基于单片机的牌照自动识别系统设计与实现.docx
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基于单片机的牌照自动识别系统设计与实现
基于单片机的牌照自动识别系统设计与实现
xxxxxx信息学院
本科毕业设计（论文）
系所：
电子工程系
专业：
电子信息工程（嵌入式系统工程方向）
学生姓名：
学生学号：
指导教师：
导师职称：
讲师
完成日期：
2015年4月20日
xxxxxx信息学院
DalianNeusoftUniversityofInformation
基于单片机的牌照自动识别系统设计与实现
摘要
随着世界各国汽车的数量的增加，城市交通状况日益引起人们关注的，如何有效地管理交通，越来越多的人关注，已经成为人们的焦点，关键要解决这些问题，是构建智能交通系统。
车牌识别是智能交通系统的重要组成部分，它具有多种用途，在交通管制和监视，已被广泛应用于各个领域。
由于高速公路限速没有很好地起到警示驾驶员的作用，我们设计了一套基于MCS-51单片机，包括电探测装置和电子显示屏幕设备。
它不仅易于设置和显示道路限速完成了普通电子限速提示，同时测量能够实时显示并自动判断是否超速。
除了其成本低，精度高，通过计算证实大大改善了它的可用性。
车牌识别系统是近年来发展起来的基础上，智能交通管理系统，在模式识别领域，车牌识别技术是当前的一个热门话题在国内外应用研究。
本文将MFRC522作为车牌自动识别系统中的关键设备，完成信息采集板，车牌信息进行处理，提取车牌信息和字符识别所提取的特征。
首先分析了车牌识别系统实现的背景和意义。
然后对实现车牌识别的硬件环境做简要介绍。
并测试了数据传输等一系列的数据处理技术。
经过多次的车牌数据特征提取算法进行了比较，最后选择最合适的射频特征提取方法，为模具拉匹配的依据，最终确定车牌号。
关键词：
车牌识别，单片机，MFRC522
DesignandImplementationofLicensePlateAutomaticRecognitionSystemBasedonMCU
Abstract
Inviewofthehighwayspeedlimitunlicenseddriversshouldnotverywellserveasawarningtotherole,thisarticlehasdesignedasingle-chipbasedontheMCS-51,includingthephotoelectricdetectiondevicesanddisplaydevicesoftheelectronicscreen.Itnotonlycaneasilysetupanddisplaytheroadspeedlimitinordertoachievecommonelectronicspeedlimitsignspromptfunction,canbesimultaneouslymeasuredreal-timedisplayofspeedandautomaticallydeterminewhetherthespeeding.Inadditionitislowcostandthehighertheaccuracyofcalculationsgreatlyenhancesitsusability.Incrementofvehicleallovertheworldthesituationofcitytraffichasattractedtheattentionofpeople.Howtocontrolthetrafficeffectivelyhasbecometheproblemwhichmoreandmorepeoplepaycloseattentionto.ThewaytosolvethisproblemistoestablishtheITS—IntelligentTransportationSystem.VehiclelicenseplaterecognitionsystemisthecrucialpartoftheITS.
Licenseplaterecognitionsystemisdevelopedinrecentyearsonthebasisofintelligenttrafficmanagementsysteminthefieldofpatternrecognition;licenseplaterecognitiontechnologyistheapplicationofresearchcurrentlyahottopicathomeandabroad.ThisarticlewillMFRC522asautomaticlicenseplaterecognitionsystem,keyequipment,completetheinformationcollectionplate,licenseplateinformationprocessing,informationextractionandlicenseplatecharacterrecognitionfeatureextraction.Firstly,thebackgroundandsignificanceoflicenseplaterecognitionsystemimplementation.Thentherealizationoflicenseplaterecognitionhardwareenvironmenttomakeabriefintroductionandtestedaseriesofdatatransmission,dataprocessingtechnology.Afterseveralfeatureextractionalgorithmlicenseplatedatawerecomparedwiththefinalchoiceofthemostsuitableradiofrequencyfeatureextractionmethodformoldpullmatchingbasis,tofinalizethelicenseplatenumber.
