2024年3月13日发(作者：血战上海滩2手机版)

10.16638/.1671-7988.2019.06.021

基于STM32单片机的汽车涉水报警系统的设计

魏秋兰

1

，翁寅生

2

，代新雷

1

，彭小红

1

，赵转转

1

（1.陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

摘 要：针对城市道路严重积水影响正常交通问题，以超声波反射为理论基础，设计了一款低成本、高精度的汽车

涉水报警系统。通过理论分析获得涉水水位与降雨量呈线性关系，设计了超声波发射单元、信号接收单元以及

STM32数据处理单元，分析超声波测距原理及微弱信号选频放大原理。在Keil5开发环境下，采用库函数和模块化

编程，利用C程序为基本语言进行编程和调试。通过上位机前面板对检测数据进行实时显示。实验结果表明：该

系统灵敏度高、响应速度快、重复性好，并且可以长时间地在线测量，具有很好的实用性。

关键词：涉水报警；汽车；STM32；检测

中图分类号：U463.9 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2019)06-60-05

*

Design of automobile wading alarm system based on STM32 microcontroller

*

Wei Qiulan

1

, Weng Yinsheng

2

, Dai Xinlei

1

, Peng Xiaohong

1

, Zhao Zhuanzhuan

1

( i College of Communication Technology, Shaanxi Xi’an 710018; ’an Research Institute,

China Coal Technology and Engineering Group, Shaanxi Xi’an 710077 )

Abstract: Aiming at the problem that serious water accumulation affects normal traffic on urban roads, a low cost and high

precision automobile wading alarm system is designed based on ultrasonic reflection theory. The linear relationship between

wading water level and rainfall was obtained through theoretical analysis. The ultrasonic transmitting unit, signal receiving

unit and STM32 data processing unit were designed. The ultrasonic ranging principle and the principle of frequency selective

amplification of weak signals were analyzed. In Keil5 development environment, library function and modular programming

are adopted, and C program is used for programming and debugging of the basic language. The detection data is displayed in

real time by the front panel of the upper computer. The experimental results show that the system has high sensitivity, fast

response speed, good repeatability, and can be measured online for a long time.

Keywords: Wade alarm; automobile; STM32; detection

CLC NO.: U463.9 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2019)06-60-05

积水监测和预警系统的建立和开发进行了较多的研究。张丽

引言

为了解决城市中时常出现道路严重积水影响正常交通，

甚至引发财产损失或人员伤亡的问题。近年来，众多学者对

作者简介：魏秋兰（1981-），女，副教授，硕士，就职于陕西交通

职业技术学院，从事汽车电子与智能控制技术研究工作。

*基金项目：陕西交通职业技术学院院级科研项目（YJ17001）。

等

[1]

建立了基于GPS无线通信技术和CAN总线有线通信技

术的水位实时监测系统，该系统采用CAN总线技术对水位

数据有线近程传输，并通过GPS网络技术对水位数据进行无

线远程传输，实现对不同地区水位实时、可靠的监控。王国

伟等

[2]

以AT89C51芯片为核心的水情监测系统，采用SDI-12

总线来连接多个传感器，实现了对水情监测系统的数据的采

60

魏秋兰 等：基于STM32单片机的汽车涉水报警系统的设计

集、存储和监测。张伟等

[3]

在ARM嵌入式系统的平台上利

用GSM/GPRS通信技术建立了城市道路积水自动监测与预

警系统，同时对不同车辆类型设置了分级警戒水位等级，有

效实现了城市道路水位的监测和预警功能。徐敏等

[4]

选择超声

波传感器对道路水位进行测量，翻斗式雨量传感器对雨量数据

进行监测，具有准确度高、运行稳定可靠的特点。陈春梅等

[5]

