基于STM32單片機(jī)的停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：當(dāng)今社會(huì)停車(chē)難問(wèn)題日益突出，提升停車(chē)場(chǎng)管理水平是解決該問(wèn)題的重要途徑之一。針對(duì)傳統(tǒng)停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)存在的操作不便、成本較高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以STM32單片機(jī)為控制核心的停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用OV系列攝像頭進(jìn)行圖像采集，借助單片機(jī)對(duì)圖像信息進(jìn)行處理得到車(chē)輛信息，同時(shí)將停車(chē)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)顯示在TFT屏幕上，實(shí)現(xiàn)了停車(chē)場(chǎng)車(chē)位狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、車(chē)位引導(dǎo)、計(jì)時(shí)收費(fèi)等功能。此外，通過(guò)鍵盤(pán)模塊可以設(shè)置車(chē)位數(shù)量，使該設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍更加廣泛。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠在各種環(huán)境下識(shí)別不同類型的車(chē)牌信息，且能準(zhǔn)確顯示車(chē)位狀態(tài)。所選用的單片機(jī)具有操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，且不受場(chǎng)地的限制，成本較為低廉。這使得停車(chē)場(chǎng)的使用效率得以提高，讓停車(chē)場(chǎng)的管理變得更加智能化與高效化，為人們的出行帶來(lái)了諸多便利。

關(guān)鍵詞：圖像采集；車(chē)牌識(shí)別；STM32單片機(jī)；停車(chē)場(chǎng)管理；TFT屏幕；智能化

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）06-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.033

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)及城市化進(jìn)程的加快，人們對(duì)汽車(chē)的需求也隨之增長(zhǎng)，汽車(chē)數(shù)量急劇增加，然而國(guó)內(nèi)停車(chē)場(chǎng)建設(shè)相對(duì)滯后，停車(chē)難現(xiàn)象日益凸顯。但盲目增加停車(chē)場(chǎng)數(shù)量可能會(huì)消耗大量的人力成本和管理成本，因此設(shè)計(jì)一款智能化、高效化的停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)具有較高的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值[1]。

在目前實(shí)際應(yīng)用的停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)中，部分系統(tǒng)在提高系統(tǒng)可靠性的同時(shí)增加了系統(tǒng)的成本，部分系統(tǒng)使用的設(shè)備并非為停車(chē)場(chǎng)專門(mén)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，難以適應(yīng)停車(chē)場(chǎng)高溫差、高濕度、信號(hào)干擾嚴(yán)重的環(huán)境；還有的系統(tǒng)設(shè)備故障頻發(fā)，維修周期長(zhǎng)，存在效率低下、智能化程度不高等問(wèn)題[2]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)，STM32單片機(jī)作為一種高性能、低功耗的嵌入式系統(tǒng)芯片，具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的外設(shè)接口，非常適合用于停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、智能化程度高，可實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)車(chē)位狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、車(chē)位引導(dǎo)、計(jì)時(shí)收費(fèi)等功能，可應(yīng)用在商場(chǎng)、超市、居民樓等各類停車(chē)場(chǎng)。

1 總體方案

本文系統(tǒng)旨在準(zhǔn)確檢測(cè)車(chē)輛信息，并根據(jù)停車(chē)時(shí)間計(jì)算停車(chē)費(fèi)用，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位情況?；诖?，將系統(tǒng)分為三大部分：輸入部分、控制部分和輸出部分，如圖1所示。控制部分采用STM32F103RCT6單片機(jī)；輸入部分采用攝像頭進(jìn)行圖像采集，傳送給單片機(jī)進(jìn)行圖像處理，完成車(chē)輛識(shí)別過(guò)程；按鍵輸入采用獨(dú)立按鍵，可對(duì)停車(chē)場(chǎng)車(chē)位數(shù)量進(jìn)行設(shè)置；輸出部分包括顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊及報(bào)警模塊，其中顯示模塊實(shí)時(shí)顯示停車(chē)場(chǎng)狀態(tài)，報(bào)警模塊采用蜂鳴器報(bào)警，驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)閘門(mén)電機(jī)實(shí)現(xiàn)抬桿、落桿[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制部分

本文系統(tǒng)的主控芯片采用STM32F103RCT6單片機(jī)，該單片機(jī)采用Cortex-M3內(nèi)核，其運(yùn)算速度以及響應(yīng)速度極快，最高主頻72 MHz，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)；內(nèi)部集成AD/DA且具備SPI總線和I2C總線，方便與外設(shè)及傳感器完成信息傳輸。主控部分采用單片機(jī)最小系統(tǒng)[4]，單片機(jī)主要引腳說(shuō)明見(jiàn)表1。

