基于图像的小区智能道闸系统设计.doc

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1、摘要针对车辆出入仍采用人工管理方式的场所，尤其是车辆出入频繁的住宅小区，设计了这一种基于图像的小区智能道闸管理系统。该系统以STC12C5A60S2单片机为整个系统的控制核心，采用车牌智能识别技术，分别对业主与非业主车辆进行智能管理，实现车主不停车出入小区的功能。该系统包括车牌信息采集触发模块、车牌智能识别模块、单片机控制模块、道闸电机驱动模块以及电源稳压模块，用多种传感器及其控制电路，实现小区道闸系统的智能识别车牌、自动开启、智能报警等功能。经多次实验证明，正常光照(10080流明)条件下，对车牌的综合识别概率不低于99.5%。可以满足智能道闸对于车牌识别等应用要求，具有一定的理论与现实意义

2、。整个系统的电路结构简单，可靠性能高，测试结果满足功能要求。 关键词图像；单片机；住宅小区；智能道闸；系统设计Abstract Gas concentrations are more sensitive to the occasion, especially in the environment of harmful gases, designed and implemented a gas concentration detection car.The car frame made of strong materials, for the entire system of control S

3、TC12C5A60S2 microcontroller core, through the ambient gas concentration detection,determine the orientation of harmful gases, complete the hazardous gas detection and alarm. The car include Rd tracking circuit, the drive motor circuit, the gas concentration data acquisition circuit, a power regulato

4、r-circ- ut,and the buzzer circuit, a variety of sensor and control circuit, the car automatically hunt, intelligent detection and alarm function. After repeated experiments proved that the detection error of less than 10cm.To meet the smart car for the gas concentration detection applicat- ion requi

5、rements, some theoretical and practical significance. The whole system is a simple circuit structure, high reliability, the test results meet the functional requirements.Key wordsImage; STC12C5A60S2; Residential quarter; Intelligent barrier; System designII目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 引言21.2 道闸概述21.3 道闸的

6、发展历史及现状31.4 论文研究内容及章节安排22 小区智能道闸系统总体设计及工作原理21.1 小区智能道闸管理系统实现的功能21.2 小区智能道闸系统所需要的硬件设备21.3 基于图像的小区智能道闸系统总体设计33 基于图像的智能道闸系统硬件结构设计43.1 智能道闸硬件的基本结构43.2 车牌信息采集触发模块53.2.1 触发模块的主要原理53.2.2 触发模块的分析与论证63.3 车牌智能识别模块设计73.3.1 车牌识别模块的组成73.3.2 车牌识别模块的主要原理73.3.3 车牌识别模块的分析与论证83.4 单片机控制模块93.4.1 单片机控制模块93.4.2 点阵显示模块103

7、.4.3 声光报警模块113.5 道闸电机驱动模块123.5.1 道闸电机驱动模块123.5.2 道闸电机控制电路133.6 电源稳压模块142.6.1 电源稳压电路图142.6.2 电源稳压结构分析153.7 硬件原理图164 智能道闸实验平台与实验结果分析174.1 实验平台的设计174.2 实验结果及分析185 总结与展望205.1 总结205.2 展望21致谢31参考文献24附录25基于图像的小区智能道闸系统设计1 小车系统总体设计及工作原理1.1 引言随着经济的发展，汽车作为一种生活用品将越来越多地进入小区中，再加上原来的人工车辆公路管理方式和收费方式不仅占用了大量的人力、物力、财力

8、；而且效率低下，容易产生错误，造成资源的极大浪费。因此，从某种程度上来说，以前的人工车辆管理方式和收费方式已经影响到了业主的生活质量和小区的形象。幸运的是随着物联网的逐渐兴起，车主不停车出入小区或企业的智能道闸已经成为未来发展必然趋势。以单片机为核心的小区道闸智能控制系统，采用车牌智能识别技术实现业主不停车进出小区大门或车库，对非业主车辆进出小区实行报警提示，由门卫盘问、登记后放行。智能化的道闸控制系统对提升小区形象、不停车进入小区、方便业主出入、减少保安配置、降低物业管理成本、防盗等意义重大，而且对现有道闸进行一定改装，即可实现道闸智能化控制，市场潜力巨大。本课题的目的就是研究基于图像识别技

