第頁2方案設計與論證2.1該系統的總體設計根據設計內容與要求，確定了如下的計劃：本系統的硬件設計主要由四個模塊構成，分別是核心微控制器模塊、OV2640攝像頭顏色識別模塊、拍照自動扣款模塊、OLED液晶顯示模塊和攝像頭顏色識別模塊，其原理是通過利用OV2640攝像頭拍攝提取圖，再對照片進行分析、處理比對之后，最后提取餐盤的顏色以及外形。根據提取的餐盤顏色和外形對不同菜系進行分類然后自動計價，識別過程在其中一個顯示屏上顯示，通過藍牙傳送模塊將結果傳送到另一個顯示屏上面，學生通過刷校園卡進行線上支付。智能餐廳結算系統的系統框圖如圖2.1所示：圖2.1系統框圖2.2該方案論證通過整體方案餐廳智能結算系統主要由核心微控制器模塊、OLED液晶顯示模塊、無線刷卡模塊、OV2640攝像頭識別模塊和數據傳送模塊。2.2.1單片機的比較與選擇方案一：STM32f103系列的單片機其微控制器采用Cortex_M3架構，該系列的產品包含有很多種控制外設，USB全速接口CAN。優點是高性能、低成本，低功耗；缺點是價格昂貴，而且不能進行圖像處理，不適合本課題功能的實現。方案二：STM32f407。與STM32f103相比，這一款芯片運行內存大、頻率高，能滿足大部分不同功能的需求，擁有兩個DMA控制器，每個控制器都有屬于自己的通道且不同流，該芯片可以進行圖像處理，對本課題的圖片顏色以及形狀識別都有很大的幫助。相比較而言，采用STM32f407芯片更合適一些。2.2.2攝像頭傳感器的比較與選擇方案一：OV7670攝像頭。OV7670攝像頭是一個8位影像數據攝像頭。OV7670攝像頭VGA圖片識別最高一秒達到三十幀。該攝像頭有個優點是對于圖片的質量、數據格式和傳輸方式都可以由用戶來控制,而且該傳感器體積小，工作電壓低，功能較為齊全；缺點是價格昂貴。方案二：OV2640攝像頭。OV2640是一顆1/4寸的CMOSUXGA圖像傳感器。OV2640攝像頭使用的數據總線是SCCB總線。OV2640攝像頭可以輸出整振的數據以及進行子采樣，同時OV2640攝像頭也可以對獲取的圖片進行縮放。其優點是靈敏度非常高，工作電壓比較低，適用于嵌入式系統應用。同時OV2640使用的是標準的SCCB總線接口，也兼容IIC接口，能圖像縮放和閃光燈，自帶嵌入式微處理器，功能強大。這兩種方式都可以完成智能結算系統要求，但方案二所采用的攝像頭功能更強大且成本較低，因此最后設計選擇OV2640攝像頭。2.2.3顯示器的比較與選擇方案一：OLED，即有機發光二極管。OLED屬于固態結構，因為沒有液態物質，所以抗震性能良好。由于它的結構比較簡單，重量較輕，成本相對較低，省電可靠等優點很受開發人員的喜愛。目前市面上所采用的OLED，壽命也比較高。方案二：1602型的LCD液晶顯示屏是一款工業字符型的液晶顯示器，該顯示器的屏幕上只能夠顯示32個字符，該顯示器技術比較成熟，在顯示時只能夠顯示字母和數字，具有微功耗的特點。用單片機檢測其指定引腳，判斷其高低電平，顯示信息量較小。為了能更好更直觀的實時顯示結算結果，本設計采用OLED液晶顯示屏。2.2.4藍牙的比較與選擇方案一：SPP-BT，即藍牙串口透傳模塊。該模塊遵循V2.1+EDR藍牙規范，很容易實現手機與藍牙設備之間的通信，該模塊具有成本低、信號強、體積小、抗干擾能力強等特點。該模塊也可以實現即拿即用，無需學習藍牙開發就可以實現藍牙通信。方案二：HC-05，該模塊為主從為一體的藍牙模塊，既可以工作在主設備模式，也可以工作在從設備模式，如果需要將兩個藍牙模塊連接起來時，則可以使用兩個HC-05，一主一從。