一種簡易不停車收費系統實現

麻志濱　徐安然　張敏

摘 要： 設計了一種簡易的不停車收費系統。設計用單片機AT89C52控制無線模塊，形成發射機和接收機，實現車輛信息的傳遞，并通過串口顯示在計算機上。采用的nRF24L01無線模塊、數字信號編碼和二次調制方式之間的加密通信原理，軟件設計采用自上而下的模塊化設計思想，使系統具有分布式、小型化的特點。測試結果表明，該系統具有抗干擾性強、功耗低、反應速度快、傳輸效率高和簡單的特點。

關鍵詞： 無線通信； AT89C52； nRF24L01； 不停車收費

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0044?03

0 引 言

電子不停車收費系統（ETC）利用車輛自動識別技術完成車輛與收費站之間的無線數據通信，進行車輛自動識別和相關數據的交換，再通過計算機網絡進行收費數據的處理，從而實現不停車自動收費[1]。這一技術具有提高高速公路收費站口的通行能力，減少道路阻塞現象、提高行車安全、使公路收費走向電子自動化、減少收費管理的成本等優點。目前，在美國、歐洲、日本等許多發達國家和地區的電子收費系統已經聯網并形成規模效益，其明顯的社會經濟效益具有強大的吸引力。

本文設計并制造了一種基于51單片機的簡易ETC系統。攜帶有各種車輛信息的單片機，通過對獨立鍵盤的控制，實現不同信息的發送。信息將會由特定的編碼，通過無線模塊和天線發送給接收機，當接收機收到信息后，又通過接收機的單片機控制串口芯片，將接收到的信息顯示在上位機上。

1 不停車收費系統的設計

本方案是通過單片機對nRF24L01的無限模塊進行控制，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射出去，接收機的天線獲取信息后再由無線模塊傳遞回單片機，并通過上位機直接顯示出車輛信息，并做簡單處理。系統框圖如圖1所示[2]。

1.1 硬件電路設計

硬件電路主要由AT89C52單片機，LED燈，獨立鍵盤，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。本設計選擇nRF24L01無線集成模塊，主要考慮nRF24L01無線芯片，有自動編碼的功能，有較好的抗干擾性，工作頻率很高，可以達到2.4 GHz。這樣大大縮小了對天線體積的要求，實現電路時可以做到簡潔且高效地實現最終功能。

該電路能夠實現無線數據和信號的傳輸。具體設計為字符編碼的傳輸，具體電路包含MCU最小系統電路、電源電路、無線傳輸電路、顯示電路、鍵盤控制電路幾部分構成。該系統整體電路包含兩個分開的部分：發送模塊電路、接收模塊電路。電路圖如圖2、圖3所示[3?4]。

1.1.1 單片機時鐘電路

單片機的晶振電路中的電容C1和C2的典型值通常選擇30 pF左右，該電容的大小會影響振蕩電路頻率的高低、振蕩器的穩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，系統的時鐘頻率越快，單片機的運行速度越快。AT89C52常選擇振蕩頻率12 MHz的石英晶體。

1.1.2 單片機復位電路

復位是單片機的初始化操作，只需要給AT89C52的復位引腳RST加上大于2個機器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就可以使AT89C52復位。復位時，單片機初始化為0000H，從0000H單元開始執行程序。除了進入系統的正常初始化之外，當程序運行錯誤（如程序跑飛）或操作錯誤使系統處于鎖死狀態時，也需要復位鍵使RST腳為高電平，使AT89C52擺脫“跑飛”或“死鎖”狀態而重新啟動。

1.1.3 電源電路

該系統中的無線模塊要用3.3 V電源供電，而單片機的需要5 V供電，所以需要加個穩壓芯片這里采用HT7133進行穩壓處理。把5 V穩降至3.3 V來供給無線傳輸模塊使用。經測試完全滿足各器件的運行要求。

1.1.4 無線傳輸電路

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

1.1.5 按鍵控制電路

由于本設計中，預設的按鍵數量不多，所以采用獨立鍵盤，由單片機I/O口直接控制。每個按鍵代表一輛車的信息卡，通過檢測按鍵是否按下，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 上位機控制電路