Keywords:
Licenseplaterecognition,MCU,MFRC522
第1章 绪论1
1.3课题研究现状1
3.2.1单片机最小功能需求分析5
3.2.2射频模块功能分析5
3.2.3串口模块功能5
3.2.5蜂鸣器及指示灯模块功能6
3.3系统开发环境6
3.4系统任务的可行性分析6
3.4.1技术可行性6
第4章 系统设计8
4.1设计指导思想和原则8
4.1.1指导思想8
4.1.2软件设计流程8
4.2体系架构设计9
4.3硬件设计9
4.3.1 单片机与外围存储器连接电路设计9
4.3.2 射频模块功能分析11
4.3.3 串口模块功能12
4.3.4 电源模块功能12
4.3.5 蜂鸣器及指示灯模块功能13
4.4软件设计13
4.4.1 控制流程设计13
4.4.2 主函数设计14
4.4.3 中断函数设计14
4.4.4 功能模块设计15
第5章 系统实现16
5.1环境配置16
5.2功能模块实现16
5.2.1 主函数实现16
5.2.2 初始化函数17
5.2.3 中断函数实现18
5.3系统集成与调试19
第6章 系统测试20
6.1测试方案及测试用例20
6.2测试结构分析23
第7章 结 论23
参考文献24
致谢26
第1章 绪论
1.1课题研究背景与意义
随着进入21世纪，经济全球化和信息时代的到来，作为一个信息源，自动检测别技术越来越受到重视。
近年来，计算机的飞速发展和射频识别技术的成熟，一个巨大的变化对传统的交通管理，先进的计算机处理技术，不仅可以从繁琐的人工观测解放监控的人力，而且大大提高其精度，车牌自动识别系统，就是在这样的背景和发展的目的。
车牌自动采集和管理及其他相关信息流量管理，园区车辆管理，停车场管理，交警督察和重大意义等方面，并成为信息处理技术的一个重要的研究课题。
关于车牌识别技术和定位系统的研究，在我国已经有十余年的发展，该系统目前应用仍处于起步阶段，该系统采用成熟的大规模投资还没有出现，车牌识别系统作为提高交通管理的有效工具，技术水平依然完美。
1.2课题研究内容与方法
国内外学者对此已经有了较多工作，但实际效果并不理想，尤其是对车牌自适应性强、速度快、准确率高的高速车牌定位方法还有待进一步研究。
另外，对辅助光源要求高，也很难有效解决复杂背景下多车牌移动识别的技术难题，如：
车牌图像的倾斜、车牌表面污秽或磨损、光线干扰等都会影响定位的准确性。
传统车牌识别一般仅支持单一车辆，背景比较简单。
而当今许多实际应用场合，如在繁忙交通路口临时对欠税费、报废、挂失等车辆的稽查，则监视区域比较复杂，现有识别方法无法直接应用；而且多数情况下，同时出现多辆汽车，背景有广告牌、树木、建筑物、斑马线以及各种背景文字等，现有的识别方法也不能很好的适应多变的环境。
1.3课题研究现状
智能交通系统是二十一世纪道路交通的发展趋势。
继续发展和不断完善的可视化智能交通监控系统，为实际应用车辆道路运输基础设施的管理系统奠定了良好的基础。
智能交通系统，车牌自动识别系统是发展的一个很重要的方向。
车牌自动识别技术可应用于道路收费系统，交通管理系统领域，起到节省人力成本，提高工作效率，完善管理制度等。
随着汽车数量的迅速增加，车牌识别技术提出了巨大的经济价值和现实意义。
车牌识别技术的智能小区停车场，它能够车辆在不停车的状态下自动识别车辆牌照及车辆特征，在并将结果通过通信网络将识别信息和条目信息确定传递到每个卡口。
不需要支付通行道口值班员费用，同时也保证了车辆信息准确地出口，起到了替代道口值班员和保存当时的情况视频的目的。
停车场用户在进入或离开停车场时，可以听提高场管理质量，缩短停车时间。
智能交通系统尚处于起步阶段我们，车牌识别技术中占有重要的地位。
普及车牌识别技术，将对公路，城市道路和停车场的交通事故减少和车辆被盗的现象有着显著而深远的影响，有效提高维护社会稳定。
第2章 关键技术介绍
2.1串行通信技术
RS232是一种串行物理接口标准，是美国电子工业协会EIA（电子工业协会）制定的标准。