2.2 圖像采集模塊

圖像采集模塊采用OV7670攝像頭，該模塊自帶FIFO，解決了攝像頭和單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的速度匹配問(wèn)題[5]。此外，該模塊體積小，工作電壓低，可提供攝像頭和影像處理器的所有功能。VGA圖像采集速率最高可達(dá)30 FPS，通過(guò)SCCB總線控制接口，能夠以整幀輸出、子采樣、窗口選取等方式采集不同分辨率的8位影像數(shù)據(jù)[6]。用戶可以控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。該模塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示，OV7670攝像頭的D0～D7像素?cái)?shù)據(jù)引腳連接單片機(jī)PA口，進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。單片機(jī)的PC口提供攝像頭的相關(guān)信號(hào)，讀寫(xiě)過(guò)程如下：

圖像存儲(chǔ)過(guò)程：等待幀同步信號(hào)（VSYNC）→寫(xiě)指針復(fù)位（FIFO_WRST）→FIFO寫(xiě)使能（FIFO_WR）→等待第二個(gè)幀同步信號(hào)（VSYNC）→FIFO寫(xiě)禁止，完成一幀圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖像讀取過(guò)程：FIFO讀指針復(fù)位（FIFO_RRST）→給FIFO讀時(shí)鐘（FIFO_RCK）→讀取第一個(gè)像素高字節(jié)→給FIFO讀時(shí)鐘（FIFO_RCK）→讀取第一個(gè)像素低字節(jié)→給FIFO讀時(shí)鐘（FIFO_RCK）→讀取第二個(gè)像素高字節(jié)→循環(huán)讀取，直至結(jié)束。

2.3 顯示模塊

顯示模塊選用TFT屏幕，其采用TFT液晶技術(shù)，具有清晰度高、顏色鮮艷、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[7]。該模塊可為用戶提供更好的體驗(yàn)，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示，DB0～DB15為16位的數(shù)據(jù)傳輸口，與單片機(jī)PB口相連，圖像信息通過(guò)16位數(shù)據(jù)傳輸口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)PC9～PC12連接該模塊控制引腳，控制其工作方式。

2.4 閘門(mén)驅(qū)動(dòng)

本文系統(tǒng)采用繼電器控制閘門(mén)電機(jī)的開(kāi)關(guān)，模擬閘門(mén)打開(kāi)與關(guān)閉。繼電器的VCC端接三極管的發(fā)射極，單片機(jī)的PC14口接三極管的基極，當(dāng)單片機(jī)PC14口輸出高電平到三極管的基極時(shí)，三極管導(dǎo)通，集電極與發(fā)射極之間有電流流過(guò)，繼電器激活，同時(shí)繼電器指示燈亮，提示繼電器已接通[8]。

2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊選用蜂鳴器，當(dāng)電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲，蜂鳴器鳴響。為獲得蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電流，可將單片機(jī)PD2口輸出的電流先經(jīng)三極管放大后再驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴響。為保證設(shè)計(jì)的時(shí)效性，本文選擇有源蜂鳴器，內(nèi)部無(wú)需振蕩源，通電即可發(fā)聲。工作時(shí)，單片機(jī)PD2口給出高電平，三極管基極產(chǎn)生電壓，使得三極管集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，其間有電流流過(guò)時(shí)，蜂鳴器被激活[8]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后首先對(duì)單片機(jī)、攝像頭和顯示屏等進(jìn)行初始化；然后檢測(cè)是否有空余車(chē)位，若無(wú)空余車(chē)位，停車(chē)場(chǎng)禁止進(jìn)入，等待停車(chē)場(chǎng)內(nèi)部車(chē)輛離場(chǎng)后再允許車(chē)輛進(jìn)入；若有車(chē)位則顯示停車(chē)場(chǎng)可進(jìn)入。接著調(diào)用圖像處理和區(qū)域鎖定及字符分割子程序，提取車(chē)輛信息并錄入系統(tǒng)，開(kāi)始對(duì)其計(jì)時(shí)，并打開(kāi)停車(chē)場(chǎng)閘門(mén)，車(chē)輛進(jìn)入。

