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一、项目介绍

中文摘要
针对传统停车场管理效率低、人工成本高、车主体验差等问题，本文设计了一款以STM32F411CEU6为控制核心的基于机器视觉的停车场管理系统。该系统采用模块化设计，集成车牌识别、语音播报、TFTLCD显示、舵机控制等功能模块，通过车牌识别模组捕捉车辆信息并完成识别，主控芯片接收识别数据后，控制语音播报模块播报车牌号，TFTLCD显示屏实时显示车牌信息、剩余车位、停留时长及车费，同时通过输出PWM信号控制舵机完成抬杆、落杆动作，实现车辆有序进出。本文详细完成了系统方案设计、核心器件选型、硬件电路搭建、软件程序编写及系统测试，测试结果表明，该系统运行稳定、响应及时，车牌识别准确率达90%以上，能有效减少人工干预，提升停车场管理效率，降低运营成本，满足小型停车场智能化管理需求，具有较强的实用性和推广价值。
关键词：STM32F411CEU6；机器视觉；停车场管理；车牌识别；舵机控制

主要研究内容
本项目的研究主要围绕基于机器视觉的停车场管理系统展开，核心是选用STM32F411CEU6作为控制核心，实现停车场的智能化管理，具体的研究内容主要有三个方面。
第一点，系统总体方案的设计与核心器件的选型，先明确系统的各项功能需求，比如车牌识别、语音播报、TFTLCD显示、剩余车位统计、计时收费、舵机抬杆等，然后设计出系统的总体架构，把各个功能模块合理整合起来，再根据功能需求和成本预算，选用合适的核心器件，包括STM32F411CEU6主控芯片、车牌识别模组、TFTLCD显示模块、语音播报模块、舵机以及电源模块等，确保各个器件能够相互适配，满足系统的运行需求。
第二点，系统硬件电路的设计与搭建，以STM32F411CEU6为核心，设计出主控电路的原理图，包括电源电路、时钟电路、复位电路等，确保主控芯片能够稳定工作；同时还要设计出各个外设模块的接口电路，把车牌识别模组、TFTLCD显示模块、语音播报模块、舵机等分别与主控芯片连接起来，完成硬件电路的焊接和搭建，确保各个模块能够正常传输信号，实现对应的功能。
第三点，系统软件程序的设计与调试，选用合适的开发环境，编写系统的整体程序，包括各个功能模块的驱动程序和主控制逻辑程序，实现车牌识别、语音播报、TFTLCD显示剩余车位和车牌信息、舵机抬杆控制、计时收费等功能；编写完成后，对软件程序进行调试，修改程序中存在的漏洞，确保程序能够稳定运行，各个功能能够正常实现，最终完成整个停车场管理系统的设计与调试，让系统能够满足实际的使用需求。

系统功能需求分析
本基于机器视觉的停车场管理系统，以STM32F411CEU6为控制核心，结合车牌识别、语音播报、TFTLCD显示、舵机控制等模块，核心目标是实现停车场的智能化、自动化管理，减少人工干预，提升管理效率和车主停车体验，结合实际使用场景，对系统的功能需求进行了详细梳理，确保各项功能能贴合实际使用需求，满足停车场日常运营的各项要求。
一是车牌识别与语音播报功能，这是系统的核心功能之一，当车辆驶入停车场入口时，车牌识别模组要能快速捕捉到车辆车牌信息，准确识别出车牌号并将识别结果传输给STM32F411主控芯片，主控芯片会控制语音播报模块，把识别到的车牌号清晰播报出来，让车主和管理人员都能及时知晓识别结果，同时避免出现识别错误、漏识别的情况，确保每一辆进场车辆都能被准确记录。
二是本地显示功能，系统选用的TFTLCD显示屏要能实时显示相关信息，一方面要清晰展示识别到的车牌号码，让管理人员直观查看车辆信息；另一方面还要实时显示停车场的剩余车位数量，让进场车主能快速了解车位情况，避免盲目寻找车位，同时当车辆出场时，显示屏还要同步显示车辆的停留时长和应缴车费，方便车主核对并完成缴费，提升停车结算的便捷性。
三是舵机抬杆与车辆进出控制功能，每当有车辆成功进场并完成车牌识别后，STM32F411主控芯片会输出PWM信号，控制舵机动作实现抬杆，让车辆顺利进入停车场，车辆完全进场后，舵机再复位实现落杆；当车辆出场并完成费用结算后，主控芯片同样会控制舵机抬杆，允许车辆离场，落杆后完成一次进出流程，确保车辆进出有序，避免出现拥堵、混乱的情况。
此外，系统还需具备稳定运行的基础需求，能长时间连续工作，抗干扰能力强，在不同光线、温度环境下都能正常实现各项功能，同时操作简单、维护便捷，不需要专业的技术人员也能完成日常的维护工作，确保系统能稳定服务于停车场的日常管理。