RS232总线标准有25条信号线，包括一个主信道和辅助信道。
在大多数情况下，主要使用的主通道，在一般双工通信的，只需几条信号线可以实现的，如一条发送线路、一天接受线路和一条地线。
2.2MFRC522的技术说明
MFRC522芯片主要用于13.56MHz的非接触式通信中，其是一款高级程度的读写卡系列芯片。
它是NXP公司推出的主要应用于三表上的芯片，其具有低电压、低成本、体积小等特点，是只能仪表和便携手持设备非常好的选择。
此芯片使用的是调制解调技术，在13.56MHz下，其完全集成了的所有的被动非接触式的通信方式及通信协议。
其支持ISO14443A的多层应用，其发送器部分可驱动读写器天线和ISO14443A/MIFARE卡和应答机的通信，无需使用其他电路进行辅助。
接收器部分提供一个良好的调制和解调电路。
用于处理ISO14443A的应答器信号。
MFRC522芯片还支持加密算法CRYPTO1，可被用在MIFARE系列产品中，MFRC522芯片还支持更高速的非接触式通信，其数据传输在双向通信上最高可达到424kbit/s，如图2.1
图2.1MFRC522引脚图
2.3电源转换模块
电源转换电路主要是控制电压降的电路，主要功能是将输入电路的5V电压转换为3V，系统设计中这用设计的使用的方法的目的是节省成本。
系统在设计过程中难免会发生一块电路板中有不同电压等级要求的器件。
在电路中增加AMS1117，其特点可以被用作线性稳压器，后置稳压器，其在本电路中使用的功能是交换式电源，将5V转换成3.3V。
第3章 系统分析
3.1系统设计目标
本系统主要以单片机为核心控制芯片，其主要以射频技术（RFID）作为技术，实现系统的无线拍照识别系统。
本系统的有点区别其他的拍照识别系统，此系统可以利用射频技术读取。
本系统主要系统的识别技术是射频识别技术RFID（RadioFrequencyIdentification），使用本技术的特点是摄像头技术在使用过程中，会被恶意遮挡。
也会受到天气等外界因素的影响其识别结果。
会造成很多的误识别，数据的统计也存在很多问题。
传统的摄像头识别系统其在扩展应用方面非常不好，其在车流量统计和车辆位置跟踪无法实现。
摄像头识别只能通过被动的识别，不能主动的去跟踪车辆信息。
本系统设计的内容主要利用射频识别技术，它是一种短距离识别技术，其可以主动的识别汽车的RFID，将车辆信息存储在系统的数据库内，可以有效的监控车辆的信息，此信息的利用率可以在各方面进行应用。
现在系统对车辆的信息的统计程度还不够完善，在各类刑事案件中，不能及时跟踪车辆的信息，射频识别系统可以增设识别系统，实时的检测车辆的信息。
3.2系统功能需求
3.2.1单片机最小功能需求分析
单片机系统是系统控制的核心，主要是控制系统的相应的各个相关传感器和功能模块。
单片机最小系统的主要是由单片机、复位电路和时钟电路组成。
单片机主要是存储程序和控制芯片，并判断传感器的信号，控制功能模块根据不同的条件，执行不同的动作。
复位电路和时钟电路给单片机提供时钟复位信号，单片机在运行的过程中，在环境的影响，可能导致系统无法运行。
需要复位电路提供复位信号，重启程序，保证系统重新运行。
3.2.2射频模块功能分析
射频信号时系统中信号传输的中介，系统通过射频信号完成系统功能。
射频模块主要的功能就是读取模拟车辆上电子的标签，将电子标签上的唯一号码读取出来，上位机软件将读取的唯一ID号码与系统里的信息意义对应，就可以识别当前车辆的信息。
3.2.3串口模块功能
串口是现在数据传输中较为常用的一种通信方式。
本系统中使用的串口是连接上位机和下位机，主要功能将下位机识别的信号传输到上位机，以便于上位机得到信息，并将车辆信息显示出来。
3.2.4电源模块功能
电源模块主要是给系统供电，电源是整个硬件系统运行的关键。
单片机系统的实现硬件电路时基础，硬件电路运行的基础是电源。
在供电稳定的情况下，系统才能够实现稳定的功能。
