【《基于车牌识别的小区车辆管理系统的硬件和软件设计案例》5100字】

基于车牌识别的小区车辆管理系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u271681、系统硬件电路设计 1169131.1硬件选择分析 179241.2系统总体结构 2262581.3主控最小系统电路设计 339891.1.1时钟电路 312581.1.2复位电路 4174081.4摄像头电路设计 463831.5激光传感器电路设计 5218221.6舵机控制电路设计 5230171.7电源电路设计 677662、系统软件设计 672192.1系统软件运行流程 6148102.2.1激光测距模块控制程序 7289602.2.2OpenMV的图像采集与识别程序 8227342.2.3舵机控制程序 9324292.2.4语言模块与蜂鸣器输出程序 997373、系统调试与运行测试 1056303.1系统调试 10166893.2系统运行测试 1117433.3系统识别成功率测试 131、系统硬件电路设计1.1硬件选择分析本次基于车牌识别的小区车辆管理系统，涉及到图像识别运算以及激光、舵机以及语音电路的控制，系统的实时性和运行速度至关重要，从系统的性能和成本考虑，有以下两个方案可供选择：方案一：把STM32C256CET6单片机作为主控制器，采用OV7670摄像头有效采集图像数据的进行，将采集到的RGB格式的图像数据送入主控制器进行车牌识别操作，同时通过主控的IIC接口驱动激光传感器，进行距离检测，使用定时器驱动蜂鸣器进行报警。方案二：采用STM32F765单片机+OPENMV图像采集处理器的双处理器的系统架构，其中OPENMV图像采集处理器负责图像的采集与车牌识别操作，将识别到的车牌信息传给主控制器，主控制器无需参与车牌识别中的大数据量运算，而只需专注与激光测距传感器、语言模块以及报警模块在内的整体的电路控制。方案三：采用FPGA作为主控制器，通过摄像头采集图像数据，在FPGA中完成车牌识别、舵机控制、激光测距传感器等电路的控制。在上述三种方案中，每种方案均能够实现所需的车辆车牌检测与管理功能。其中，方案一所需的成本最低，STM32F103ZET6拥有多达144个外部IO引脚，足够满足本次系统设计的需求。该方案的缺点时F103主控制器主频最高为72MHZ，在大分辨率图像采集与处理过程中，图像的实时性不佳，系统整体的识别速度较慢。方案二采用了双处理器核心架构的设计，其中OPENMV图像采集处理器采用STM32H750单片机作为图像处理单元，其主频可达480MHZ，其配套的软件IDE提供丰富的CNN卷积神经网络示例程序，十分有利于车牌识别的操作，方案三采用FPGA作为主控制器，进行图像的采集与识别处理，FPGA具有并行运算的结构特点，在图像处理方面十分有优势，但其硬件描述语言开发难度较大，而且FPGA的成本远高于单片机。综合以上的分析，方案一虽然成本低廉，但其识别的实时性较慢。方案三虽然性能卓越，但开发难度大且硬件成本较高，而方案二作为二者的折中，既可以实现较快的图像采集与车牌识别功能，系统整体的成本也不算太高，因此选择方案二作为本系统的设计方案。1.2系统总体结构系统总体的结构如图9所示，本系统采用了STM32F765主控制器+OpenMV图像采集识别处理模块构成的双处理核心架构，其中，激光测距模块用于检测是否由车辆到来，OpenMV图像处理模块负责采集和识别车牌号信息，在该处理模块中运行Python代码，实现车牌图像的采集与车牌定位、模板匹配等算法，并且将识别到的车牌信息通过串口发送给STM32F765主控制器。TF卡存储器负责存储车牌号数据。主控制器负责将串口接收到的车牌信息与TF卡内的车牌库进行检索操作，同时驱动舵机、语言模块以及蜂鸣器模块等电路。图9系统总体结构框图1.3主控最小系统电路设计在这次设计，我们选用STM32F765单片机作为主控制器，而这个最小系统包含STM32F765MCU、复位、时钟、TF卡接口、以及电源输入接口电路等。最小系统的原理图如下图10所示。