高速ETC车道安全提示系统的设计

付忠亮 黄忠毅 叶雨

摘 要：介绍一种高速ETC车道安全提示系统的设计。采用隔离型DC-DC电源模块供电，以W78E58B为核心微控制器，地磁线圈信号经TLP521光耦隔离后送往MCU的I/O口，当车辆靠近时地磁线圈产生下降沿脉冲信号，系统检测到后控制MOS管IRF540导通，吸合收费亭门上的电磁锁，并通过固态继电器闭合声光报警器进行报警；同时使用ISD4002语音芯片设计了一个语音播报提醒电路，提供人性化的播报功能。设计中充分考虑了电磁干扰的影响，保证了系统的长期可靠稳定运行。

关键词：ETC；电磁锁；语音提示；声光报警

引言

电子不停车收费系统（ETC）作为高速公路创新收费方式、提升信息化水平的重要举措，有效解决了收费站交通拥堵问题，为广大ETC客户提供了方便、快捷、舒适的出行体验。同时由于通过ETC车道的车辆无需停车，一般车速都较快，给现场工作人员带来了一定的安全隐患。近年来全国各地已发生过多起ETC车道人员伤亡事故[1]。为了提高收费站工作人员的安全，设计一种高速ETC车道安全提示系统显得十分必要和迫切。高速ETC车道安全提示系统，利用车道上现有的用于门栏升降信号控制的地磁线圈作为车辆检测传感器单元。系统通过检测此地磁线圈感应信号，判断是否有车辆靠近或驶离收费口。偌检测到车辆靠近信号，系统立即将收费亭门上的电磁锁吸合，阻止亭内工作人员的开门动作；并语音播报提示有车辆靠近，同时拉响收费亭外的的声光报警器，提醒车道附近其他人员避让车辆。当车辆驶离收费口时，系统将自动关闭报警器并释放电磁锁，工作人员可进出收费亭。整个系统不会对收费人员工作和车辆通行造成干扰。

1 硬件设计

系统主要包括微控制器单元、地磁线圈检测单元、电磁锁和声光报警器单元、语音播报单元、人机界面单元、系统电源单元。硬件主要框图见图1。

1.1 微控制器其相关电路

微控制器选用华邦公司生产的W78E58B，是一款带ISP功能的Flash EPROM的低功耗8位MCU，性价比高，且抗干扰性强，被广泛应用于工业现场。也是设计时选择其的主要原因。它的指令集同标准8052指令集完全兼容，包含32K的主ROM和4K的辅助ROM，3个16位定时/计数器，8个中断源。使用MAXIM公司的MAX813作为上电复位芯片和硬件看门狗电路，当系统超时未执行喂狗指令时，将重新复位MCU，确保系统长期运行的安全性与可靠性[2]。

1.2 地磁线圈信号检测电路

高速ETC车道每个通道地面都安装有4个地磁线圈，用于通道门栏的升起和降下控制。系统借用这4个地磁线圈的感应信号可判断当前是否有车辆驶入收费ETC车道。前3个地磁线圈用于车辆驶入检测，第4个线圈用于车辆驶出检测。地磁线圈感应到车辆时输出高电平，将对应连接的光耦导通，光耦输出端将产生一个下降沿信号，MCU通过检测该下降沿信号，即可判断出当前车辆情况以及位置信息。

1.3 电磁锁和声光报警器驱动电路

采用一个N沟道的MOS管IRF540驱动电磁锁。当ETC车道有车辆进入时，电磁锁立即吸合阻止人为开门动作。选用12V/500N的电磁锁，吸合状态时一般人正常情况下根本无法拉开门。单片机I/O口输出后先经光耦TP521-1隔离，再连接到MOS管RF540的G极，S极接地，D极跟电磁锁的负极连接，电磁锁正极连接到12V电源正极上。电磁锁属于感性负载，关断瞬间会产生反向感应电动势，在电磁锁线圈两端并联了一个由瞬态抑制二极管P6KE30和硅二极管BYV26C组成的吸收电路可有效减低该反向尖峰毛刺。

