高速ETC車道安全提示系統的設計

付忠亮 黃忠毅 葉雨

摘 要：介紹一種高速ETC車道安全提示系統的設計。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TLP521光耦隔離后送往MCU的I/O口，當車輛靠近時地磁線圈產生下降沿脈沖信號，系統檢測到后控制MOS管IRF540導通，吸合收費亭門上的電磁鎖，并通過固態繼電器閉合聲光報警器進行報警；同時使用ISD4002語音芯片設計了一個語音播報提醒電路，提供人性化的播報功能。設計中充分考慮了電磁干擾的影響，保證了系統的長期可靠穩定運行。

關鍵詞：ETC；電磁鎖；語音提示；聲光報警

引言

電子不停車收費系統（ETC）作為高速公路創新收費方式、提升信息化水平的重要舉措，有效解決了收費站交通擁堵問題，為廣大ETC客戶提供了方便、快捷、舒適的出行體驗。同時由于通過ETC車道的車輛無需停車，一般車速都較快，給現場工作人員帶來了一定的安全隱患。近年來全國各地已發生過多起ETC車道人員傷亡事故[1]。為了提高收費站工作人員的安全，設計一種高速ETC車道安全提示系統顯得十分必要和迫切。高速ETC車道安全提示系統，利用車道上現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。系統通過檢測此地磁線圈感應信號，判斷是否有車輛靠近或駛離收費口。偌檢測到車輛靠近信號，系統立即將收費亭門上的電磁鎖吸合，阻止亭內工作人員的開門動作；并語音播報提示有車輛靠近，同時拉響收費亭外的的聲光報警器，提醒車道附近其他人員避讓車輛。當車輛駛離收費口時，系統將自動關閉報警器并釋放電磁鎖，工作人員可進出收費亭。整個系統不會對收費人員工作和車輛通行造成干擾。

1 硬件設計

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

1.1 微控制器其相關電路

微控制器選用華邦公司生產的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，被廣泛應用于工業現場。也是設計時選擇其的主要原因。它的指令集同標準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/計數器，8個中斷源。使用MAXIM公司的MAX813作為上電復位芯片和硬件看門狗電路，當系統超時未執行喂狗指令時，將重新復位MCU，確保系統長期運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。系統借用這4個地磁線圈的感應信號可判斷當前是否有車輛駛入收費ETC車道。前3個地磁線圈用于車輛駛入檢測，第4個線圈用于車輛駛出檢測。地磁線圈感應到車輛時輸出高電平，將對應連接的光耦導通，光耦輸出端將產生一個下降沿信號，MCU通過檢測該下降沿信號，即可判斷出當前車輛情況以及位置信息。

1.3 電磁鎖和聲光報警器驅動電路

采用一個N溝道的MOS管IRF540驅動電磁鎖。當ETC車道有車輛進入時，電磁鎖立即吸合阻止人為開門動作。選用12V/500N的電磁鎖，吸合狀態時一般人正常情況下根本無法拉開門。單片機I/O口輸出后先經光耦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。電磁鎖屬于感性負載，關斷瞬間會產生反向感應電動勢，在電磁鎖線圈兩端并聯了一個由瞬態抑制二極管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。

聲光報警電路，安裝于收費亭外，用于提示車道中可能正橫穿通道的其他人員避讓車輛。考慮室外布線方便，使用220V交流供電的戶外型聲光報警器，直接安裝在收費亭的屋頂上，警報聲響亮、警燈閃爍清晰可見。報警器使用固態繼電器控制，經光耦隔離后接到單片機的IO口上。固態繼電器與一般的機電繼電器比較具有驅動電路小、反應速度快、使用壽命長等優點[5]。

圖2為電磁鎖和聲光報警器驅動電路。

圖2 電磁鎖及聲光報警器驅動電路

1.4 語音提示電路

圖3為語音提示電路。美國ISD公司生產的單片語音錄放電路ISD40020-120P，采用直接模擬量貯存技術，音質好，信息存放在芯片內部FLASH RAM中，抗斷電、可隨意更改內容。事先使用MIC將需要播報的語音信息錄制到芯片中，需要播報時再使用MCU調用相應地址數據播報即可[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動8Ω/0.5W的喇叭。

1.5 人機界面電路

設計了4個LED燈用于指示系統的工作狀態，分別指示系統運行狀態、當前警情指示、聲光報警器開啟/關閉、電磁鎖狀態。設計了4個獨立按鍵，用于系統運行/停止、聲光報警功能開啟/關閉、語音播報功能開啟/關閉、強行開門。另外還設計了2個經過TLP521-1光耦隔離的輸入IO，用于連接外部/內部開門開關。

1.6 系統電源電路

系統直接使用220V市電工作，經過一個12V/30W的開關電源輸出12V做為主電源，一路為電磁鎖供電，另一路經過DC-DC電源模塊轉換為5V電壓為系統MCU及其外圍電路供電。電磁鎖吸合瞬間會產生一個尖峰干擾，使用二極管1N4007先隔離濾波后再送給DC-DC模塊。考慮系統工作環境和保證系統的可靠性，使用金升陽的B1205S-2W隔離型DC-DC模塊作為系統的穩壓電源，并使系統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輸出端電容不應超過10uF，避免影響模塊的正常工作[5]。

2 軟件設計

軟件部分使用Keil C51編寫，程序的設計是和硬件相關聯的，實際上在硬件的構思中就已經為軟件規劃了具體流程。系統上電開機運行后，循環掃描地磁線圈的信號和開門開關等按鈕，當檢測到前三個線圈任意一個產生下降沿時，判定為有車輛靠近收費站，系統立即將電磁鎖吸合，語音播報“車輛進入，危險！”，同時吸合聲光報警器。第4個線圈信號出現下降沿，且前三個地磁線圈信號保持高電平不變時，判定車輛已經駛離收費站，自動釋放電磁鎖，語音播報“車輛駛離，安全！”，同時關閉聲光報警器。報警期間亭內人員按開門開關無效，系統將保持電磁鎖的吸合狀態，同時再次語音播報提示。特殊情況下，確認需強制開門時，可按系統控制面板上的“強行開門”按鈕開門，同時語音播報“警告，危險！”。語音播報和聲光報警器功能，可通過控制面板的按鈕選擇靜音模式或正常報警模式，體現人性化設計。外來人員進入亭內時，則只需按一下門外的開門開關，電磁鎖即自動釋放。

3 結束語

本方案設計的高速ETC車道安全提示系統已經在浙江某高速收費站ETC車道安裝并投入使用，安裝使用以來，使用方便、性能可靠、無誤報現象，大大提高了高速收費站工作人員的安全指數，獲得了高速收費站工作人員的好評。

參考文獻

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

[2]董作霖，王建玲.MAX813L在單片機系統中的典型應用[J].河南機電高等專科學校學報，2003，11（4）：56-57.

[3]Avago公司.固態繼電器的選擇和應用[J].世界電子元器件，2008，3：62-63.

[4]楊洪軍，石琳，劉永亮.一種基于單片機的語音錄放電路的設計和實現[J].成都大學學報：自然科學版，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、智能控制系統方面的研究、開發和產品設計。