论文总字数：18953字

目 录

1 绪论 3

1.1 研究背景 3

1.2国内外研究现状分析 4

2 系统总体设计方案 5

3 系统硬件设计 6

3.1 单片机模块 6

3.1.1 STM32单片机 6

3.1.2 单片机外部电路 7

3.2 水位传感器模块概述 8

3.2.1浮子式水位传感器 8

3.2.2压力式水位传感器 8

3.2.3超声波水位传感器 9

3.2.4雷达水位传感器 9

3.2.5激光水位传感器 9

3.3降压模块 10

3.4 NRF24L01无线模块 10

3.5 ST7735S液晶显示屏模块 11

3.6 GSM模块 12

4 系统软件设计 13

4.1 软件开发环境 13

4.2 系统程序 14

4.2.1采集端 14

4.2.2控制端 14

5 实物调试与检测 15

5.1 硬件的焊接 15

5.2 整体调试检测 16

5.2.1液晶屏的电路调试 17

5.2.2 GSM模块调试 18

6 总结与展望 19

参考文献 20

致谢 21

附录 22

地下车库车辆积水监控系统

胡梓煜

, China

Abstract: With the rapid growth of the number of domestic cars, more and more underground garage came into being. Once the underground garage drainage system failure, emissions of water is not timely will be parked in the garage caused damage to the car, so that owners suffer property damage. In this paper, based on the input liquid level sensor, this paper designs a monitoring system of the water in the garage, which is based on STM32 microcontroller, which is mainly used for the real-time monitoring and warning of the water level in the garage at the first time. The controller is responsible for receiving the water level information displayed on the LCD screen,it also needs to display the real-time images when the image sends to the controller, so that the warning can be more reliable, the system can also send text messages to remind users. The hardware part of the system is mainly composed of STM32F103 MCU module, camera module, NRF24L01 wireless module, ST7735B LCD and power supply. The software is implemented through the C language of the KEIl uVision4 platform, and the functions are realized.

Key words: STM32；GSM；LCD；power supply;

1 绪论

1.1 研究背景

伴随着我国越来越繁荣的社会经济发展，各个城市的经济发展前景也是一片大好。伴随着人们生活水平的逐步提高，曾经对人们而言是奢侈品的私家车也渐渐走进了寻常人家。截止2016年底，全国机动车的数量达到了2.9亿，而其中私家车总量达到了1.46亿辆，也就是说平均一百户家庭就拥有36辆，因此停车难问题逐渐成为难成了当下最需解决的问题。因为城市规划的原因，可用的地上土地本就少而且成本又高，因此地下车库对比露天停车场的优势就体现出来了，既节省了地面空间，又利用了立体的空间，可以满足大规模的停车需求。既然名为地下车库，一般都处于所在地区地势低洼处，俗话说水往低处流，排水系统就成了地下车库需要考虑的一个大问题。一旦遇到强降雨天气时，排水系统会面对非常大的压力，如果此时出现故障，积水无法正常排出，那么就会造成车库大量积水。积水达到一定高度，车辆就会进水，而车辆进水的后果是很严重的，内饰座椅被水泡坏等情况都是常见的，最而坏的情况就是车辆动力系统故障产生高额的维修费用从而导致车主蒙受财产损失。

经过了这么多年的发展，目前车库的排水系统也已经是成熟的了，比较可靠的，但谁也不能保证不出现问题。为杜绝因排水系统突发的故障而导致财产损失，可以通过推行以下两个方案来防止此类情况的发生。一种方案是，完善目前地下车库自身的排水系统并进行定期检查，避免故障的出现；第二种方案就是建立起一套完善的积水水位检测以及预警的系统。一方面降低出现车库积水情况出现的频率，另一方面也能在出现积水时及时预警，降低所带来的损失。本文设计的车库积水监测系统能够实时的对车库的水位情况进行监控，一旦达到预警值就会通知物业管理人员或是保安，这样物业或是抢修人员就能在第一时间对排水系统进行故障排除，与此同时该系统还能通过短信告知车主，在第一时间将车辆挪到安全的地方，避免财产损失。

1.2国内外研究现状分析

在第一个积水自动监测与预警系统问世之前，人们对水位数据信息的采集还是停留在传统的人工观测阶段，通过人工观测采集到积水水位数据后，一般都是采取电报或是有线电话的方式进行远程的信息传输与交流。直到上世纪六十年代中期，日本和美国才开始针对积水问题进行研究并提出了解决方案，这也算是在全球范围内最先着力于对积水水位数据自动监测与预警系统进行研发的国家。最先出现的积水水位自动监测与预警系统的硬件部分多数是采用各自独立的元器件搭建组成，系统整体的硬件电路显得格外庞大而且工作的效率也很低，在这个阶段，致力于积水水位数据自动监测与预警系统的开发以及研究领域的美国的 SM 公司在全球的范围内都一直处于领跑的地位。随着二十世纪七十年代中后期电子技术以及计算机网络技术的飞速发展，美国国家气象局携手美国SM 公司合作研制成了全球范围内第一套相对完善的积水水位主动监测与预警的系统，这套系统在实际的应用中也货得了巨大的成功，一下子就成了当时全球水情领域自动监测与预警系统的成名之作，很具有代表性。