本系统采用线性电源供电，线性电源具有稳定，抗干扰等功能。
在单片机系统中得到广泛的应用。
本设计电源模块需要给系统提供5V电源。
本系统中电源共包含两部分，处了正常的5V供电以外还有一个电压转换芯片，AMS1117芯片，此芯片是将5V转换成3.3V，用于MF522芯片供电。
3.2.5蜂鸣器及指示灯模块功能
电源模块主要是给系统供电，电源是整个硬件系统运行的关键。
单片机系统的实现硬件电路时基础，硬件电路运行的基础是电源。
在供电稳定的情况下，系统才能够实现稳定的功能。
本系统采用线性电源供电，线性电源具有稳定，抗干扰等功能。
在单片机系统中得到广泛的应用。
本设计电源模块需要给系统提供5V电源。
3.3系统开发环境
硬件配置：
硬盘：
40GB
内存：
4GB
操作系统：
Windows7
软件开发软件：
keiluvision4
电路图绘制软件：
AltiumDesignerWinter09
图形化编程软件：
labview2012
3.4系统任务的可行性分析
3.4.1技术可行性
本系统具有可靠性高，采用市面最流行STC89C52单片机，使用最简单电路实现最复杂功能。
电路越简单故障点越少，稳定性越高。
具有性能价格比高，本设计电路简单减去不必要的成本，减去电路板设计过程中的过多冗余设计。
其功能完备，操作简便，高度人性化。
模块化设计，根据本系统是用于牌照自动识别系统的这一应用目的，系统尽量使用模块化设计，实现模块化积木式组合与拆分的功能，便于以后的升级换代，减少二次投资，可以满足使用者使用的重要性和复杂度以及使用对象对功能和价格的选择。
3.4.2系统安全性分析
系统安全主要是指其运行的安全性和运行过程中对使用者的人身安全问题。
安全问题一直是系统设计必须考虑的因素之一。
本系统是弱电系统，对于人身安全的保证是没有问题的。
对于系统的安全从硬件和软件设计共同保证。
硬件方面的安全保护主要在电路结构设计，器件的选型等方面进行谨慎选择，并且根据实际运行的环境进行对电路进行改进和保护。
软件方面是对一些软件程序的设计更具有逻辑性，各个功能模块化，有利于系统功能的调用。
有利于系统的升级和维护。
第4章 系统设计
4.1设计指导思想和原则
4.1.1指导思想
（1）对单片机的牌照自动识别系统进行系统的分析与整理后，功能模块化，减少重复的软件和硬件程序，提高系统的开发、运行、维护效率。
（2）基于STC89C52的牌照自动识别系统的首要目标是能够满足目前的业务功能需要，并确保系统运行稳定；通过参数配置等形式，实现灵活的配置系统的功能，并具有良好的可扩展性，提高软硬件模块功能的复用性。
根据实际情况，纳入接口系统架构。
（3）系统采用先进的系统管理模式，运行单片机自身的命令系统。
同时便于系统的运维工作。
4.1.2软件设计流程
程序设计就是用计算机所能接受的语言把所需解决问题的步骤逐一描述出来，也就是编制计算机的程序，在设计应用系统时，软件的编制是重要环节。
软件的质量直接影响整个系统功能的实现。
应用程序的设计因系统而异，但程序设计总是有共同特点及其规律的。
在编写程序时，采取如下几个步骤：
第一步，系统需求分析，明确系统所要完成的功能，将软件分成若干相对独立的部分。
根据系统各个模块的功能和时序关系，设计出合理的软件总体架构。
第二步，绘制系统框图和软件流程图，根据所选择的计算方法制定流程图，这是程序设计的一个非常重要组成部分，是决定一个系统是否的关键。
第三步，分配系统资源，单片机资源的使用有一定的限制，需要进行合理分配，其中包括中断、定时器/计数器、堆栈等几部分。
资源的合理分配后，进一步将程序框图绘制成详细的操作流程。
第四步，根据程序流程图和指令，编写程序，在关键位置增加功能注释，可以有效的增强系统的可读性和重用性。
第五步，测试程序，通过编译代码，必须使用编译程序汇编生成目标代码。
如果编译过程中发现语法错误，是无法通过编译的。
需要根据编译器调试的错误进行更改。
指导程序通过为止。
利用编译好的目标代码使用仿真器进行仿真。