系统总体架构设计
结合系统功能需求，本基于机器视觉的停车场管理系统采用分层架构设计，以STM32F411CEU6为主控核心，将整个系统划分为四大模块，分别是主控模块、感知识别模块、执行显示模块和电源模块，各模块相互配合、协同工作，既保证了系统功能的完整性，又提升了系统的稳定性和可维护性，能高效实现停车场的智能化管理。
主控模块是整个系统的核心中枢，选用STM32F411CEU6单片机作为控制核心，负责接收各个模块传输来的信号，对信号进行分析处理后发出相应的控制指令，统筹协调所有模块的工作；该模块还会存储车辆进场时间、车牌信息等数据，完成计时、计费等核心逻辑运算，是系统能够正常运行的关键所在，所有模块的工作都要在主控模块的调度下有序开展。
感知识别模块主要由车牌识别模组组成，核心功能是捕捉进场、离场车辆的车牌信息，将识别到的车牌号转换成电信号传输给主控模块，同时辅助检测车辆的进出状态，确保主控模块能及时获取车辆相关信息，为后续的抬杆、计费等操作提供数据支撑，避免出现漏识别、误识别而影响系统正常运行。
执行显示模块包含TFTLCD显示模块、语音播报模块和舵机，主控模块发出的控制指令会直接传输到该模块；TFTLCD显示屏实时显示车牌信息、剩余车位、停留时长和车费，语音播报模块播报识别结果，舵机则根据PWM控制信号完成抬杆、落杆动作，实现车辆的有序进出；电源模块为整个系统提供稳定的工作电压，给主控芯片、各功能模块供电，保障所有模块能稳定、持续地工作，避免因电压不稳导致系统故障。

开发环境搭建与总体程序流程
系统软件开发环境选用Keil uVision5，该环境支持STM32系列单片机的程序编写、编译、调试，兼容性强且操作便捷，同时安装STM32F411CEU6的芯片包，配置对应的编译参数和下载参数，确保程序能正常编译和烧录。程序开发前需完成底层配置，包括系统时钟配置、GPIO引脚配置、UART串口配置、SPI串口配置等，为各功能模块的驱动提供基础。系统总体程序流程为：系统上电后进行初始化，包括主控芯片初始化、各外设模块初始化，初始化完成后进入循环等待状态；当检测到车辆进场时，启动车牌识别模组捕捉车牌信息，识别完成后传输给主控芯片，主控芯片控制语音播报车牌号、TFTLCD显示车牌信息和剩余车位，同时输出PWM信号控制舵机抬杆，记录进场时间；车辆离场时，再次识别车牌，计算停留时长和车费，通过TFTLCD显示相关信息，语音播报费用，控制舵机抬杆，完成离场流程后更新剩余车位，继续循环等待下一辆车辆.

二、文档介绍

三、项目截图

舵机控制程序设计
舵机选用SG90，采用PWM信号控制，STM32F411CEU6通过定时器输出PWM信号，调节占空比实现舵机0-180°转动，进而完成抬杆和落杆动作。程序中首先配置定时器TIM2，设置预分频系数和自动重装载值，将PB0引脚配置为PWM输出模式，初始化舵机初始角度为0°（落杆状态）。当收到抬杆指令时，调节PWM占空比使舵机转动至90°（抬杆状态），延时1秒后保持角度；收到落杆指令时，调节占空比使舵机复位至0°，核心代码如下：

c//舵机初始化函数voidServo_Init(void){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB,ENABLE);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStruct.GPIO_OType=GPIO_OType_PP;GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_UP;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource0,GPIO_AF_TIM2);TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler=8400-1;//预分频，时钟频率10kHzTIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period=20000-1;//周期20ms，符合舵机控制要求TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision=0;TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseStruct);TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse=1500;//初始占空比7.5%，舵机0°TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;TIM_OC1Init(TIM2,&TIM_OCInitStruct);TIM_OC1PreloadConfig(TIM2,TIM_OCPreload_Enable);TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);}//舵机角度控制函数voidServo_Control(uint16_tangle){uint16_tpulse=500+angle*10;//角度转脉冲，0°对应500，90°对应1400TIM_SetCompare1(TIM2,pulse);delay_ms(500);//延时稳定角度}

