基于STM32F103RCT6车牌识别系统

引言随着当前我国的特色社会主义市场经济的快速健康发展,人民基层群众财产生活质量物质生产水平的不断稳步增长提高,私人公共场所以及拥有或者使用小型机动车辆的工作人员及其数量迅速不断扩大增加,汽车自动化的普及已经成为必然趋势。因此,只有加强道路交通建设和推进现代化交通管理齐头并进,大力发展现代智能交通系统,才能更有可能真正地有效解决日益严重的道路交通安全问题。车辆驾驶牌照图像识别(LPR)处理技术目前是我国智能交通系统设计中的一个重要环节,在智能交通路况监视和车辆控制中一直占据着非常重要的技术地位。车牌照指纹识别的新技术目前己经越来越多的受到现代人们的高度重视。车牌手机牌照识别系统的主要目的之一是在手机车辆牌照图像中自动准确定位车辆牌照认证位置并准确识别车辆牌照认证号码,是数字图像处理与模式识别结合技术的一种典型综合应用。基于图像预处理技术的车牌识别的研究在国外早就开始了，但是我国对车牌自动识别的研究比较晚，大约在80年代末。20世纪90年代后期，随着我国的发展导致汽车数量的急剧增加，车牌识别技术的应用范围也越来越大，所以现在车牌识别技术成为热门的研究课题。国内自主研究的产品的车牌识别率大多在90%以上，虽然很多产品的识别率都比较高，但这些车牌识别系统获取牌照时对环境要求较高，在一些环境复杂的地方识别率比较低，存在识别精度低、识别时间过长等不足，所以我国的研究的车牌自动识别技术还有很大的上升空间。研究课题主要研究使用的设备是一个带有TFT的OV7670摄像头让它去自动采集当前车牌图片信息,当前的车牌信息锁定成功后会不断有一个声音进行提示,STM32为一个主控控制芯片,来分别负责车牌数据的采集处理,最后将当前采集的车牌图片信息通过进行二值化数据分析、识别当前车牌显示区域、字符符号分割、字符符号匹配等多个步骤,最后可以获得当前车牌的正确识别位置信息,并通过一个TFT的实时图像显示当前所在摄像头上采集的所有车牌识别信息。识别成功后会进入计费页面,按下K2界面则返回识别界面,再按下K1后进入计费界面。并通过TFT实时显示当前摄像采集的车牌信息。识别成功后会进入计费页面,按下K2界面则返回识别界面,再按下K1后进入计费界面。系统设计采用5v直流电源通过5vAMS1117芯片通过转换功率为3.3v直流电压为整个电控系统进行供电。最后完成对整个系统功能实现。具体流程如下图1所示。图1车牌识别流程图一、系统的整体研究方案（一）系统的整体设计方案本课题研究的基于STM32F103RCT6车牌识别系统主要通过带有FIFO的OV7670摄像头去采集车牌信息,STM32芯片来负责进行对数据的处理,最后将获得车牌的识别信息,并通过TFT实时显示当前摄像采集的车牌信息。系统主要组成包含控制硬件和系统软件两个几大块,硬件主要以系统设计的几个组成部分模块加上去分别进行的来介绍,如主控电源模块,主控控制模块,图像数据采集处理模块,TFT图像显示处理模块,声光图像提示处理模块等,软件这一部分以用于图像采集处理的几个部分的来进行分别的来介绍,如一维图像数据采集处理程序,二维数值化图像处理程序,识别好的车牌显示区域,以及进行字符串的分割和其他字符串的匹配。车牌识别系统的整体框图如下图2：图2车牌识别系统框图（二）单片机选型方案方案一:STM32具有高性能、低功耗，引脚与IO口的不同型号之间区别很大其中STM32F103ZET6型号包含144引脚、112个IO口，IO口采用2—3.6来供电。而STM32F103RCT6型号仅有64个引脚和51个IO口，24个定时器。就是因为它的性能强大,所以大部分的人会选择它。方案二:DSP经常用于处理数字信号，集成度高，运算快，可以在接收模拟信号的时候还可以将模拟信号转换为数字信号。所以在运算能力上强于其它的。而且DSP对使用的要求较低，受其它方面的影响小。但是它的缺陷在于必须要进行模数转换而且采样频率范围会有一定的限度。方案三:STC89C52单片机低成本，低功耗，内部包含一整套位处理器，可以对特殊功能寄存器的某位直接进行置位、清零。可在0Hz静态逻辑下进行操作，尤其是断电后，RAM中内容还可以被保存。本次设计的相关功能，因为设计对芯片的性能要求较高，所以相比较而言STM32会更适合。所以选择STM32为主控。（三）显示模块方案方案一:LED数码管通常用来显示数字、符号，由七个LED小灯的8字形组合，控制每个灯的亮灭来显示需要显示的字符，数码管的工作电流位3-10mA，最大承受电流为30mA。