9、术的智能道闸系统功能模型，并进行硬件系统的结构组成设计，同时完成软件系统的相关功能，所以本课题的研究意义重大。1.2 道闸概述道闸又称挡车器，最初从国外引进，英文名叫Barrier Gate，是专门用于道路上限制机动车行驶的通道出入口管理设备 ，现广泛应用于公路收费站、停车场、小区、企事业单位门口，来管理车辆的出入。电动道闸可单独通过遥控实现起落杆，也可以通过停车场管理系统（即IC刷卡管理系统）实行自动管理状态。根据道闸的使用场所，其闸杆可分为直杆、90度曲杆、180度折杆及栅栏等。道闸由减速箱、电机、（或者采用液压）传动机构、平衡装置、机箱、闸杆支架、闸杆等部分组成。随着汽车工业的不断发展及

10、汽车数量的日益剧增，对道闸的需求量也越来越大，对道闸的性能也提出了更高的要求。如道闸一体化机芯、离合装置、智能防抬功能、遇阻返回装置、升温功能（确保在零下40度环境下使用）、抽风降温系统（及时降低电机温度）、自动离合装置、防撞脱杆装置等。杆的起落速度从0.8秒到6秒不等。杆子长度0-10米 。栅栏道闸国内龙盛栅栏最长6.5米 。道闸已越来越向高科技方面发展，以适应市场对产品的需求。1.3 道闸的发展历史及现状随着汽车业的发展，实现对小区和企业车辆进行现代化的管理已经成为一个热门的研究课题。为了解决这一课题所要求达到的自动性、实时性、高效性和准确性等方面问题。在国际上，从上个世纪50年代开始，研

11、究人员就开始研制各种各样的实时车辆智能管理系统。而国内对实时车辆的智能管理系统的研究还处于起步阶段，与国际上的先进国家相比还有很大差距，但就在近二十年还是取得了一定的研究成果。例如丹东东方测控技术有限公司研制的车辆智能管理系统，运用人工智能、模糊识别等方法从车辆图像中提取牌照图像，实时识别为文字和数字号码，存入数据库，节约存储空间、查找方便，真正实现了车辆的文档化管理。使得系统具有减少人为的干预，车辆通过速度快、记录准确、节省人力的优点。此外，杭州友通科技有限公司的车牌自动识别系统在传统监控技术的基础上，引入数字摄像技术和计算机信息管理技术，采用先进的图像处理、模式识别和人工智能技术，通过对车

12、辆图像的采集和处理，获得车辆的数字化信息，再引入先进的网络数据库技术，从而达到更高的智能化管理水平。1.4 论文研究内容及章节安排论文主要通过介绍车牌信息采集触发模块、车牌智能识别模块、单片机控制模块、道闸电机驱动模块、电源稳压模块以及分析论证，最终搭建一个基于图像的小区智能道闸系统。论文的章节安排如下：第一章 绪论：阐述小区智能道闸系统这一课题的研究背景及意义、发展历史及现状，以及论文章节安排。第二章 系统总体设计及工作原理：介绍系统的设计思路、所要实现的功能，以及所需要的硬件设备。第三章 硬件结构设计：介绍各个模块的设计与实现。第四章 实验平台与实验结果分析：介绍系统的各个模块的测试结果与

13、分析。第五章 总结与展望：介绍系统的设计过程中的遇到的问题和获得的结论，以及对系统进一步设计的意见和展望。2 小区智能道闸系统总体设计及工作原理2.1 小区智能道闸管理系统实现的功能按照系统的预期功能，系统设计成以单片机为控制核心，包含压强传感模块、车牌识别模块、点阵显示模块、声光报警模块、道闸驱动模块以及电源模块的智能道闸系统，从而实现业主不停车进出小区大门或车库，对非业主车辆进出小区实行报警提示，由门卫盘问、登记后放行等功能。系统的整个运行流程如下：（1）车辆进入：车辆驶入车牌摄像机抓拍区域，触发地感线圈，压强传感模块传递信息给车牌识别系统，记录驶入时间。车牌识别系统自动抓拍车辆的特写图像

14、，并识别出车牌识号，然后通过检索数据库得出车辆类别(内部车和临时车等)。在软件界面显示该车的相关信息。单片机触发点阵显示模块和声光报警模块，LED屏显示相关信息，语音播放识别出来的车牌，欢迎光临等提示语。同时触发道闸电机驱动模块，闸机放行，并记下车辆进入时间。车辆越过进口，驶入小区内，道闸自动放下。整个过程自动完成，车辆一直处于行驶状态，而且无须工作人员干预。（2）车辆离开：车辆驶入车牌摄像机抓拍区域，触发地感线圈，压强传感模块传递信息给车牌识别系统。车牌识别系统自动抓拍车辆的的图像并识别出车牌号，然后通过检索数据库得出车辆类别(内部车和临时车等)。在软件界面显示该车的相关信息。若为非业主车辆

