一种简易不停车收费系统实现

摘 要： 设计了一种简易的不停车收费系统。设计用单片机AT89C52控制无线模块，形成发射机和接收机，实现车辆信息的传递，并通过串口显示在计算机上。采用的nRF24L01无线模块、数字信号编码和二次调制方式之间的加密通信原理，软件设计采用自上而下的模块化设计思想，使系统具有分布式、小型化的特点。测试结果表明，该系统具有抗干扰性强、功耗低、反应速度快、传输效率高和简单的特点。

关键词： 无线通信； AT89C52； nRF24L01； 不停车收费

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0044?03

0 引 言

电子不停车收费系统（ETC）利用车辆自动识别技术完成车辆与收费站之间的无线数据通信，进行车辆自动识别和相关数据的交换，再通过计算机网络进行收费数据的处理，从而实现不停车自动收费[1]。这一技术具有提高高速公路收费站口的通行能力，减少道路阻塞现象、提高行车安全、使公路收费走向电子自动化、减少收费管理的成本等优点。目前，在美国、欧洲、日本等许多发达国家和地区的电子收费系统已经联网并形成规模效益，其明显的社会经济效益具有强大的吸引力。

本文设计并制造了一种基于51单片机的简易ETC系统。携带有各种车辆信息的单片机，通过对独立键盘的控制，实现不同信息的发送。信息将会由特定的编码，通过无线模块和天线发送给接收机，当接收机收到信息后，又通过接收机的单片机控制串口芯片，将接收到的信息显示在上位机上。

1 不停车收费系统的设计

本方案是通过单片机对nRF24L01的无限模块进行控制，编辑nRF24L01的工作模式和编码方式，将信息通过无线模块的天线发射出去，接收机的天线获取信息后再由无线模块传递回单片机，并通过上位机直接显示出车辆信息，并做简单处理。系统框图如图1所示[2]。

1.1 硬件电路设计

硬件电路主要由AT89C52单片机，LED灯，独立键盘，nRF24L01无线集成模块，9针串口（母），MAX232串口控制芯片，供电的干电池组成。本设计选择nRF24L01无线集成模块，主要考虑nRF24L01无线芯片，有自动编码的功能，有较好的抗干扰性，工作频率很高，可以达到2.4 GHz。这样大大缩小了对天线体积的要求，实现电路时可以做到简洁且高效地实现最终功能。

该电路能够实现无线数据和信号的传输。具体设计为字符编码的传输，具体电路包含MCU最小系统电路、电源电路、无线传输电路、显示电路、键盘控制电路几部分构成。该系统整体电路包含两个分开的部分：发送模块电路、接收模块电路。电路图如图2、图3所示[3?4]。

1.1.1 单片机时钟电路

单片机的晶振电路中的电容C1和C2的典型值通常选择30 pF左右，该电容的大小会影响振荡电路频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体振荡频率的范围通常在1.2～12 MHz。晶体的频率越高，系统的时钟频率越快，单片机的运行速度越快。AT89C52常选择振荡频率12 MHz的石英晶体。

1.1.2 单片机复位电路

复位是单片机的初始化操作，只需要给AT89C52的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可以使AT89C52复位。复位时，单片机初始化为0000H，从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行错误（如程序跑飞）或操作错误使系统处于锁死状态时，也需要复位键使RST脚为高电平，使AT89C52摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动。

1.1.3 电源电路

该系统中的无线模块要用3.3 V电源供电，而单片机的需要5 V供电，所以需要加个稳压芯片这里采用HT7133进行稳压处理。把5 V稳降至3.3 V来供给无线传输模块使用。经测试完全满足各器件的运行要求。

1.1.4 无线传输电路

无线传输电路通过nRF24L01进行传递，它可以进行无线收发，但只能进行半双工传递方式，因而其收发电路的接线方式是相同的。

1.1.5 按键控制电路

由于本设计中，预设的按键数量不多，所以采用独立键盘，由单片机I/O口直接控制。每个按键代表一辆车的信息卡，通过检测按键是否按下，来确定是否有车辆通过，而按下的按键，则代表通过的车辆信息。