优点是显示清晰，售价低，但缺点也很明显，占用I/O口资源较多。方案二:LCD1602液晶主要用来显示数字、字母或特定的符号、图形。而且体积和质量比较小，对I/O口的占用资源较少，驱动的程序也相对简单。方案三：TFT-LCD为2.8英寸的TFT-LCD屏，尺寸大小为50*69.2*2.4mm，分辨率为240*320能够满足车牌信息的显示和识别结果展示。TFT-LCD共有34个引脚，其1-5号为控制引脚，即CS、RS、WR、RD、RST，连接单片机的PC9,PC12,PC11,PC10,PC8引脚；单片机与TFT之间数据的发送与读取主要采用的并口方式。因为此设计中需要显示车牌，计时，计费，图像，需要显示图像，数码管和LCD1602无法实现要求，所以选择TFT-LCD液晶。二、系统硬件设计（一）单片机最小系统模块STM32最小系统是由主芯片，晶振电路，上电复位电路。其中按键复位控制电路主要有的用来用于处理触控系统可能遇到各种异常情况,当系统按下带有复位电路按键的按钮时候,系统自动重新回到系统初始化的工作状态,复位电路原理是认为,电路中主要采用的技术是按键自动复位,电路与触控芯片的低端NRST引脚交互相连,原理上就是当复位按键，再次按下后,NRST与芯片低端引脚相连即可完成按键复位,其中触控电容的复位作用主要有的作用之一是抖动消抖,防止电容在触摸式按键产生时的误操作,一般其在按键上的闭合大约大概需要10毫秒,,但是由于电容两端的工作电压不会突然变化,可以有效率的防止其在抖动时的产生误操作。可以有效防止抖动时的误操作。晶振时钟电路即时叫闹钟晶振电路主要就是负责为整个主控板的芯片设计提供一个系统设计时钟,整个系统设计工作系统都应该是直接围绕这个系统时钟电路进行设计工作,相当于整个设计工作系统的一个心跳。最小系统模块电路如图3。图3最小系统模块电路（二）液晶显示模块系统中使用的显示模块为2.8英寸的TFT-LCD屏，用来显示摄像头的实时照片，以及最终识别出来的车牌信息该芯片的的驱动IC为ILI9341，尺寸大小为50*69.2*2.4mm，分辨率为240*320能够满足车牌信息的显示和识别结果展示。实物图如图4所示。图4TFT-LCD实物图TFT-LCD共有34个引脚，其1号引脚至5号引脚为控制引脚，即CS、RS、WR、RD、RST，分别与单片机的PC9,PC12,PC11,PC10,PC8引脚相连；TFT-LCD数据引脚为DB0号引脚至DB15号引脚分别与主控芯片的PB0至PB1号引脚对应相连接，单片机与TFT之间数据的发送与读取主要采用的并口方式。引脚图如图5所示。液晶显示模块电路图如图6。图5TFT-LCD引脚图图6液晶显示模块电路图（三）图像采集电路设计系统的主要图像信号采集处理模块主要采用的软件是一个OV7670,现如今相机市面上主要模块包含两种,一种也就是需要带有一个FIFO和不要携带的,带一个FIFO的操作比不带的操作价格可能要贵一些,从实际使用操作难易度上来讲只要携带一个FIFO的比不带要携带的操作要简单很多,原因主要在于OV7670的照片时钟输出速度已经可以直接达到24m,但是大多数数码单片机的各个IO口时钟是无法直接达到这个要求,直接匹配整个单片机的各个IO口时钟速度,不过这样的话可能会直接导致相机照片高度失真。然而带FIFO的则不需要考虑,FIFO可以充当缓存区,使用者只需要考虑数据的读取就可以了。摄像头（OV7670）实物图如图7。图7OV7670实物图电路上OV7670的SIOC和SIOD号引脚，为初始化引脚，分别与单片机的PC6、PC7相连接，D0-D7引脚为摄像头数据引脚，接单片机PA0-PA7，以并口的方式读取摄像头数据。VSYNC引脚是摄像头帧信号引脚，接单片机引脚PC0中断，通过单片机中断来检测帧信号。FIFO_WR、FIFO_WRST、FIFO_RRST、FIFO_OE、FIFO_RCK分别接单片机PC1、PC5、PC2、PC3、PC4引脚，是单片机控制摄像头上面的FIFO芯片用的。（摄像头的数据是先保存于FIFO芯片里面的，单片机通过读取FIFO芯片数据来获取摄像头数据的。）摄像头（OV7670）实物图如图7。摄像头（OV7670）引脚图如图8。接口电路图如图9所示。