图10主控制器最小系统电路1.1.1时钟电路STM32F765VIT6微型处理器内部自带时钟，但为了使时钟统一方便整体控制，我们选择外部时钟电路，用无源晶振产生时钟电路。在本文中我们选用12MHz的标准无源晶振作为全部模块的标准时钟，如图11所示。图11晶振电路1.1.2复位电路致力于让这次设计的调试更加得方便，能够在系统运行得不稳定时及时止损，还特地设置了复位电路，一经发现系统不稳定，就可以使CPU和各个部件立马恢复到初始的状态。本次设计涉及到两个所学的电路，分别是按键复位和上电复位电路。上电复位电路是由电解电容，电解电源等组成，完全使用电容阻止流通交流的特点，使得单片机在上电初仍保持短暂的低电平状态；按键复位电路是由三部分构成，分别是电阻、电容和按键，单片机的RST是它的接口。复位电路里的电容器起初是没有供电的，当供电之后，电源部分会给电容器部分供上相应的电量，随后电容器左右端的电压会进而产生一定的转化，此时电阻的左右端的电压会几乎贴近于0V，并使RST引脚处于一个低电平状态，因此系统才会照常工作运行。当复位按钮被按下以后，相当于电路导通，电容从两端放电，电容电压返回到0V，电阻两端电压升高，RST引脚变为高电平，单片机系统自动复位。按键复位电路如图12所示。图12按键复位电路1.4摄像头电路设计本次使用图像采集处理模块时OpenMV模块，该模块的摄像头型号是OV7725，较适用于图像的采集，且此型号的摄像头能够实现把图像采集更加迅速地实现。为了方便将硬件二值化且将图像进行二值化处理和数据采集，需要在寄存器转换级电路的基础上进行，这其中一个字节代表一个点，八条数据线相当于需要一个字节的信号，而1是暗的意思，0 是亮的意思，一个字节既可以代表八个像素点（但非传统产品的一个像素的灰度只代表每一个字节），这样不仅极大提升了传输效率，而且减少了主控制器的工作量和传输量，令图像采集速度倍增。摄像头电路如图13所示。图13摄像头识别电路图1.5激光传感器电路设计激光传感器主要利用激光传感器对激光光束往返时间的计算，推算出当前的距离，同样适用I2C协议与单片机进行数据交换，接口电路如图14所示。图14激光传感器接口电路图1.6舵机控制电路设计本次主要使用了舵机，因为伺服电机本身具有的一个功能是发出脉冲，因此在此功能的基础上，舵机实现位移就靠它旋转的角度能否同时接收到脉冲。如果伺服电机接收的，同位置的，或者闭环电路的脉冲得到响应，那伺服电机脉冲的数量是可以确切知道的，也可以知道系统什么时候，会发送多少脉冲给伺服电机。也就说，这样就很方便准确地操控电机的转动，并且形成一个较为精准的定位，可以达到0.001毫米。闸门控制更为精准，主要通过PWM波进行控制，因此接口电路如图15所示。图15舵机接口电路图1.7电源电路设计本次课题设计的基于车牌识别的小区车辆管理系统中的大部分是由5V电压供电，但由于家用电源或者平常使用的电源都是220V交流电源，因此需要对应的转压模块，从日常生活中考虑，目前手机充电器的输出电压一般都为5V直流电压，且内部电路做得较为稳定，能够符合本次所需要的电源电压要求，因此选用插头加USB线作为本次设计的供电来源，虽然USB充电线输出的电压较为稳定，但到了电路中，由于电路元器件的影响，会产生各种杂波，因此需要在电源端加入对应滤波电路，避免杂波影响到电源输出的稳定性。同时由于有一些模块的最佳供电电压为2.8V，因此需要对应的降压电路来对输入电压进行压降，本次选用BD33IA芯片来对输入电压进行压降，压降后经过同样的电容滤波电路过滤高频低频，此方案设计电路较为简单，且输出电压较稳定，其设计电路如图16所示。图16电源电路图2、系统软件设计2.1系统软件运行流程系统运行流程如图17所示。图中系统起初是处于一个初始化的状态的，这其中包含定时器、系统时钟、定时器、TF卡等的初始化流程，如果进入了待机状态，那么表示已经完成了初始化，通过激光传感器来检测车辆是否到来，为使该系统能自动识别车辆，需要让车辆与摄像头保持良好的距离，使得摄像头对车辆进行有效采样。采样后，单片机会处理之前采集到的相对应的数据，同时对比和比较数据库中的模板和模型，如果成功比对，则启动电机打开栏杆并播放语音。若比对不成功则通过语言进行播报，同时驱动蜂鸣器发出警报。