直到二十世纪八十年代中后期，大规模、超大规模集成电路迎来了高速发展期，并且在各大领域得到了广泛应用，这项技术的发展使得水情监测系统的硬件部分摆脱了以往那繁琐而庞大的情况，向着微型化的方向不断发展。与此同时又赶上了计算机网络技术逐步成熟，得到了全面的推广，为水情监测预警系统带来了多元化的远程数据传输方式选择，也使得数据传输的可靠性、实时性也得到了更好的保障。发展到了这个阶段，越来越多的国家纷纷开展了各自的积水水位数据监测以及预警系统的研制工作。二十世纪九十年代末尾，许多国外的企业开始推出许多针对性极强的新型产品，以此适应各大领域不同的专业性的需求。由于是针对不同应用领域研制推出的新产品，所以功能性强、可靠性高是此类产品的优点，也因此在各个领域皆被广泛使用。

因为在这个领域的起步较早，同时采用的技术也都是在当时最先进的，所以眼下国外各发达国家的积水水位自动监测以及预警系统已经广泛地推行于各个大中型城市，也取得了不胜枚举的众多成绩。经过接近半个世纪的发展，国外发达国家所生产使用的积水监测预警系统都具有完善的系统功能、简单的系统硬件部分结构、高度可靠性、多元化的数据传输方式、成熟的信息处理预测技术等优点。

从二十世纪八十年代中期直到今日，历经近40年的不断发展和改进，我国在水情自动监测和预警系统这一领域完成了从无到有的突破，然后经历了高速发展阶段和大力推广应阶段，并取得了许多令人瞩目的成果。但是受制于起步较晚，相关先进技术又落后于国外，我国所研制的水情自动监测与预警系统相比于国外发达国家还是有着巨大的差距和很多不足之处，不足以及差距主要具体表现在下面的几个方面：在大规模集成电路领域的技术的不及国外发达，这一问题就导致了我国的水情自动监测与预警系统的无法将硬件部分做的和国外的那样简洁，同时还不能保证很好的可靠性；在水情自动监测预警系统中所要使用到的传感器种类比较单一，比如雨量、水位传感器等，传感器功能也不是很完善，对于使用环境有比较高的要求；没有完善的通讯方式，在搭建通信网络时会出现数量可观的通信盲点等。

2 系统总体设计方案

该论文设计工作中有主要有以下几个任务：一、设计系统的总体方案并且将在设计中所要用到的硬件型号确定下来；二、系统电路的整体设计工作和后期的焊接工作；三、编写各个硬件模块对应功能的程序，以此应对实际中所遇到的信息传输、格式变化等问题。

针对上述的具体任务，我们队地下车库积水监控系统采取了模块化设计的方案，令每一个模块都可以独立的实现自己所承担的功能，同时又可以成为一个整体，进行水位的实时监测和预警，使整个系统符合所提出的的要求。

在总体设计设计方案中，我们使用投入式水位传感器实现水位数据采集，由下位机中的STM32单片机进行处理，然后通过NRF24L01无线模块将传感器采集到水位数据发送至控制端，而控制端会将接收到的水位信息实时显示在ST7735S液晶显示屏上，水位达到预警值时蜂鸣器会发出警报并且通过GSM模块进行短信通知。

图1系统整体结构图

3 系统硬件设计

硬件部分的设计一共涉及到单片机模块、液位传感器模块、无线模块、降压模块、摄像头模块、GSM模块、液晶显示屏模块。首先液位传感器采集到实时的水位信息，将信息传输到单片机，单片机根据预先编写好的程序指令对水位信息进行处理，然后通过无线模块发送到控制端，控制端的单片机对接收到的信息进行处理，显示在液晶显示屏上，一旦水位高度超过设定值，蜂鸣器发出警报。控制端按下拍摄按键后会发出一个指令，采集端的摄像头会拍下一个实时的画面，通过同样的方式，显示在液晶显示屏上。采集端通过电源适配器将220V电源降压为12V，再通过降压模块降压至5V对整个采集系统进行供电。控制端直接通过电源适配器进行5V供电。

3.1 单片机模块

自从上世纪七十年代成功研制出微处理器后,单片机（单片微型计算机）也随之出现在了世人的眼前。美国Inetl公司在1971年生产出4位单片机4004，以及在1972年诞生的雏型8位单片机8008,然后是在1976年9月，Inetl公司研制出了MCS一48单片机,只是短短的十几年时间,单片机就经历了四次技术革新，其发展十分迅速，约每二至三年就要推出新一代、集成度、功能也是在前一代的基础上提升近一倍。发展之快、广泛地应用范围都达到了无法相信的程度。

从近三十年来单片机的发展史来看，单片机正向着多选择、多功能、高速度、低功耗的方向不断地迅速发展，也致力于存储空间的扩容，I/O功能的加强以及结构兼容的优化等方向也将会作出提高。在嵌入式系统中，单片机比专用处理器更为适用，也正因为如此单片机在各个领域的应用是最多的。事实上，单片机是世界上存在数量最大的计算机，可以说现代人类生活已经离不开单片机了，几乎所有电子、机械产品中都有它的身影。小到手机、电话，大如家用电器，都集成有1-2部的单片机。在个人电脑中集成的单片机数量不在少数。一部汽车上一般集成有40多部单片机，而在更为复杂的工业控制系统之中甚至存在数百台单片机同时工作的情况！单就这一点看，单片机的数量就已经远远大于了PC机和其他计算机的总数，甚至可以说比人类的数量还要巨大。发展的过程中，也有越来越多的挑战等待着，一方面要求单片机有越来越高的功能，一方面又需要它能更加的轻巧，以及更好的安全性能，对我们的生产生活质量带来更好的提升。

3.1.1 STM32单片机

在这次设计选择单片机时，是从它的实际价格的角度出发考虑的，STM32虽然价格低廉，但是完全能够满足此次设计中的需求。另一方面，目前的STM32凭借着它三十二位的内核，不仅功耗控制很出色，配置外设也十分丰富，在与其他微处理器的竞争中始终处于领先位置，因此应用范围十分广泛。

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