图8OV7670引脚图图9OV7670接口电路按键电路设计按键的按下单片机会将控制相关引路一脚默认为是一个高电平,当一个按键再次按下后,单片机的两个相关引脚则自动变成一个低电平。进而可以实现对系统的手动程序输入。在没有出新的车牌号前,按下k1可同时查看已经自动识别显示出的车牌计时和收费信息,(模拟自动停车场),识别出新的车牌后,显示出的车牌计费信息后,需要同时按下停车按键点击k2,方可自动返回到车主系统界面。按键电路原理图如下图10。图10按键电路原理图（五）蜂鸣器报警电路设计有源喇叭扬声家用蜂鸣器有源喇叭扬声是一种完全采用机电一体化有源供电系统结构的小型家用电子音频讯号扬声音响器,采用DC或高或低电压交流电源进行供电,广泛应用于各种电子产品发声装置，例如计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等。本系统所采用的报警模块为5V有源蜂鸣器模块,电路中一般都是采用三极晶闸管8050来对其进行高频驱动,只要高频控制器将单片机两个高频控制引脚切换为一个低频高电平,蜂鸣器就一定有机会停止发出高频鸣叫声并发出报警,反之则不一定停止发出鸣叫,蜂鸣器报警电路原理图如图11。图11蜂鸣器报警电路原理图三系统软件设计（一）系统主程序设计基于STM32F103RCT6车牌识别系统的功能实现主要通过主程序对各个子程序的调用，子程序的设计主要分为图片识别的五个部分，分别为图像采集、二值化分析、识别车牌区域、字符分割、字符匹配。以及调用液晶显示程序将最后获得车牌的识别信息显示在TFT液晶屏幕上，详细流程图如下图12所示。图12主程序流程图系统首先对系统每个操作模块进行数据的初始化处理,包括系统单片机软件初始化,TFT和显示器软件初始化,摄像头软件初始化等,然后系统读取每个摄像头之前采集的数据图像,然后对其进行数据二值化视图分析将数据像素和变点的参数值类别分为颜色全黑和全白的两种,同时通过分析计算出每行第一行的像素跳点和变点。通过再次跳变该节点的字符数量可以识别对应车牌号的区域,此时再次通过进行字符二值化匹配分析对各个匹配字符分别进行组合切割,最后进行归一化匹配处理,将各个匹配字符分别进行多个字符串的匹配,对应的各个字符匹配需要以读取模式保存于整个程序之中。匹配时,将相似度最高的最为最终的结果显示于液晶屏幕上。（二）二值化程序设计二值化分析主要的作用是将采集的照片转换成黑白，也就是素值只有0x0000和0xffff，处理后的图片更加容易处理，处理的过程主要是对图像的像素的R、G、B分别设定阈值，如果该像素点的R、G、B的值均大于设定阈值则该像素点的值设为0xffff，否则设为0x0000。同时计算出每行像素点的跳变数。车牌区域识别位置程序设计现如今用于车牌精确定位的分析算法主要类型有两种,一种算法是对车牌图像数据进行高度二值化图像处理后再计算利用跳变点数来分析车牌位置,另一种算法是通过利用自己车牌上各个颜色显示空间的直线距离和相似度数据进行精确判断,对自己车牌的各个颜色空间进行精确定位。对车牌的颜色进行定位。设计中主要可以使用的方法是第一种随机方法,通过随机记录不同跳转区变点的在线数量,车牌不同区域部分的不同跳变点在线数量可能会明显比较多,在程序中可以设定一个跳变区的点数量大于15个,在连续行程中车牌位置部分存在多个不同跳变区的点数量大于15时,每个起始的位置部分设定为每个车牌部分区域的上边两个边界,结束的位置处则设定为每个车牌部分区域的下边两个边界。再通过RGB-HSV的颜色进行边界转换,识别显示出每个车牌显示区域的左边颜色边界和右边颜色边界。这样就让你可以快速获取整个车牌显示区域的准确性和边界。车牌区域的识别如图13。图13车牌区域识别图（四）字符分割程序设计车牌图标显示中的区域图标经过自动识别后,再次通过二维图标数值可视化处理技术即可进行每个图标字符的自动组合分割以及组合优化处理。处理过程中,获取每个字符分割边界字符的左边每个分割边界字符k的位数k和右边每个分割边界字符k的位数k,若这个字符分割后来的输出返回来的每个边界字符的分割位数为8,则这个字符分割比较准确。如下面显示框图中的显示所示,竖向标记使用红色蓝线为各个特殊字符的中间点和边界位置进行横向标记。字符串的匹配用于分割,为正确执行将在下一步程序中的每个字符匹配分割后的匹配,该程序需要准备总线所要求的匹配参数。下图14为字符分割图。