图17系统运行流程图2.2.1激光测距模块控制程序VL53L0X激光测距模块程序设计包括主控制器时钟初始化、IIC外设接口初始化以及定时器初始化等步骤。激光测距程序流程如图18所示。当主控制完成时钟与外设的初始化之后进入距离采集程序，主控制器通过IIC接口每隔50ms进行一次距离数据的读取，同时判断距离是否小于检测阈值。本次设计中，阈值的设置与摄像头的焦距有关，为了使OpenMV更清楚地采集车牌画面，将阈值设置在了10cm。当距离小于此阈值时发出检测触发信号唤醒OpenMV进行车辆画面的采集与识别操作。图18激光测距流程图2.2.2OpenMV的图像采集与识别程序在设计中，采用OpenMV图像采集和识别模块进行车牌图像的采集与识别，OpenMV采用Python语言进行编程，并且提供了车牌识别的相关函数库，可以方便地进行车牌的采集和识别功能。在Pyhthon程序设计中，首先进行OpenMV的系统时钟初始化，之后进行摄像头的初始化，初始化程序结束后进入待机模式，等待外部触发信号到了，当触发信号到了时，进行车辆图像的采集，并且执行车牌定位、字符提取以及模板匹配算法程序，最后将识别出的车牌号通过串口发送到主控制器进行车牌检索。OpenMV的图像采集与识别程序流程如图19所示。。图19OpenMV图像采集与识别程序流程2.2.3舵机控制程序在本设计中，使用舵机开控制打开栏杆的开合，当识别到来车牌号为本小区已登记车牌时，栏杆打开放行本小区车辆，对于非本小区车辆进入本小区时栏杆闭合，需要保安人员确认后手动控制打开后放行车辆。舵机控制程序流程如图所示。其中，主控制器在完成初始化程序后进入等待状态，当主控制将检测到的车牌与本地车牌库进行比对后，如果结果为已登记车牌时，控制舵机打开栏杆，当结果为未登记车牌时，栏杆保持闭合状态，保安人员确认登记处理后通过控制按钮打开栏杆进行放行，舵机控制程序流程如图20所示。图20舵机控制程序流程图2.2.4语言模块与蜂鸣器输出程序当主控制器完成识别的车牌号与TF卡中的车牌库的对比后，根据对比的结果控制语言模块和蜂鸣器进行工作。当对比结果显示车牌号为库中的车牌时，主控制器驱动语言模块进行放行播报，此时蜂鸣器不工作。当对比结果显示车牌号为非库中车牌时，主控制器通过定时器产生PWM波驱动蜂鸣器发声进行报警。语言模块与蜂鸣器的输出端程序流程如图21所示。图21语言提示和蜂鸣器报警端程序图5、系统调试与运行测试3.1系统调试硬件设计和软件设计的步骤完成之后，须要将本次设计的系统进行一个软件程序和硬件电路的进行调试。其中，系统的硬件调试包括系统上电、复位检测，确保系统硬件正常运行之后再进行软件的调试。系统的软件调试包括OpenMV车牌图像采集与识别调试、激光传感器测距调试、TF卡读写调试、语言模块以及蜂鸣器运行调试等。在本系统的调试过程中，首先使用OpenMVIDE开发软件进行车牌采集与识别的Python程序的，之后使用Keil软件进行主控制器的控制部分C语言程序编写，设置OpenMV与主控制器之间的UART串口通信波特率为9600bps。本系统的OpenMVIDE和Keil调试窗口分别如下图22和图23所示。图22OpenMVIDE软件调试窗口图23Keil软件调试窗口3.2系统运行测试做完系统的硬件和软件的调试后，对系统的硬件的连线，组装，焊接等步骤弄完之后如图24所示。图24系统组装图系统组装完毕后，开始对本设计所制作的基于车牌识别的小区车辆管理系统进行了功能测试，如图25所示。图25系统运行测试图在系统上电之后，主控制器进行激光传感器的初始化程序，之后进入检测待机状态，当激光模块测得距离小于阈值时，唤醒主控制器，同时触发OpenMV进行来车的车牌检测与识别操作，并且将识别的车牌号通过串口发送给主控制器，主控制器将车牌号与本地库中的车牌进行检索对比并且根据检索比对结果进行相应的操作。首先对本小区的已登记车牌辆检测，打开一幅车牌图像，将识别装置拿起来对着图像，当距离图像大于10cm时，系统不进行识别和相应动作，将装置靠近图像且距离小于10cm时，设备成功识别车牌并且舵机打开栏杆，打开栏杆动作测试如图26所示 （a）（b）图26本小区内车牌识别动作测试图，（a）栏杆初始状态；（b）栏杆打开状态；