工作人員的好評。

參考文獻(xiàn)

[1]施雪飛.ETC車道交通安全現(xiàn)狀及對策分析[J].電子世界，2013，16：209.

[2]董作霖，王建玲.MAX813L在單片機(jī)系統(tǒng)中的典型應(yīng)用[J].河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2003，11（4）：56-57.

[3]Avago公司.固態(tài)繼電器的選擇和應(yīng)用[J].世界電子元器件，2008，3：62-63.

[4]楊洪軍，石琳，劉永亮.一種基于單片機(jī)的語音錄放電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，1：62-65.

[5]http：//www.mornsun.cn/.

作者簡介：付忠亮（1985-），男，浙江省龍泉市人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司，在職研究生，助理工程師，主要從事檢測儀表、智能控制系統(tǒng)方面的研究、開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。