声光报警电路，安装于收费亭外，用于提示车道中可能正横穿通道的其他人员避让车辆。考虑室外布线方便，使用220V交流供电的户外型声光报警器，直接安装在收费亭的屋顶上，警报声响亮、警灯闪烁清晰可见。报警器使用固态继电器控制，经光耦隔离后接到单片机的IO口上。固态继电器与一般的机电继电器比较具有驱动电路小、反应速度快、使用寿命长等优点[5]。

图2为电磁锁和声光报警器驱动电路。

图2 电磁锁及声光报警器驱动电路

1.4 语音提示电路

图3为语音提示电路。美国ISD公司生產的单片语音录放电路ISD40020-120P，采用直接模拟量贮存技术，音质好，信息存放在芯片内部FLASH RAM中，抗断电、可随意更改内容。事先使用MIC将需要播报的语音信息录制到芯片中，需要播报时再使用MCU调用相应地址数据播报即可[4]。T1为音频隔离变压器，可将语音信号与外部功放电路电气隔离。LM386组成的功放电路可以直接驱动8Ω/0.5W的喇叭。

1.5 人机界面电路

设计了4个LED灯用于指示系统的工作状态，分别指示系统运行状态、当前警情指示、声光报警器开启/关闭、电磁锁状态。设计了4个独立按键，用于系统运行/停止、声光报警功能开启/关闭、语音播报功能开启/关闭、强行开门。另外还设计了2个经过TLP521-1光耦隔离的输入IO，用于连接外部/内部开门开关。

1.6 系统电源电路

系统直接使用220V市电工作，经过一个12V/30W的开关电源输出12V做为主电源，一路为电磁锁供电，另一路经过DC-DC电源模块转换为5V电压为系统MCU及其外围电路供电。电磁锁吸合瞬间会产生一个尖峰干扰，使用二极管1N4007先隔离滤波后再送给DC-DC模块。考虑系统工作环境和保证系统的可靠性，使用金升阳的B1205S-2W隔离型DC-DC模块作为系统的稳压电源，并使系统核心控制部分与外部电气隔离，有效避免受外部电气的干扰。DC-DC输出端电容不应超过10uF，避免影响模块的正常工作[5]。

2 软件设计

软件部分使用Keil C51编写，程序的设计是和硬件相关联的，实际上在硬件的构思中就已经为软件规划了具体流程。系统上电开机运行后，循环扫描地磁线圈的信号和开门开关等按钮，当检测到前三个线圈任意一个产生下降沿时，判定为有车辆靠近收费站，系统立即将电磁锁吸合，语音播报“车辆进入，危险！”，同时吸合声光报警器。第4个线圈信号出现下降沿，且前三个地磁线圈信号保持高电平不变时，判定车辆已经驶离收费站，自动释放电磁锁，语音播报“车辆驶离，安全！”，同时关闭声光报警器。报警期间亭内人员按开门开关无效，系统将保持电磁锁的吸合状态，同时再次语音播报提示。特殊情况下，确认需强制开门时，可按系统控制面板上的“强行开门”按钮开门，同时语音播报“警告，危险！”。语音播报和声光报警器功能，可通过控制面板的按钮选择静音模式或正常报警模式，体现人性化设计。外来人员进入亭内时，则只需按一下门外的开门开关，电磁锁即自动释放。

3 结束语

本方案设计的高速ETC车道安全提示系统已经在浙江某高速收费站ETC车道安装并投入使用，安装使用以来，使用方便、性能可靠、无误报现象，大大提高了高速收费站工作人员的安全指数，获得了高速收费站工作人员的好评。

参考文献

[1]施雪飞.ETC车道交通安全现状及对策分析[J].电子世界，2013，16：209.

[2]董作霖，王建玲.MAX813L在单片机系统中的典型应用[J].河南机电高等专科学校学报，2003，11（4）：56-57.

[3]Avago公司.固态继电器的选择和应用[J].世界电子元器件，2008，3：62-63.

[4]杨洪军，石琳，刘永亮.一种基于单片机的语音录放电路的设计和实现[J].成都大学学报：自然科学版，2008，1：62-65.

[5]http：//www.mornsun.cn/.

作者简介：付忠亮（1985-），男，浙江省龙泉市人，浙江毅力汽车空调有限公司，在职研究生，助理工程师，主要从事检测仪表、智能控制系统方面的研究、开发和产品设计。