麻志濱　徐安然　張敏

摘 要： 設(shè)計了一種簡易的不停車收費系統(tǒng)。設(shè)計用單片機AT89C52控制無線模塊，形成發(fā)射機和接收機，實現(xiàn)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(shù)字信號編碼和二次調(diào)制方式之間的加密通信原理，軟件設(shè)計采用自上而下的模塊化設(shè)計思想，使系統(tǒng)具有分布式、小型化的特點。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有抗干擾性強、功耗低、反應(yīng)速度快、傳輸效率高和簡單的特點。

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

中圖分類號： TN911?34 文獻標(biāo)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(tǒng)（ETC）利用車輛自動識別技術(shù)完成車輛與收費站之間的無線數(shù)據(jù)通信，進行車輛自動識別和相關(guān)數(shù)據(jù)的交換，再通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行收費數(shù)據(jù)的處理，從而實現(xiàn)不停車自動收費[1]。這一技術(shù)具有提高高速公路收費站口的通行能力，減少道路阻塞現(xiàn)象、提高行車安全、使公路收費走向電子自動化、減少收費管理的成本等優(yōu)點。目前，在美國、歐洲、日本等許多發(fā)達國家和地區(qū)的電子收費系統(tǒng)已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)并形成規(guī)模效益，其明顯的社會經(jīng)濟效益具有強大的吸引力。

本文設(shè)計并制造了一種基于51單片機的簡易ETC系統(tǒng)。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(xiàn)不同信息的發(fā)送。信息將會由特定的編碼，通過無線模塊和天線發(fā)送給接收機，當(dāng)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(tǒng)的設(shè)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(fā)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(tǒng)框圖如圖1所示[2]。

1.1 硬件電路設(shè)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(shè)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(xiàn)電路時可以做到簡潔且高效地實現(xiàn)最終功能。

該電路能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)和信號的傳輸。具體設(shè)計為字符編碼的傳輸，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(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(fù)位電路

復(fù)位是單片機的初始化操作，只需要給AT89C52的復(fù)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(fù)位。復(fù)位時，單片機初始化為0000H，從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)程序運行錯誤（如程序跑飛）或操作錯誤使系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)時，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。

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，而單片機的需要5 V供電，所以需要加個穩(wěn)壓芯片這里采用HT7133進行穩(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(fā)，但只能進行半雙工傳遞方式，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)計中，預(yù)設(shè)的按鍵數(shù)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(shè)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(tǒng)功能。

1.2 程序設(shè)計

軟件編程主要實現(xiàn)對單片機和無線模塊的控制，實現(xiàn)無線模塊的模式設(shè)置和信息發(fā)送，還有時鐘電路等的控制，并最終實現(xiàn)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(fā)射機和接收機核心系統(tǒng)單片機89C52芯片，使芯片進一步控制nRF24L01無線模塊進行無線數(shù)據(jù)的通信，實現(xiàn)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(fā)模式控制，無線模塊收發(fā)信息的控制，串口控制程序、上位機編寫等。

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

圖4 程序總體設(shè)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(yīng)答機制為ENAA=1時，nRF24L01進入自動應(yīng)答機制。Prim?RX配置其處于Prim TX或Prim RX。自動應(yīng)答機制分為PTX（發(fā)射源）和PRX（接收源）兩種：PTX是主動發(fā)送后等待應(yīng)答，PRX是等待應(yīng)答后被動發(fā)送。

例如一個nRF24L01配置為PTX，另一個設(shè)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(fā)送來的數(shù)據(jù)可以顯示在上位機上，并進行簡單的處理[6]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)效果

該不停車收費系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能如圖7所示，其無線模塊收發(fā)機實物圖如圖8所示。

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

3 結(jié) 論

本設(shè)計從經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，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(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，實現(xiàn)了一款可以實現(xiàn)無線收發(fā)車輛信息的硬件系統(tǒng)，設(shè)計完全可以達到設(shè)計目地，且有一定的拓展性。使用單片機制作的接收機和發(fā)射機具有軟硬件設(shè)計簡單，易于開發(fā)，成本較低，安全可靠，操作方便等特點，實現(xiàn)了ETC車道所用的功能上的模擬。

不過，本設(shè)計實現(xiàn)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(tǒng)管理，有強大的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)收費。所以本設(shè)計只是實現(xiàn)了強大的不停車收費系統(tǒng)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(shù)研究[J].計算機工程與應(yīng)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(tǒng)[J].電力學(xué)報，2009，24（5）：431?433.