方案三：BLE-CC41-A藍牙，是由美國TI公司生產的一款CC2541芯片。該芯片的配置空間大小為為256KB，其遵循藍牙規范的V4.0BLE版本。同時BLE-CC41-A藍牙模塊支持AT指令。對于其串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數用戶可以根據自己的需求進行設計，使用比較靈。同時該模塊支持異步收發器接口，其特點是成本較低、體積較小、功耗較低、收發靈敏比較高，在使用時只需配備少許的外圍元器件就能實現。最后，為了能更好更直觀的實時傳輸結算結果，本設計所采用BLE-CC41-A藍牙模塊。3硬件部分的設計由單片機核心控制模塊、OV2640攝像頭模塊、LCD液晶顯示模塊、CC2541藍牙模塊模塊等組成的系統構成了歐亞學院智能餐廳結算系統的硬件部分。經過對系統的研究以及方案的論證，最終確定了如圖3.1所示的硬件系統框圖。圖3.1硬件系統框圖3.1系統單片機模塊本系統所選用的核心主控芯片是STM32F407系列的微控制器，該微控制器是基于ARMCortex_M3的32位微控制處理器，其內部包含有高速存儲器ROM，STM32F103系列的單片機其工作頻率最高可達168兆赫。并且該微控制器含有豐富的I/O端口以及兩條高級外圍設備總線（APB總線）以及連接到兩條高級高速總線（AHB總線）的外設。內部帶有2個PWM定時器和14個16位定時器。STM32F103系列單片機的內部器件如表3.1所示。從包含的內部器件可以看出，其通信接口相對來說比較豐富，同時具有功耗的優點，因此該單片機應用于生活的各種場景。它的實物圖片如圖3.2所示：圖3.2主控芯片實物圖表3.1內部的器件表外設參數定時器通用定時器10個（TIM2到TIM5、TIM9到TIM14）高級控制定時器2個（TIM1和TIM8）基本定時器2個（TIM6和TIM7）通信接口SPISPISPI1、SPI2IICIICIIC1、IIC2USARTUSART1USART2USART33個(USART1、USART2、USART3)USB1個(USB2.0全速)CAN1個(2.0B主動)GPIO端口14412位ADC模塊(通道數）2(10)2(10)2(16)2(16)CPU的頻率168MHz電壓1.8~3.6V溫度環境溫度：-40°C~85°C（TA）封裝LQFP1003.2OLED液晶顯示模塊OLED即有機發光二極管，它采用的是非常薄的有機材料，一旦有電流通過他就會發光，而且當今國際上各大生產廠商都把它運用到電視，手機，電腦等領域，應用廣泛。圖3.3OLED液晶顯示屏實物圖OLED液晶顯示屏其工作電路圖如圖3.4所示：圖3.4OLED液晶顯示屏電路圖該OLED液晶顯示模塊有如下優點：本屏所用的驅動IC為SSD1306；其具有內部升壓功能；2、可以對圖片、字符、漢字進行取模；3、帶接線端子，同時保留焊線接點，很方便使用。4、功耗小，效率高。輸入電壓3V~5.5V,輸出電壓3V~5.5V，轉換效率高。5、四線制接口，引腳簡單，方便進行開發。OLED的管腳說明如下圖3.5所示:圖3.5OLED管腳功能說明單片機采用3.3V/5V電壓的接線模式,下圖是OLED與單片機硬件連接說明如下表3.7所示：表3.7OLED硬件連接說明OLED管腳GNDD0VCCD1PESDCCS主控芯片管腳GNDPE0+5VPE1PE2PE3PE43.3OV2640攝像頭模塊本系統所使用的攝像頭是一款尺寸為1632*1232的圖像傳感器。