上位機控制電路主要是為了完成對文字的控制，因為上位機即計算機是最常使用的設備，而且操作過程實用方便，因此采用上位機進行控制。上位機采用VC進行程序的編寫，最終完成系統功能。

1.2 程序設計

軟件編程主要實現對單片機和無線模塊的控制，實現無線模塊的模式設置和信息發送，還有時鐘電路等的控制，并最終實現無差錯的傳輸車輛信息。

利用KEIL軟件編寫C語言程序，控制發射機和接收機核心系統單片機89C52芯片，使芯片進一步控制nRF24L01無線模塊進行無線數據的通信，實現車輛信息在兩個模塊之間的傳輸。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，獨立鍵盤程序控制，無線模塊收發模式控制，無線模塊收發信息的控制，串口控制程序、上位機編寫等。

程序總體設計流程圖如圖4所示，主程序構成無限循環，主要完成單片機初始化，按鍵檢測，按鍵處理，延時，待機等待的狀態顯示等功能[5]。

圖4 程序總體設計流程圖

1.2.1 按鍵控制子程序

按鍵主要用于人機界面的輸入，按鍵子程序主要用于按鍵的檢測。由于綜合考慮按鍵硬件去抖動成本要比軟件去抖動成本高很多，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自動應答機制為ENAA=1時，nRF24L01進入自動應答機制。Prim?RX配置其處于Prim TX或Prim RX。自動應答機制分為PTX（發射源）和PRX（接收源）兩種：PTX是主動發送后等待應答，PRX是等待應答后被動發送。

例如一個nRF24L01配置為PTX，另一個設為PRX，二者就可以自動通信。

Prim TX mode下無線模塊控制程序框圖如圖6所示。

1.2.3 上位機編寫

用VC++軟件編寫上位機，使由單片機串口發送來的數據可以顯示在上位機上，并進行簡單的處理[6]。

2 系統實現效果

該不停車收費系統所實現的功能如圖7所示，其無線模塊收發機實物圖如圖8所示。

系統設計完成后，通過編程后下載到單片機中對系統功能進行了調試。結果證明，該系統能滿足設計要求。調試結果效果圖如圖9所示[7]。

3 結 論

本設計從經濟實用的角度出發，采用美國Atmel公司的單片機AT89S52與nRF24L01作為主控芯片與無線收發單元，結合外圍的鍵盤輸入、LED顯示等電路并用C語言編寫主控芯片的控制程序，實現了一款可以實現無線收發車輛信息的硬件系統，設計完全可以達到設計目地，且有一定的拓展性。使用單片機制作的接收機和發射機具有軟硬件設計簡單，易于開發，成本較低，安全可靠，操作方便等特點，實現了ETC車道所用的功能上的模擬。

不過，本設計實現的功能較為單一，存儲的信息量有限，而真正的不停車收費系統管理，有強大的數據庫作為支撐，可以進行大量信息的交流，并具有很強的抗干擾能力，還能通過網絡實現收費。所以本設計只是實現了強大的不停車收費系統的硬件平臺的模擬[8]。

參考文獻

[1] 廉飛宇，范伊紅，張元. ETC電子不停車收費的技術研究[J].計算機工程與應用，2007，43（5）：204?207.

[2] 王曉峰，張致恒，張波，等.基于nRf2401的高速路不停車收費系統[J].電力學報，2009，24（5）：431?433.

[3] 李后上，康敏，傅秀清.應用RFID的數控刀具識別系統設計與實現[J].現代制造工程，2011（5）：32?38.

[4] 房澤平.基于雙MCU和nRF2401的無線傳感器網絡系統[J].自動化儀表，2009，30（8）：25?27.

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[6] 丁永紅，孫運強.基于nRF2401的無線數傳系統設計[J].國外電子測量技術，2008，27（4）：45?47.

[7] 辛潔，孫運強，張倫.基于ATmega16和nRF2401的無線射頻收發系統設計[J].電子測試，2009（4）：60?64.

[8] 張煜，葛海波.基于nRF2401的跳頻無線傳輸系統的實現[J]. 西安郵電學院學報，2009，14（5）：27?31.