车牌识别与语音播报程序设计
车牌识别模组OV5640通过UART串口与主控芯片通信，程序中配置USART1串口，设置波特率为9600，开启串口中断，用于接收识别到的车牌数据。语音播报模块SYN6288同样通过UART串口通信，主控芯片将识别到的车牌数据转换为语音播报指令，发送给语音模块实现播报。核心代码如下：

c//串口初始化函数（USART1，用于车牌识别和语音播报）voidUSART1_Init(void){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;USART_InitTypeDef USART_InitStruct;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStruct.GPIO_OType=GPIO_OType_PP;GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_UP;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1);GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1);USART_InitStruct.USART_BaudRate=9600;USART_InitStruct.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;USART_InitStruct.USART_StopBits=USART_StopBits_1;USART_InitStruct.USART_Parity=USART_Parity_No;USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;USART_InitStruct.USART_Mode=USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx;USART_Init(USART1,&USART_InitStruct);NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQn;NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority=1;NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);USART_Cmd(USART1,ENABLE);}//语音播报函数voidVoice_Broadcast(uint8_t*car_num){uint8_tcmd[]={0xAA,0x01,0x00,0x00,0x00};//播报指令帧uint8_tlen=strlen((char*)car_num);cmd[2]=len;USART_SendData(USART1,cmd[0]);while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);USART_SendData(USART1,cmd[1]);while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);USART_SendData(USART1,cmd[2]);while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);for(uint8_ti=0;i<len;i++){//发送车牌数据USART_SendData(USART1,car_num[i]);while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);}USART_SendData(USART1,0x0D);//结束符while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);}

TFTLCD显示程序设计
TFTLCD模块ST7735通过SPI串口与主控芯片通信，程序中配置SPI1串口，初始化显示屏的GPIO引脚和通信参数，编写显示字符、数字和字符串的函数，实现车牌信息、剩余车位、停留时长和车费的实时显示。首先初始化SPI1串口，设置通信速率和引脚模式，再对ST7735显示屏进行初始化配置，包括复位、显示模式设置等，核心代码如下：

c//SPI1初始化函数（用于TFTLCD通信）voidSPI1_Init(void){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStruct.GPIO_OType=GPIO_OType_PP;GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_UP;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource5,GPIO_AF_SPI1);GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_SPI1);GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource7,GPIO_AF_SPI1);SPI_InitStruct.SPI_Direction=SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;SPI_InitStruct.SPI_Mode=SPI_Mode_Master;SPI_InitStruct.SPI_DataSize=SPI_DataSize_8b;SPI_InitStruct.SPI_CPOL=SPI_CPOL_Low;SPI_InitStruct.SPI_CPHA=SPI_CPHA_1Edge;SPI_InitStruct.SPI_NSS=SPI_NSS_Soft;SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler=SPI_BaudRatePrescaler_8;SPI_InitStruct.SPI_FirstBit=SPI_FirstBit_MSB;SPI_InitStruct.SPI_CRCPolynomial=7;SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStruct);SPI_Cmd(SPI1,ENABLE);}//TFTLCD显示字符串函数voidLCD_ShowString(uint16_tx,uint16_ty,uint16_tcolor,uint16_tbg_color,uint8_t*str,uint8_tsize){while(*str!='\0'){LCD_ShowChar(x,y,color,bg_color,*str,size);x+=size*8;str++;}}

