高速ETC車道安全提示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(hào)經(jīng)TLP521光耦隔離后送往MCU的I/O口，當(dāng)車輛靠近時(shí)地磁線圈產(chǎn)生下降沿脈沖信號(hào)，系統(tǒng)檢測(cè)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(guò)固態(tài)繼電器閉合聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警；同時(shí)使用ISD4002語(yǔ)音芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)語(yǔ)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(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：ETC；電磁鎖；語(yǔ)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(wèn)題，為廣大ETC客戶提供了方便、快捷、舒適的出行體驗(yàn)。同時(shí)由于通過(guò)ETC車道的車輛無(wú)需停車，一般車速都較快，給現(xiàn)場(chǎng)工作人員帶來(lái)了一定的安全隱患。近年來(lái)全國(guó)各地已發(fā)生過(guò)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(hào)控制的地磁線圈作為車輛檢測(cè)傳感器單元。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)此地磁線圈感應(yīng)信號(hào)，判斷是否有車輛靠近或駛離收費(fèi)口。偌檢測(cè)到車輛靠近信號(hào)，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(dòng)作；并語(yǔ)音播報(bào)提示有車輛靠近，同時(shí)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(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)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(gè)系統(tǒng)不會(huì)對(duì)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(cè)單元、電磁鎖和聲光報(bào)警器單元、語(yǔ)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(jià)比高，且抗干擾性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。也是設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8個(gè)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(shí)未執(zhí)行喂狗指令時(shí)，將重新復(fù)位MCU，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性與可靠性[2]。

1.2 地磁線圈信號(hào)檢測(cè)電路

高速ETC車道每個(gè)通道地面都安裝有4個(gè)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(gè)地磁線圈的感應(yīng)信號(hào)可判斷當(dāng)前是否有車輛駛?cè)胧召M(fèi)ETC車道。前3個(gè)地磁線圈用于車輛駛?cè)霗z測(cè)，第4個(gè)線圈用于車輛駛出檢測(cè)。地磁線圈感應(yīng)到車輛時(shí)輸出高電平，將對(duì)應(yīng)連接的光耦導(dǎo)通，光耦輸出端將產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào)，MCU通過(guò)檢測(cè)該下降沿信號(hào)，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(dòng)電路

采用一個(gè)N溝道的MOS管IRF540驅(qū)動(dòng)電磁鎖。當(dāng)ETC車道有車輛進(jìn)入時(shí)，電磁鎖立即吸合阻止人為開門動(dòng)作。選用12V/500N的電磁鎖，吸合狀態(tài)時(shí)一般人正常情況下根本無(wú)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(huì)產(chǎn)生反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在電磁鎖線圈兩端并聯(lián)了一個(gè)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(dòng)電路小、反應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[5]。

圖2為電磁鎖和聲光報(bào)警器驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 電磁鎖及聲光報(bào)警器驅(qū)動(dòng)電路

1.4 語(yǔ)音提示電路

圖3為語(yǔ)音提示電路。美國(guó)ISD公司生產(chǎn)的單片語(yǔ)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(yǔ)音信息錄制到芯片中，需要播報(bào)時(shí)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(yǔ)音信號(hào)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(dòng)8Ω/0.5W的喇叭。

1.5 人機(jī)界面電路

設(shè)計(jì)了4個(gè)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(gè)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(yǔ)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(gè)經(jīng)過(guò)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(guò)一個(gè)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(guò)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰干擾，使用二極管1N4007先隔離濾波后再送給DC-DC模塊。考慮系統(tǒng)工作環(huán)境和保證系統(tǒng)的可靠性，使用金升陽(yáng)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(guò)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(hào)和開門開關(guān)等按鈕，當(dāng)檢測(cè)到前三個(gè)線圈任意一個(gè)產(chǎn)生下降沿時(shí)，判定為有車輛靠近收費(fèi)站，系統(tǒng)立即將電磁鎖吸合，語(yǔ)音播報(bào)“車輛進(jìn)入，危險(xiǎn)！”，同時(shí)吸合聲光報(bào)警器。第4個(gè)線圈信號(hào)出現(xiàn)下降沿，且前三個(gè)地磁線圈信號(hào)保持高電平不變時(shí)，判定車輛已經(jīng)駛離收費(fèi)站，自動(dòng)釋放電磁鎖，語(yǔ)音播報(bào)“車輛駛離，安全！”，同時(shí)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(wú)效，系統(tǒng)將保持電磁鎖的吸合狀態(tài)，同時(shí)再次語(yǔ)音播報(bào)提示。特殊情況下，確認(rèn)需強(qiáng)制開門時(shí)，可按系統(tǒng)控制面板上的“強(qiáng)行開門”按鈕開門，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)“警告，危險(xiǎn)！”。語(yǔ)音播報(bào)和聲光報(bào)警器功能，可通過(guò)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(lái)人員進(jìn)入亭內(nèi)時(shí)，則只需按一下門外的開門開關(guān)，電磁鎖即自動(dòng)釋放。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(lái)，使用方便、性能可靠、無(wú)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(píng)。

參考文獻(xiàn)

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

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[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(yǔ)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(jiǎn)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(cè)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)。