15、，系统自动计算收费金额，同时单片机触发点阵显示模块和声光报警模块，LED屏显示相关收费金额，语音播放收费金额。工作人员收费后，触发道闸驱动模块和声光报警模块，闸机自动启竿放行，语音播放祝您一路顺风等提示语。若为业主车辆，闸机自动启竿放，电脑调出该车入场时的抓拍图像，入场时间等。如果车辆被列入黑名单，不管是临时还是固定车辆，闸机不会打开，同时系统都会发出报警信号，通知工作人员注意。车辆越过道闸，离开停车场或小区，触发压强感应模块，系统记下车辆离开时间。2.2 小区智能道闸系统所需要的硬件设备小车系统共有5大模块，分别是车牌信息采集触发模块、车牌智能识别模块、车牌信息核对模块、STC12C5A60

16、S2单片机控制模块、道闸电机驱动模块、电源稳压模块。系统结构框图如图1-1所示。图 1-1 智能道闸管理系统结构框图2.3 基于图像的小区智能道闸系统总体设计-3 基于图像的智能道闸系统硬件结构设计3.1 智能道闸硬件的基本结构道闸系统的结构主要分为以下几个部分： 1、车牌信息采集触发模块，用于探测黑线的位置，由若干个光电管组成，通过反射红外线的变化判断黑线的有无。 2、车牌智能识别模块，3、单片机模块，单片机的选用可以根据个人情况自行选择，对于本文介绍的智能道闸来说一般的51单片机已经足够。点阵显示模块；声光报警模块，通过单片机给蜂鸣器高电平来使蜂鸣器报警。4、道闸电机驱动模块，由于单片机输

17、出的电流有限，无法直接驱动电机进行工作，因此需要通过专用的电路进行驱动，只要单片机给出相应的控制信号，便可控制电机工作，本文以较为常用的H桥驱动芯片L298N为例9。 5、电源模块，由于小车采用电池供电，因此合理的设计一个电源模块是小车稳定运行的前提。 3.2 车牌信息采集触发模块3.2.1 触发模块的主要原理3.2.2 触发模块的分析与论证3.3 车牌智能识别模块设计3.3.1 车牌识别模块的组成3.3.2 车牌识别模块的主要原理3.3.1 车牌识别模块的分析与论证3.4 单片机控制模块单片机是道闸系统的控制中心，单片机最小系统的合理设计是道闸平稳运行的前提，如图2-2所示，为51单片机的最

18、小系统参考电路图。51单片机最小系统由以下几个部分组成： 1、晶振电路，单片机要想工作必须有一个外部的时钟源，这个时钟源由外部晶振产生，具体电路为图中的X1、C3、C4，在做电路板时应注意晶振和电容要靠近18脚和19脚放置。2、复位电路， RST（9）脚上只要有持续两个机器周期以上的高电平就能使单片机复位，因此上电复位的原理就是利用电容充电的一段时间将复位脚拉至高电平，使单片机完成复位，C1可以选用104或105之类的瓷片电容，R1在电容充电结束后将复位脚拉至低电平，保证单片机正常工作10。3.4.1 单片机控制模块单片机电路图如图2-2所示：图 2-2 单片机核心板管脚图3.4.2 点阵显示

19、模块3.4.3 声光报警模块3.5 道闸电机驱动模块3.5.1 道闸电机驱动模块由于单片机的驱动能力不足，无法驱动像电机这样的大功率外部器件，因此必须外加驱动电路。 本设计采用最常用的L298N驱动电路，一片L298可以同时驱动两路直流电机和一路两相步进电机。该系统中直流电机控制电路的原理图如图2-4所示。直流电动机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 电动机两端加正向电压，可以实现电动机的正转制动。电动机两端加反向电压，可以实现电动机的反转制动。电动机两端加不同电压，可以实现电动机的转速不同，实现小车的转向控制16。3.5.2 道闸电机控制电路 由于单片机的驱动能力不足，无

20、法驱动像电机这样的大功率外部器件，因此必须外加驱动电路。 本设计采用最常用的L298N驱动电路，一片L298可以同时驱动两路直流电机和一路两相步进电机。该系统中直流电机控制电路的原理图如图2-4所示。直流电动机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 电动机两端加正向电压，可以实现电动机的正转制动。电动机两端加反向电压，可以实现电动机的反转制动。电动机两端加不同电压，可以实现电动机的转速不同，实现小车的转向控制16。2.5.2 直流电机控制电路图 2-4 直流电机控制模块L298N电路L298N电路图的说明：1）电路图中有两个电源，一路为 L298 工作需要的 5V 电源 VCC