3.2 圖像處理子程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)接收到攝像頭傳輸?shù)膱D像信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理流程如圖5所示，首先將圖像信息進(jìn)行二值化處理轉(zhuǎn)換成黑白圖像，之后進(jìn)行車(chē)牌區(qū)域鎖定，鎖定車(chē)牌之后進(jìn)行字符分割得到各字符，最后將字符進(jìn)行歸一化處理，將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一數(shù)據(jù)。

3.3 二值化處理子程序

圖像二值化處理是一種將灰度圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖像的圖像處理方法。其基本原理是將灰度圖像中每個(gè)像素的灰度值與一個(gè)事先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若該像素的灰度值大于閾值，則將該像素賦為白色（255），否則賦為黑色（0）。本文系統(tǒng)采用的方法為全局閾值法，因?yàn)檐?chē)牌樣式固定，所以通過(guò)調(diào)試采用統(tǒng)一的閾值進(jìn)行全局比較即可[9]。二值化處理流程如圖6所示。

3.4 區(qū)域鎖定子程序設(shè)計(jì)

車(chē)牌鎖定是車(chē)牌識(shí)別的重要環(huán)節(jié)，其目標(biāo)是在圖像中準(zhǔn)確定位車(chē)牌的位置和范圍，以便后續(xù)進(jìn)行車(chē)牌字符的提取和識(shí)別。車(chē)牌的外圍會(huì)有一圈白邊或黑邊，內(nèi)部為藍(lán)色或綠色背景，故在二值化處理后可以在程序中定義兩條邊線，讓上邊線自動(dòng)從上到下掃描車(chē)牌邊界線，使下邊線由下到上掃描車(chē)牌邊界線，比對(duì)成功后，即可鎖定車(chē)牌區(qū)域。

4 功能測(cè)試

4.1 車(chē)牌識(shí)別功能

系統(tǒng)運(yùn)行前，對(duì)車(chē)牌識(shí)別的二值化閾值和車(chē)牌鎖定的上下限進(jìn)行調(diào)試，提高識(shí)別率。本文收集了不同場(chǎng)景、不同光照條件下的車(chē)牌圖像作為測(cè)試樣本，對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)測(cè)試。初步設(shè)定二值化閾值后對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行二值化處理，根據(jù)二值化后的圖像效果調(diào)整閾值，直到找到能凸顯車(chē)牌特征的最佳二值化閾值。二值化后，根據(jù)車(chē)牌實(shí)際尺寸和拍攝角度，設(shè)定車(chē)牌鎖定的邊界范圍。根據(jù)實(shí)時(shí)圖像特征，動(dòng)態(tài)調(diào)整鎖定范圍，以適應(yīng)不同場(chǎng)景和車(chē)牌類型。調(diào)試后獲得的車(chē)牌信息如圖7所示（為保證信息安全，對(duì)車(chē)牌第2位和第5位進(jìn)行了虛化）[10]。

利用本設(shè)計(jì)對(duì)停車(chē)場(chǎng)常見(jiàn)場(chǎng)景下的普通車(chē)牌和新能源車(chē)牌進(jìn)行識(shí)別，結(jié)果見(jiàn)表2。

4.2 停車(chē)場(chǎng)管理功能

車(chē)牌識(shí)別信息通過(guò)單片機(jī)處理后顯示在TFT屏幕上。停車(chē)場(chǎng)管理主界面如圖8所示，依次顯示車(chē)牌信息、停留時(shí)間、當(dāng)前費(fèi)用、剩余車(chē)位及是否識(shí)別成功[11]。本文系統(tǒng)還可以通過(guò)按鍵設(shè)置停車(chē)位余量，為停車(chē)場(chǎng)管理人員提供極大便利。若停車(chē)場(chǎng)內(nèi)部無(wú)空余車(chē)位，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，主界面上車(chē)輛余位顯示零，同時(shí)顯示不可進(jìn)入標(biāo)識(shí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)的停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性能穩(wěn)定、操作方便，在提高停車(chē)場(chǎng)管理效率的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了車(chē)位狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、車(chē)位引導(dǎo)和計(jì)時(shí)收費(fèi)等功能，可用于各大商場(chǎng)、超市、住宅等車(chē)位需求緊張的場(chǎng)所，應(yīng)用前景廣闊。

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作者簡(jiǎn)介：張春嶺（1987—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制。

金佳鑫（1984—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)檫^(guò)程控制。

王 靜（1986—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。

殷 帥（2001—），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧健?/p>

收稿日期：2024-04-22 修回日期：2024-05-27

基金項(xiàng)目：2023年大連理工大學(xué)城市學(xué)院教育教學(xué)研究基金課題（JXYJ2023013）