采用超声波检测水位信息，基于嵌入式小系统控制数据采集

和现场警示，利用GSM模块无线传输，实现了非接触式测

量与远程水位监控和报警，具备较强的实时性和可靠性。

上述研究工作为解决城市道路积水监测和预警问题提供

了良好的基础，但目前针对通过利用何种系统或方法来避免

汽车因涉水而熄火和电气设备的损坏的研究报道很少。路虎

运动版配涉水感应系统，当车辆经过涉水路面时，外后视镜

下侧的超声波传感器也可监测出后视镜与水面之间的距离。

路虎自主开发的“Wade Sensing”涉水感应控制单元便开始

计算涉水深度，并将相关信息显示在中控台触摸屏上，同时

在车辆接近最大涉水深度时，向驾驶员发出警示信号。2014

年3月李助军等

[6]

提出了研制一种汽车涉水远程报警装置的

思路，但未开发实物。2016年12月肖锐等

[7]

开发了汽车涉

水智能报警系统，通过手刹位置传感器判断车辆处于行车或

是驻车状态，然后通过光电式液位传感器监测不同危险阶段

的涉水深度。汽车涉水行驶时可发出相应的多级报警提醒，

有效避免行车时因盲目涉水而导致的中途熄火问题；在汽车

驻车时，基于SIM900A模块拨打车主的电话或发送短信提醒

车主，实现汽车驻车涉水时的远程控制报警，车主在接到电

话和短信后可及时将车辆转移。另外，该系统可以利用雨滴

传感器根据室外天气情况自动开启整套系统。周赞等设计以

AT89C52 型单片机作为控制中心，并连接了光电式液位传感

器模块，通过在汽车不同高度、角度和位置的监控，实现不

同程度涉水情况下的汽车警报服务

[8]

。但其也有不足之处：

一是没有集成在一块电路板上，没有形成最终的可供商用的

产品；二是选用的液位传感器是开关量输出形式，只有液位

达到事先装好并设定的水平时才能报警；三是虽然采用了

SIM900A通信模块，但是系统只用到了拨打电话和发短信的

功能，并没有用到GPRS的功能，没有建立服务器，系统无

法与服务器建立联系，所以无法进行网络授时，发短信和电

话的时间就会发生错乱。目前，基于STM32数据处理单元

的单片机系统受到了广泛的应用

[9-13]