观察仿真现象。
排除错误直到成功。
第六步，程序功能优化。
此项是将程序的质量的提高，主要为了增强程序可读性、可持续性，使各功能程序模块化，子程序化，缩短程序的长度，加快运算速度和节省数据存储空间，减少程序执行的时间。
4.2体系架构设计
系统设计可分为硬件设计和软件设计两部分。
根据我们需要实现的功能，合理选择元器件进行设计。
为了制作出想要的电路板，硬件设计主要涉及到构造原理图，并对原理图用keil软件进行仿真，这一步最为重要，它关系到实验成功与否的关键。
然后一旦仿真测试出我们想要的结果后，就可进行下一步原理图的绘制。
软件设计部分，应该结合硬件电路所要实现的功能进行设计。
本系统主要是针对车牌自动识别系统进行识别。
通过车辆通过识别区域，收集车牌及车辆信息。
相对牌照自动识别控制系统而言，传统控制方式简单、有效、直观。
但它过多依赖控制者的个人能力，控制相对分散和无法有效管理，实时性和自动化程度太低。
正因为此，牌照自动识别研究有着极其有重要的意义。
4.3硬件设计
系统原理图如图4.1所示。
图4.1系统原理图
4.3.1单片机与外围存储器连接电路设计
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
STC89C52采用40引脚的双列直插封装（DIP方式）。
单片机的最小系统，关键组装部分还有时钟短路和复位电路。
时钟电路简介：
外部时钟电路简单且同意实现，其主要的核心在于单片机的管脚XTAL1和XTAL2。
单片机的XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器。
XTAL1和XTAL2引脚在系统设计的过程中可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，也可以配置成为直接连接外部时钟驱动。
本系统即是采用的内部时钟的方式实现的。
内时钟模式即是利用单片机内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件实现的，主要是连接一个石英晶体和两个电容，单片机的内部振荡器便可以产生自激振荡。
在正常情况下，晶振的大小可以在12MHz之间任选，最高频率可以达到24MHz。
频率越高频率功耗也就越大。
本系统中采用的石英晶振和并联的两个电容。
在设计过程中电容的大小对振荡频率有微小影响，其主要作用是微调频率的作用。
当采用石英晶振时，电容的值可以在20~40pF之间选择任选，议案情况下使用30pF的电容。
当采用陶瓷谐振器件时电容要适当地增大一些在30~50pF之间。
我们通常选取33pF的陶瓷电容。
复位电路简介：
在单片机系统中复位电路是非常关键的，当程序运行不正常或死机，停止运行时就需要进行复位。
单片机的第9管脚（复位引脚RST）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST被持续的置为高电平，单片机就处于循环复位状态。
复位操作通常有两种基本形式上电自动复位和开关复位。
复位电路主要包括以上两种复位方式。
第一是上电瞬间复位，上电瞬间复位原理是利用电容两端电压不能跟随系统的电压变化不能突变，因为此时电容的负极引脚和单片机的RESET引脚连接。
相连相应的电压会被全部加在了电阻上RESET引脚的输入为高，高电平会使芯片被复位。
随后电容充电完成后，电阻两端上的电压也随之逐渐减小，最后减小到约等于0V，单片机就可以恢复正常的工作状态。
开关复位是将并联在电容的两端连接复位按键，当复位按键没有操作时，系统正常运行。
当有按键操作后，电路实现在芯片正常工作后通过按下按键使RST管脚出现高电平，以达到手动复位的效果。
一般情况下只要RST管脚上保持10ms以上的高电平就能使单片机进行复位操作
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