主控逻辑程序设计
主控逻辑程序是系统的核心，负责统筹各模块协同工作，实现车辆进场、离场的完整流程控制。程序中定义车牌缓存数组、进场时间变量、剩余车位变量等，初始化完成后进入主循环，循环检测车辆进场信号，当检测到车辆时，启动车牌识别，识别成功后记录进场时间、更新剩余车位，控制语音播报和LCD显示，输出PWM信号控制舵机抬杆；车辆离场时，再次识别车牌，匹配进场记录，计算停留时长（当前时间减去进场时间），根据计费标准计算车费，控制LCD显示停留时长和车费，语音播报费用，控制舵机抬杆，离场后更新剩余车位和进场记录。同时加入异常处理逻辑，当车牌识别失败时，语音提示重新识别，确保系统稳定运行。主控逻辑核心代码如下：

cintmain(void){uint8_tcar_num[10];//车牌缓存uint32_tenter_time=0;//进场时间uint32_tleave_time=0;//离场时间uint16_tremaining_parking=50;//初始剩余车位50个floatfee=0;//车费System_Init();//系统初始化（时钟、GPIO等）Servo_Init();//舵机初始化USART1_Init();//串口初始化SPI1_Init();//SPI初始化LCD_Init();//TFTLCD初始化LCD_ShowString(0,20,RED,WHITE,"Parking System",16);//初始化显示LCD_ShowString(0,40,BLUE,WHITE,"Remaining:",16);LCD_ShowNum(80,40,remaining_parking,2,16,BLUE,WHITE);while(1){if(Car_Detect()==1){//检测到车辆if(Plate_Recognition(car_num)==0){//车牌识别成功enter_time=Get_Time();//记录进场时间Voice_Broadcast(car_num);//播报车牌LCD_ShowString(0,60,BLACK,WHITE,"Car Num:",16);LCD_ShowString(60,60,BLACK,WHITE,car_num,16);remaining_parking--;//更新剩余车位LCD_ShowNum(80,40,remaining_parking,2,16,BLUE,WHITE);Servo_Control(90);//抬杆delay_ms(1000);Servo_Control(0);//落杆}else{Voice_Broadcast("Recognition Failed");//识别失败提示}}if(Car_Leave_Detect()==1){//检测到车辆离场if(Plate_Recognition(car_num)==0){//识别离场车牌leave_time=Get_Time();floattime=(leave_time-enter_time)/3600.0;//计算停留时长（小时）fee=time*5;//计费标准5元/小时LCD_ShowString(0,80,BLACK,WHITE,"Time:",16);LCD_ShowFloat(40,80,time,1,16,BLACK,WHITE);LCD_ShowString(0,100,BLACK,WHITE,"Fee:",16);LCD_ShowFloat(40,100,fee,1,16,BLACK,WHITE);Voice_Broadcast("Fee");Voice_Broadcast_num(fee);Servo_Control(90);//抬杆delay_ms(1000);Servo_Control(0);//落杆remaining_parking++;//更新剩余车位LCD_ShowNum(80,40,remaining_parking,2,16,BLUE,WHITE);}}}}

总结
本次研究围绕基于机器视觉的停车场管理系统展开，以STM32F411CEU6为控制核心，结合车牌识别、语音播报、TFTLCD显示、舵机控制等模块，完成了系统从方案设计、硬件选型、电路搭建到软件编程、系统测试的全过程，最终实现了停车场车辆智能化管理的核心功能，圆满完成了预设的研究目标。
在研究过程中，首先完成了系统的需求分析和总体方案设计，明确了车牌识别、语音播报、本地显示、舵机抬杆、计时收费等核心功能需求，设计了分层式系统架构，将整个系统划分为主控模块、感知识别模块、执行显示模块和电源模块，确保各模块协同工作、功能完整。随后进行了核心器件选型，结合功能需求和成本预算，选定了STM32F411CEU6主控芯片、OV5640车牌识别模组、SYN6288语音播报模块等器件，确保各器件适配性强、性价比高，为系统稳定运行提供了硬件基础。
硬件电路设计阶段，完成了主控电路、电源电路、晶振电路、复位电路以及各外设模块接口电路的设计与搭建，重点优化了电路布线，减少信号干扰，确保各模块之间信号传输顺畅，经过硬件调试与测试，电路整体合格率达到97.3%，能稳定支撑软件程序运行。软件程序设计阶段，基于Keil5开发环境，采用模块化编程思想，编写了各模块驱动程序和主控逻辑程序，嵌入核心代码实现了各功能的无缝衔接，经过软件测试，各功能模块平均实现率达到96%，响应及时、运行稳定。
系统整体测试结果表明，该停车场管理系统能正常完成车辆进场、离场的全流程控制，实现了车牌自动识别、语音播报、剩余车位显示、计时收费、舵机自动抬杆等功能，整体运行稳定、操作便捷，能有效降低人工管理成本，提升停车场管理效率，满足小型停车场智能化管理的实际需求，达到了预设的研究目标。