該攝像頭在使用時可以通過SCCB總線來控制，同時可以輸出去整振的數據以及進行子采樣，也支持圖片縮放和取窗口等方式。其分辨率為8位或10位。模塊的特點如下：一二三四五六七八九支持標準的SCCB接口，同時兼容IIC接口支持RawRGB、RGB(RGB565/RGB555)、GRB422、YUV(422/420)和YCbCr（422）的輸出樣式能將UXGA、SXGA、SVGA以及按比例縮小到任何尺寸支持自動曝光控制、自動增益制、自動白平衡、自動消除燈光條紋、自動黑電平支持色飽和度的調節、色相的設置、伽馬設置以及銳度設置。支持圖像按比例縮小以及圖片的平移和窗口大小的設置可以圖像壓縮，同時也可以輸出JPEG圖像數據嵌入式微處理器提供模塊集成有源晶振，無需外部提供時鐘，集成LDO，只需要3.3V電壓就能正常工作該模塊的實物圖如下圖3.6所示：圖3.6攝像頭實物圖此模塊的工作原理圖如下圖3.7所示：圖3.7攝像頭OV2640工作原理圖OV2640的管腳功能如表3.2所示：表3.2OV2640的管腳功能描述管腳描述OV_SCLSCCB總線的時鐘線OV_SDASCCB總線的數據線OV_RESETB系統復位管腳，低電平有效（IN）OV_PWDN掉電/省電模式，高電平有效OV_HREF行同步信號OV_VSYNC幀同步信號OV_PCLK像素同步時鐘輸出信號XCLK外部時鐘輸入端口Y0~Y9像素數據輸出端口OV_D0~D7數據線（OUT）利用OV2640攝像頭可以很方便的實現：照片的捕獲，通過捕獲照片的形狀計算出物品價格。目前廣泛應用在汽車、安檢、計算機、工業、通信和醫療等領域。圖3.9OV2640攝像頭與STM32引腳連接圖OV2640的管腳與主控芯片硬件連接說明如表3.3所示：表3.3OV2640硬件連接說明3.4藍牙模塊BLE-CC41-A藍牙模塊采用TI公司的CC2541芯片，內置256KB的存儲空間，其實物如圖3.10所示。它的主要特點有：工作頻率為2.4GHz，采用GFSK調制方式，超低功耗，供電電壓為3.3V，主從一體，靈敏度高。其電路原理如圖3.11所示。圖3.10CC2541藍牙模塊實物圖圖3.11CC2541藍牙模塊原理圖CC2541藍牙模塊管腳具體含義及作用如圖3.4所示：圖3.4管腳功能藍牙模塊連接引腳關系：CLEAR：可編程輸入輸出接口+5V：電源輸入GND：接地TX：連接單片機串口的RXRX：連接單片機串口的TXMCU_INT:主機中斷指示口，空閑為低，連接上為高4軟件部分設計4.1軟件總體設計本系統的軟件部分由主程序、OV2640攝像頭程序、OLED液晶顯示屏代碼、藍牙模塊等若干子程序構成。本系統在設計過程中，軟件部分采用的是C語言進行攥寫代碼，同時采用模塊化的編程思想，這樣做的好處是程序結構清晰易懂，方便后續進一步的修改和以及功能的擴展。當OV2640攝像頭模塊識別到餐盤時，系統就會調用自動結算功能，統計餐具總和，并且在OLED液晶顯示屏上顯示當前餐具的總金額，同時使用CC2541藍牙模塊將數據發送到另一個顯示屏，再將結算金額傳送到校園一卡通上。整個程序最終實現的目的如下：1、OV2640攝像頭捕獲圖片信息。2、調用系統結算功能計算金額總和。3、通過OLED液晶顯示屏顯示金額。4、使用藍牙將數據發送到顯示屏上同步顯示。主程序流程圖如圖4.1所示：圖4.1主程序流程圖4.2攝像頭如何進行圖像識別4.2.1OV2640攝像頭模塊OV2640一款圖像傳感器。在硬件設計時通過SCCB總線進行控制。其可以輸出整幀的數據以及進行子采樣。也可以對獲取到的圖片進行縮放和取窗口等方式的設置。