图14字符分割图（五）字符匹配程序设计字符和子串被统一进行分割后,进行归一化后的字符匹配处理,再对每一个新的匹配字符和子串寻找来源并进行每个对新字符串的归一匹配。字符串的像素图片模板通过应用图片处理取模图像处理软件先绘制进行图片提取后处理输出,保持在放于图片建模处理器的字符像素模板大小一般设定为24*50的单个双字符串的像素大小。匹配后,将一个具有一定相似性最大值的输入数据作为对应一个特殊字符中的串值将它作为输出数据并将输出作为匹配后的结果,并对其中值予以两种颜色分别显示。进行字符识别的流程如下图15。图15字符匹配流程图在有车牌经过时与数据库进行数据的匹配，最后在屏幕上显示苏。如下图16所示。图16字符匹配图（六）计时收费程序设计识别成功会进入计费页面，此时定时器开始初始化，开中断，flag=20时，时间加一秒，LCD上只显示到分钟，计费=单价（0.8/min）*计时。计时收费流程如下图17。图17计时收费流程图识别到车牌号为苏FP76J7的车辆，然后进行计时，然后进行收费。如下图18所示。图18字符匹配图四系统调试（一）硬件调试基于STM32单片机的车牌识别信息系统的调试主要分成三个组成部分，首先第一部分为硬件调试，硬件调试步骤同样也可以分为焊接前检查，通电检查，静电检查，首先主要检查元器件是否齐全，是否有损坏。然后根据原理图进行排版，使用万用表检测正负极，排好版后进行焊接，焊接结束后不需要着急通电，先检查元器件焊接是否有漏焊、虚焊的。检测无误后，通电进行观察其现象，当出现发热冒烟现象需要及时断电，检查电路，处理完毕后，重新上电检查。实物元件图19所示，焊接成品图如下图20所示。图19实物元件图图20实物成品图（二）软件调试系统的软件调试同样分成两个部分进行调试，第一部分是软件设计部分的调试，首先使用软件编写系统的功能程序，检测是否有语法错误，确认编写的单片机引脚口与实物焊接的情况一致，然后将系统程序进行编译成可烧录的文件。第二部分就是实物联调了，将程序烧录后进行调试，检查功能是否全部可以完全实现。进行不断的调整直到最后完全实现。下图21是部分程序开发界面图。图21程序开发界面图（三）实验分析系统实验分析部分主要是展示车牌识别系统的整个功能，首先需要给整个系统进行供电，系统采用5V供电经过电源电路转换成3.3V给整个系统供电，通电后按下电源开关，可以观察到整个液晶屏幕显示正常。将摄像头对准车牌，这时候通过显示器检测当前的显示图片以及采集信息，将车牌的位置对准蓝色的区域内，系统会对车牌信息进行一系列操作将最终的识别结果展示在屏幕的下方。识别成功会进入计费页面，按下K2界面则返回识别，再按下K1后进入计费。这是车牌号为苏B.88888的车辆，这是还没有按下K1的状态，只是识别出车辆的牌照还没有进行计时收费。如下图22所示。图22识别图这是车牌照为苏B.J92P6的车辆，这是按下K1，进行计时收费，时间为0.12，收费是0.96。如下图23所示。图23计费图

结论基于STM32单片机的车牌识别系统主要包含STM32主控芯片，TFT液晶显示模块，摄像采集模块（OV7670），指示灯模块，电源模块等。系统以STM32F103RCT为主控芯片，主要负责数据的处理，摄像头采集当前车牌，TFT实时显示当前摄像采集的车牌信息，识别成功会进入计费页面，按下K2界面则返回识别界面，再按下K1后进入计费界面。整个识别过程包含五个过程，分别为图像采集、二值化分析、识别车牌区域、字符分割、字符匹配。系统完整的工作流程为，系统采用5V电源通过AMS1117芯片转换为3.3V电压为整个系统供电。然后利用STM32F103RCT控制OV7670摄像头采集图像，通过模式识别，匹配，最后获得车牌信息以及计费在TFT液晶屏上进行显示，最后完成对整个系统功能实现。。致谢本次毕业论文及其设计在老师和同学的帮助以及自己的认真努力之下终于接近尾声了。从另一方面这也意味着我们也要真正的步入社会了，大学三年如白驹过隙匆匆而过来不及细细享受就已经走到了毕业。在这里要感谢我的导师金薇老师。金薇老师是一个认真负责的老师，即使平时自己的工作非常的忙碌但是在我做论文的每个阶段都悉心的指导我去一步步完成，从最开始的三表到最后的论文完成中间有过很多次的修改，每一次都是陈丽老师认真讲解告诉我哪个步骤不够严谨需要改善并且传授了我很多丰富有用的知识，在学习的过程中也是亦师亦友。在此再次感谢我的毕业指导老师，她认真的工作态度以及孜孜不倦地诲人精神都使我不断的想要向他学习。十几年的求学路好