。为此，本研究将设计

一款基于STM32单片机可自动识别雨量、根据雨量自动开

启电源进行工作，并实时显示当前车辆涉水高度的汽车涉水

报警系统。

1 报警系统组成结构及测量原理

涉水报警器的硬件组成主要包括单片机、水位传感器、

雨滴传感器、显示屏、声光报警器、CAN通信接口、远程的

手机终端以及服务器，如图1所示。该硬件组成结构以单片

机为核心，选用意法半导体（ST）公司生产的内核为Cotex-M3

的STM32F103系列的单片机，水位传感器选用易于安装和

具有模拟量输出的传感器。由于显示内容少，显示屏可选择

小型的单色屏，报警装置可选用显示屏的背景灯和蜂鸣器。

系统平时处于待机模式，当雨滴传感器检测到一定的雨

量时系统自动启动，防止在关机后系统失效。显示屏采用小

型的单色屏，显示当前水位、设定水位和当前时间等信息。

图1 系统硬件组成结构

该涉水报警器的测量原理是雨滴传感器自动感应雨量大

小，当达到设定雨量时自动启动本系统工作。利用超声波水

位传感器实时测量水面高度，并实时显示在显示屏上，当达

到涉水报警的高度值时，系统的GPRS模块将该水面高度和

GPS的定位和时间发送给设定的用户从而提醒用户汽车涉水

情况。

2 硬件电路设计

2.1 CPU的选型

系统的CPU选择STM32F103VB的单片机，该单片机为

Cortex-M3内核，32位处理器，哈佛结构，72M主频，具有

12位模数转换通道、SPI、UART、CAN等丰富的外设，可

以满足该系统的使用要求。

2.2 雨量测量电路

传感器供电后，当雨量测量电路可以将雨量的信号采集

下来分析，从而了解当前是否在下雨，从而自动让系统从休

眠转入工作状态。

图2 天合雨量传感器

图2为天合雨量传感器，安装在挡风玻璃内表面，使用

红外技术和伺服控制，采用先进光学传感器系统、模拟信号

61

汽车实用技术

处理和控制算法，可以实现从细雨到暴雨的自动调节。

图3 LIN总线通信电路

由于雨量传感器的电气接口为低速LIN总线，速率只能

达到20kbps，因此单片机要实时读取雨量传感器的大小，需

要设计LIN总线通信电路。如图3所示，MC33661芯片实现

LIN总线电平和单片机CMOS电平的转换，T3为浪涌保护

电路，可以减少外部浪涌对单片机的损坏。单片机的端口通

过NPN三极管Q12控制LIN总线的唤醒，另一端口为LIN

总线的使能端，高电平使能。MC33661的RXD和TXD分别

是单片机的收发引脚。

2.3 涉水深度测量电路

图4 涉水深度测量电路

如图4所示为涉水深度测量电路，传感器为超声波传感

器，输出接口为0~5V，该信号输入后经过运放U18提高输

入阻抗，并经过R1和R2进行分压得到输入信号的一半，再

经过R3和C1滤波输入到单片机的模拟量采集通道，电路中

DB2是防止浪涌影响测量，DB1用于将运放后的电压嵌位在

0~VDDA之间，由于参考电压为2.5V，因此它限制了输入信

号只能在0~5V之间，从而有效的保护了输入信号过高损坏

单片机的接口。

2.4 GPRS及GPS电路

图5 GPS、GSM、GPRS电路

62

为了便于将汽车涉水报警信息实时的发送到远处的手机

或计算机终端，系统设计了GPS、GSM和GPRS电路。如图

5所示，该电路采用AIR800模块，支持四频段GSM/GPRS

模块，它的工作频段是：GSM850MHz，GSM900MHz，DCS

1800MHz和PCS1900MHz，GPS定位支持GPS/Beidou/

GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS。贴片式模块，采用LCC封

装，内嵌TCP、UDP、PPP、HTTPS、SSL等协议，已内嵌

的扩展AT命令。

电路中的U7用于将5V电源转换为4.08V给模块供电，

不至于模块损坏。LS1为扬声器，MK1为麦克风，右下侧电

路为扬声器和麦克风电路，实现用户可以语音说话和声音的

回放。设计的卡座可插入移动和联通的2G手机卡，该模块

只支持2G网络。GPS天线采用陶瓷天线，GPRS天线采用

IPEX接口与外部天线连接。

2.5 蜂鸣器报警电路

图6 蜂鸣器报警电路

蜂鸣器驱动电路如图6所示，当出现异常时候系统可以

报警进行提示。单片机输出高电平时，NPN三极管Q14导通，

蜂鸣器下端接地，两端就出现电压。由于是无源蜂鸣器，单

片机输出PWM才能控制蜂鸣器发声音，频率的高低决定声

音的大小。

2.6 液晶显示电路

图7 液晶外观及显示电路

液晶采用高清ips 0.96寸TFT显示屏，驱动芯片是

st7735。本型号为IPS显示屏比普通TFT LCD显示屏的颜色

更鲜艳，可视角度更广，分辨率为80*160，显示方向可以调

整，可以横屏也可以竖屏。接口为SPI接口，显示颜色为65535

色。工作电压为3.3V供电。其LCD模块外观及液晶显示电

路如图7所示。显示屏的供电电压为3.3V，用过单片机的I2C