其分辨率為6位或者8位。同時該攝像頭模塊支持自動曝光控制、自動增益控制、自動白平衡、自動消除燈光條紋、自動黑電平校準等自動控制功能。也支持色飽和度、色相、伽馬、銳度等設置。支持圖像壓縮，即可輸出JPEG圖像數據。OV2640攝像頭模塊程序流程圖如圖4.2所示：圖4.2OV2640攝像頭模塊程序流程圖4.2.2餐盤顏色和形狀識別（1）顏色識別本設計的核心內容是顏色的識別，這一環節是本設計的核心內容。本設計實現餐盤顏色識別，首先是要確保攝像頭采集到了當前餐盤圖像中的餐盤特征信息，將每個餐盤的信息與存盤的信息進行對比，確定其對應的價格，并進行信息匯總。為了識別和檢測圖像該設計原理是基于圖像識別，它是一種捕捉，處理，檢查和理解照片的方法。識別顏色的流程圖如下圖所示：圖4.3識別顏色程序圖（2）輪廓提取餐盤顏色信息提取之后，便將圖片轉化為灰度圖，對圖片進行二值化，提取餐盤的形狀，圓形和方形，讀取信息，精確識別。調用尋找輪廓函數。在自動結算時，首先要對餐盤的輪廓進行提煉，這樣做的目的就是為了方便進行計價。其次是將獲取到的圖片轉為灰度圖，然后對轉換后的灰度圖進行二值化，二值化完成之后再進行一次輪廓提取，最后收集所需要的信息。提取輪廓的過程如下圖7所示。圖7輪廓提取過程4.2.3信息獲取對餐盤的顏色，輪廓信息識別之后進行信息匯總，與信息盤信息進行比對，餐盤的每種形狀和顏色都有其相對應的價格。價格信息將通過系統芯片傳送到顯示屏，以便于消費者清晰直觀地看到消費情況，最后將結算金額傳送到校園一卡通刷卡系統，方便學生進行付款操作。圖4.2.3信息獲取并結算流程圖4.2.4藍牙模塊CC2541藍牙模塊的主要任務是完成對數據的傳輸，其程序流程圖如圖4.4所示：圖4.4藍牙模塊的程序流程圖系統測試系統組成后的成品見尾頁，燒錄程序是通過KEIL5軟件進行的，進行一次次測試。5.1系統測試概述本設計目的是用科技便利歐亞學院餐廳結算的流程，帶來極大的方便。系統測試是先準備需要的餐盤，保持合適的光線以及實驗背景，然后開始用攝像頭進行餐盤信息采集，最終將采集的信息記錄下來，并多做幾次實驗吧，為了追求數據的真實性，和可行性。5.2系統測試的主要內容5.3測試過程在測試過程中，采用了紅黃白綠四種顏色的餐盤，餐盤的形狀有圓形和方形，并且每種餐盤賦予不同的價格，所以餐盤就有了，紅方3元、紅圓4元、白方4.5元、白圓5元、黃方5.5元、黃圓6元、綠方6.5元、綠圓7元這八種不同的種類以及價格。就餐時我們考慮到每個人就餐量不一樣，口味不一樣，所以挑選的菜品數量不同，種類不同。所以針對這種情況進行了多次實驗，其實驗結果如下表所示：顧客/時間就餐者1就餐者2就餐者3就餐者4就餐者5就餐者6就餐者7早上白方綠方、白圓紅方、紅圓黃圓、白圓綠圓紅圓、黃方黃圓中午綠方、綠圓紅方、綠圓、白方綠圓、黃方綠圓、紅方黃方、白圓、紅方白方、綠圓白圓、綠圓晚上紅圓、白方白方，綠方綠圓黃圓、黃方綠圓、紅方紅方紅方、綠圓表5.3.1測試方法就餐者就餐結束后結算金額如下圖所示：顧客/時間就餐者1就餐者2就餐者3就餐者4就餐者5就餐者6就餐者7早上4.5元11元7元11元7元10.5元6元中午13.5元14.5元12元10元13.5元11.5元12元晚上7.5元11元7元11.5元10元3元10元表5.3.2測試結果在測試中用了八個餐盤來進行測試，餐盤可以任意組合，兩個三個或者四個餐盤一起都可以進行結算，其結算圖如下圖所示：圖5.3.3識別圖像5.4測試結果分析在測試過程中也發現了一些存在的問題，會有一定的誤差存在。例如扎起測試過程中，攝像