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
void Servo_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10kHz
  TIM_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
void Servo_Control(uint16_t angle){
  uint16_t pulse = 500 + angle*10; //角度转脉冲，0°对应500，90°对应1400
  TIM_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）
void USART1_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
void Voice_Broadcast(uint8_t *car_num){
  uint8_t cmd[] = {0xAA,0x01,0x00,0x00,0x00}; //播报指令帧
  uint8_t len = 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_t i=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）
void SPI1_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
void LCD_ShowString(uint16_t x, uint16_t y, uint16_t color, uint16_t bg_color, uint8_t *str, uint8_t size){
  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：

c
int main(void){
  uint8_t car_num[10]; //车牌缓存
  uint32_t enter_time = 0; //进场时间
  uint32_t leave_time = 0; //离场时间
  uint16_t remaining_parking = 50; //初始剩余车位50个
  float fee = 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();
        float time = (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。