[3] 李后上，康敏，傅秀清.應(yīng)用RFID的數(shù)控刀具識別系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].自動化儀表，2009，30（8）：25?27.

[5] 劉曉紅，何永洪.基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2008，32（z1）：212?218.

[6] 丁永紅，孫運強.基于nRF2401的無線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，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(fā)系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的實現(xiàn)[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報，2009，14（5）：27?31.

1.2.2 無線模塊控制程序

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

例如一個nRF24L01配置為PTX，另一個設(shè)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(fā)送來的數(shù)據(jù)可以顯示在上位機上，并進行簡單的處理[6]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)效果

該不停車收費系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能如圖7所示，其無線模塊收發(fā)機實物圖如圖8所示。

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

3 結(jié) 論

本設(shè)計從經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，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(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，實現(xiàn)了一款可以實現(xiàn)無線收發(fā)車輛信息的硬件系統(tǒng)，設(shè)計完全可以達到設(shè)計目地，且有一定的拓展性。使用單片機制作的接收機和發(fā)射機具有軟硬件設(shè)計簡單，易于開發(fā)，成本較低，安全可靠，操作方便等特點，實現(xiàn)了ETC車道所用的功能上的模擬。

不過，本設(shè)計實現(xiàn)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(tǒng)管理，有強大的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)收費。所以本設(shè)計只是實現(xiàn)了強大的不停車收費系統(tǒng)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(shù)研究[J].計算機工程與應(yīng)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(tǒng)[J].電力學(xué)報，2009，24（5）：431?433.

[3] 李后上，康敏，傅秀清.應(yīng)用RFID的數(shù)控刀具識別系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].自動化儀表，2009，30（8）：25?27.

[5] 劉曉紅，何永洪.基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2008，32（z1）：212?218.

[6] 丁永紅，孫運強.基于nRF2401的無線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，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(fā)系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的實現(xiàn)[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報，2009，14（5）：27?31.

1.2.2 無線模塊控制程序

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

例如一個nRF24L01配置為PTX，另一個設(shè)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(fā)送來的數(shù)據(jù)可以顯示在上位機上，并進行簡單的處理[6]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)效果

該不停車收費系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能如圖7所示，其無線模塊收發(fā)機實物圖如圖8所示。

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

3 結(jié) 論

本設(shè)計從經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，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(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，實現(xiàn)了一款可以實現(xiàn)無線收發(fā)車輛信息的硬件系統(tǒng)，設(shè)計完全可以達到設(shè)計目地，且有一定的拓展性。使用單片機制作的接收機和發(fā)射機具有軟硬件設(shè)計簡單，易于開發(fā)，成本較低，安全可靠，操作方便等特點，實現(xiàn)了ETC車道所用的功能上的模擬。

不過，本設(shè)計實現(xiàn)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(tǒng)管理，有強大的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)收費。所以本設(shè)計只是實現(xiàn)了強大的不停車收費系統(tǒng)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(shù)研究[J].計算機工程與應(yīng)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(tǒng)[J].電力學(xué)報，2009，24（5）：431?433.

[3] 李后上，康敏，傅秀清.應(yīng)用RFID的數(shù)控刀具識別系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].自動化儀表，2009，30（8）：25?27.

[5] 劉曉紅，何永洪.基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2008，32（z1）：212?218.

[6] 丁永紅，孫運強.基于nRF2401的無線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，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(fā)系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的實現(xiàn)[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報，2009，14（5）：27?31.