接口控制液晶接口SCL和SDA（引脚3和4），RESn由单片

机的IO口控制来复位液晶，DC为数据和命令接口，CSn为

片选型号，低有效，这几个信号配合实现了液晶屏的显示。

魏秋兰 等：基于STM32单片机的汽车涉水报警系统的设计

BLK为背光电路控制引脚，接上拉电路使液晶一直处于背光

状态。

3 软件设计

涉水报警系统的开发环境是KeiluVison5，采用标准库函

数和模块化编程，以C程序为基本语言进行编程和调试。

3.1 水位检测与雨量检测

水位传感器输出信号为0~5V，输出电压为检测距离是

50~1000mm。单片机供电电压是3.3V，参考电压是V

REF

=

2.5V，当外部输入5V时候，经过放大倍数为0.5倍的放大电

路可得到外部输入信号的一半大小。因此，假设采样的电压

值为V

s

，涉水深度为S

w

，涉水对应的传感器输出电压为V

i

，

则采样电压与被测电压的关系为：

（1）

由于0~5V或者0~4095对应50~1000mm，因此根据线

性变换公式可以计算得到：

（2）

由式（1）和式（2）可知

（3）

因此被测水位与单片机采样的AD值对应关系可由（式

3）求出，AD为0~4095对应被测水位为50~1000mm。

由于汽车在运行过程中，水位传感器由于振动带来水位

的跳动，可以采用IIR低通滤波器的方式滤除高频信号。

系统中雨量大小的测量可直接依LIN协议根据PID和各

字节含义解析来获取直接读取。

3.2 主程序设计

该系统的主程序流程图如图8所示。系统通电后单片机

进行系统初始化，再对单片机的定时器、PWM、ADC、CAN

和LIN总线等进行初始化，再对GPS、GSM和GPRS初始

化。这些初始化结束后系统开始启动LIN总线读取雨量传感

器，然后单片机将该值与设定的下雨值进行判断。如果大于

设定的下雨值，系统认为现在是在下雨，那么单片机唤醒水

位检测系统开始工作，读取水位传感器的值后，单片机判断

水位是否达到报警值。如果水位没有达到报警值则继续循环

读取水位并跟新水位值，如果水位达到报警值则读取GPS数

据，同时蜂鸣器报警提示，单片机调用GPRS和GSM发送

程序发送短信息和数据。另外单片机调用CAN通信程序，

将该报警信息发送到CAN网络上，可以让局域网内其他控

制器读到。然后单片机继续监测水雨量，如果雨量小于设定

值，认为没有下雨，则系统进入休眠，进入读取雨量传感器

和判断的循环中，如果雨量大于设定值则继续启动工作，重

复水位检测和报警程序。

图8 报警系统主程序设计

4 实验

设计的汽车涉水报警器如图9所示，采用DB9插座与外

部水位传感器、供电电源和雨量传感器相连。为了便于实验，

一方面通过LIN总线让雨量传感器感知下雨，系统一直工作；

另一方面，将水位传感器竖直向下对着盛有水的水盘，这时

用米尺记录传感器与水平面的竖直高度并进行测量距离的校

正。校正后，移动水位传感器进行测量，并设置报警距离为

90mm，如图10所示。当水位传感器距离地面100mm时，

打开电源开关，系统工作，显示屏显示“WARNING……”，

同时蜂鸣器响起音乐，手机上收到短信，根据显示的北纬和

东经可以查询该位置位于西安市，图10的右图为短信截屏的

上半部分。再关闭电源将水位传感器移近到80mm时，打开

电源让系统开始工作，显示屏显示“System is OK”。

图9 涉水报警器实物图

图10 显示屏显示图与手机收到短信的报警截图

5 结论

该汽车报警器在室内进行模拟实验，可以实现水位的准

确测量，并能根据水位设定的阈值进行蜂鸣器报警和短消息

报警。 （下转第80页）

63

汽车实用技术

害值。

3.5.2 通风盖板的控制策略

通风盖板建议隐藏在机罩下方，调整通风盖板及风挡胶

条的Z 向高度，确保机罩后沿参照线画在机罩上。如图11

通风盖板的密封胶条固定形式采用卡扣式或横式卡槽。若采

用图12示意的右图，则会导致通风盖板与引擎盖的变形空间

减小，从而增加了头部碰撞的伤害值。

饰系统、电气系统、动力及底盘系统五个方面对涉及到影响

车辆安全性能的系统提出要求，从而指导设计人员进行造型、

总布置及详细设计工作，更好进行前期规划控制。

[3]

本文重

点探讨的是整车驾驶室外部布置的安全性前期控制策略，其

求的生存空间，而实际整车安全需要考虑的方面较为广泛，

后期将结合实际工作展开进一步的研究。

[4]

所示。参考法规GB/T 24550-2009《汽车对行人的碰撞保护》，更侧重的是对整车正碰、偏置碰时需要确保乘员安全设计要

参考文献

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4 结束语

在造型、总布置及详细设计阶段，分别从车身系统、外

（上接第63页）

该功能的实现对下雨天汽车涉水报警具有积极的意义。

信,2016(6):64-66.

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