1.2.2 無線模塊控制程序

nRF24L01自動應答機制為ENAA=1時，nRF24L01進入自動應答機制。Prim?RX配置其處于Prim TX或Prim RX。自動應答機制分為PTX（發射源）和PRX（接收源）兩種：PTX是主動發送后等待應答，PRX是等待應答后被動發送。

例如一個nRF24L01配置為PTX，另一個設為PRX，二者就可以自動通信。

Prim TX mode下無線模塊控制程序框圖如圖6所示。

1.2.3 上位機編寫

用VC++軟件編寫上位機，使由單片機串口發送來的數據可以顯示在上位機上，并進行簡單的處理[6]。

2 系統實現效果

該不停車收費系統所實現的功能如圖7所示，其無線模塊收發機實物圖如圖8所示。

系統設計完成后，通過編程后下載到單片機中對系統功能進行了調試。結果證明，該系統能滿足設計要求。調試結果效果圖如圖9所示[7]。

3 結 論

本設計從經濟實用的角度出發，采用美國Atmel公司的單片機AT89S52與nRF24L01作為主控芯片與無線收發單元，結合外圍的鍵盤輸入、LED顯示等電路并用C語言編寫主控芯片的控制程序，實現了一款可以實現無線收發車輛信息的硬件系統，設計完全可以達到設計目地，且有一定的拓展性。使用單片機制作的接收機和發射機具有軟硬件設計簡單，易于開發，成本較低，安全可靠，操作方便等特點，實現了ETC車道所用的功能上的模擬。

不過，本設計實現的功能較為單一，存儲的信息量有限，而真正的不停車收費系統管理，有強大的數據庫作為支撐，可以進行大量信息的交流，并具有很強的抗干擾能力，還能通過網絡實現收費。所以本設計只是實現了強大的不停車收費系統的硬件平臺的模擬[8]。

參考文獻

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[8] 張煜，葛海波.基于nRF2401的跳頻無線傳輸系統的實現[J]. 西安郵電學院學報，2009，14（5）：27?31.

1.2.2 無線模塊控制程序

nRF24L01自動應答機制為ENAA=1時，nRF24L01進入自動應答機制。Prim?RX配置其處于Prim TX或Prim RX。自動應答機制分為PTX（發射源）和PRX（接收源）兩種：PTX是主動發送后等待應答，PRX是等待應答后被動發送。

例如一個nRF24L01配置為PTX，另一個設為PRX，二者就可以自動通信。

Prim TX mode下無線模塊控制程序框圖如圖6所示。

1.2.3 上位機編寫

用VC++軟件編寫上位機，使由單片機串口發送來的數據可以顯示在上位機上，并進行簡單的處理[6]。

2 系統實現效果

該不停車收費系統所實現的功能如圖7所示，其無線模塊收發機實物圖如圖8所示。

系統設計完成后，通過編程后下載到單片機中對系統功能進行了調試。結果證明，該系統能滿足設計要求。調試結果效果圖如圖9所示[7]。

3 結 論

本設計從經濟實用的角度出發，采用美國Atmel公司的單片機AT89S52與nRF24L01作為主控芯片與無線收發單元，結合外圍的鍵盤輸入、LED顯示等電路并用C語言編寫主控芯片的控制程序，實現了一款可以實現無線收發車輛信息的硬件系統，設計完全可以達到設計目地，且有一定的拓展性。使用單片機制作的接收機和發射機具有軟硬件設計簡單，易于開發，成本較低，安全可靠，操作方便等特點，實現了ETC車道所用的功能上的模擬。

不過，本設計實現的功能較為單一，存儲的信息量有限，而真正的不停車收費系統管理，有強大的數據庫作為支撐，可以進行大量信息的交流，并具有很強的抗干擾能力，還能通過網絡實現收費。所以本設計只是實現了強大的不停車收費系統的硬件平臺的模擬[8]。

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[7] 辛潔，孫運強，張倫.基于ATmega16和nRF2401的無線射頻收發系統設計[J].電子測試，2009（4）：60?64.

[8] 張煜，葛海波.基于nRF2401的跳頻無線傳輸系統的實現[J]. 西安郵電學院學報，2009，14（5）：27?31.