1.1.6 上位机控制电路

上位机控制电路主要是为了完成对文字的控制，因为上位机即计算机是最常使用的设备，而且操作过程实用方便，因此采用上位机进行控制。上位机采用VC进行程序的编写，最终完成系统功能。

1.2 程序设计

软件编程主要实现对单片机和无线模块的控制，实现无线模块的模式设置和信息发送，还有时钟电路等的控制，并最终实现无差错的传输车辆信息。

利用KEIL软件编写C语言程序，控制发射机和接收机核心系统单片机89C52芯片，使芯片进一步控制nRF24L01无线模块进行无线数据的通信，实现车辆信息在两个模块之间的传输。主要包括：无线模块的定义及初始化，I/O口分配的程序编写，LED灯程序控制，独立键盘程序控制，无线模块收发模式控制，无线模块收发信息的控制，串口控制程序、上位机编写等。

程序总体设计流程图如图4所示，主程序构成无限循环，主要完成单片机初始化，按键检测，按键处理，延时，待机等待的状态显示等功能[5]。

图4 程序总体设计流程图

1.2.1 按键控制子程序

按键主要用于人机界面的输入，按键子程序主要用于按键的检测。由于综合考虑按键硬件去抖动成本要比软件去抖动成本高很多，因此电路采用软件去抖。其过程如图5所示。

1.2.2 无线模块控制程序

nRF24L01自动应答机制为ENAA=1时，nRF24L01进入自动应答机制。Prim?RX配置其处于Prim TX或Prim RX。自动应答机制分为PTX（发射源）和PRX（接收源）两种：PTX是主动发送后等待应答，PRX是等待应答后被动发送。

例如一个nRF24L01配置为PTX，另一个设为PRX，二者就可以自动通信。

Prim TX mode下无线模块控制程序框图如图6所示。

1.2.3 上位机编写

用VC++软件编写上位机，使由单片机串口发送来的数据可以显示在上位机上，并进行简单的处理[6]。

2 系统实现效果

该不停车收费系统所实现的功能如图7所示，其无线模块收发机实物图如图8所示。

系统设计完成后，通过编程后下载到单片机中对系统功能进行了调试。结果证明，该系统能满足设计要求。调试结果效果图如图9所示[7]。

3 结 论

本设计从经济实用的角度出发，采用美国Atmel公司的单片机AT89S52与nRF24L01作为主控芯片与无线收发单元，结合的键盘输入、LED显示等电路并用C语言编写主控芯片的控制程序，实现了一款可以实现无线收发车辆信息的硬件系统，设计完全可以达到设计目地，且有一定的拓展性。使用单片机制作的接收机和发射机具有软硬件设计简单，易于开发，成本较低，安全可靠，操作方便等特点，实现了ETC车道所用的功能上的模拟。

不过，本设计实现的功能较为单一，存储的信息量有限，而真正的不停车收费系统管理，有强大的数据库作为支撑，可以进行大量信息的交流，并具有很强的抗干扰能力，还能通过网络实现收费。所以本设计只是实现了强大的不停车收费系统的硬件平台的模拟[8]。

参考文献

[1] 廉飞宇，范伊红，张元. ETC电子不停车收费的技术研究[J].计算机工程与应用，2007，43（5）：204?207.

[2] 王晓峰，张致恒，张波，等.基于nRf2401的高速路不停车收费系统[J].电力学报，2009，24（5）：431?433.

[3] 李后上，康敏，傅秀清.应用RFID的数控刀具识别系统设计与实现[J].现代制造工程，2011（5）：32?38.

[4] 房泽平.基于双MCU和nRF2401的无线传感器网络系统[J].自动化仪表，2009，30（8）：25?27.

[5] 刘晓红，何永洪.基于nRF2401的无线数据通信系统[J].电视技术，2008，32（z1）：212?218.

[6] 丁永红，孙运强.基于nRF2401的无线数传系统设计[J].国外电子测量技术，2008，27（4）：45?47.

[7] 辛洁，孙运强，张伦.基于ATmega16和nRF2401的无线射频收发系统设计[J].电子测试，2009（4）：60?64.

[8] 张煜，葛海波.基于nRF2401的跳频无线传输系统的实现[J]. 西安邮电学院学报，2009，14（5）：27?31.