21、，一路为驱动电机用的电池电源 VSS。2）1 脚和 15 脚有的电路在中间串接大功率电阻，可以不加。3）图5中连接了两路电机，P2 和 P5 是一一对应关系，如果只驱动一路电机可以连接对应的12或者34脚17。4）八个续流二极管是为了消除电机转动时的尖峰电压保护电机而设计，简化电路时可以不加。5）6 脚和 11 脚为两路电机通道的使能开关，高电平使能，所以可以直接接高电平，也可以交由单片机控制。3.6 电源稳压模块3.6.1 电源稳压电路图电源稳压模块的原理图如图2-5所示：图 2-5 电源稳压模块LM7805、LM7806电路3.6.2 电源稳压结构分析 电源稳压模块主要使用在机器人走迷宫、

22、灭火等项目，可使电池的输出电压稳定在一个恒定的值，以保证机器人行走过程中的一致性。电源是整个系统稳定工作的前提，因此必须有一个合理的电源设计，对于小车来说电源。设计注意两点： 1、与一般的稳压电源不同，小车的电池电压一般在6-8V左右，还要考虑在电池损耗的情况下电压的降低，因此常用的78系列稳压芯片不再能够满足要求，因此必须采用低压差的稳压芯片，在本文中以较为常见的LM339AN为例18。 2、单片机必须与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，影响单片机的稳定运行。采用两路供电，这样可以使用其中一路单独为单片机，指示灯等供电。另外一路提供L298N的电压，L298N的驱动电压由电

23、池不经任何处理直接给出。 三端稳压LM7806来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格低廉19。3.7 硬件原理图毒气检测小车的整体原理图如图2-6、图2-7所示：由于版面限制，把整个原理图分为系统原理图和循迹电路图两部分。循迹电路图中有循迹模块的内容，而系统原理图中包括了STC12C5A60S2单片机电路、L298N驱动电机、LM7805和LM7806稳压电路、MQ-5煤气检测模块、蜂鸣器模块。图 2-6 系统原理图电路循迹部分电路图 2-7 系统原理图4 智能道闸实验平台与实验结果分析4.1 实验平台的设计4.2 实验结果及分

24、析软件部分的程序用C语言编制程序来实现设计的控制算法。本设计中小车的智能化是由小车自主行驶、自动循迹体现的。其过程为起初小车沿直线行驶，行驶过程中通过循迹模块中红外传感器检测黑色路径，如果黑色路径是直线，小车沿着直线行径；如果黑色路径发生了转弯的话，小车将沿着黑色路径转弯，直到黑色路径为直线时再沿直线行驶。主程序如下：TMOD=0x10表示定时器1工作方式，TH1=(65536-1000)/256，TL1=(65536-1000)%256表示定时器初值，ET1=1表示开定时器1中断，TR1=1开始计数，IT1=1外部中断开，EA=1开总中断，while内循环循迹函数。单片机通过L298N电机驱

25、动小车马达来实现小车的前进与停止，前进与停止的程序如下：P10、P12、P14、P16分别对应着单片机的P1.0、P1.2、P1.4、P1.6引脚，通过控制着四个引脚的高低电平来控制马达。智能小车通过循迹模块中红外线传感器来判断黑线的存在，并沿着黑线行走。循迹的函数如下：循迹模块通过5个红外传感器来判断黑线的方位，并通过单片机对于驱动电机的控制来使小车改变方位23。主程序流程图如图3-1所示：图 3-1 主程序流程图 中断服务程序流程图如图3-2所示：图 3-2 中断服务程序流程图中断服务程序中，如果毒气检测模块检测到毒气浓度超标，则返回一个高电平，蜂鸣器报警。5 总结与展望5.1 总结本文设

26、计的智能小车直流电机调速系统通过检测到电动机的实际转速，形成闭环控制，对其转速进行调节。如果要在系统中进一步增强自动调速的功能，可以引入神经网络等算法对直流电机转速进行调节和精确的校正这些算法。能使小车功能完善，灵活性强,智能化程度高，具有可移动性、轻便性、易操作性和适应性等特点，适用于现代智能化各种环境。如果能够在检测到煤气浓度数值后通过无线通信方式返回值至上端机上更好。5.2 展望致谢 本文是在吴建辉博士精心指导和大力支持下完成的。吴博士严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在

27、此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于单片机方面的知识，实验技能有了很大的提高。另外，我还要特别感谢学长们对我实验以及论文写作的指导，他们为我完成这篇论文提供了巨大的帮助。还要感谢，周贺贺同学对我的无私帮助，使我得以顺利完成论文。最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢。参考文献1 Wang Qianxiang.Towards a rule model for self-adaptivesoftwareJ.ACM SIGSOFT Software Engine- ering Notes,2005,30(1):1-5.2 Henricksen K,Indulska J.A softwa

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