一种智能车库防汛装置系统设计

王 静，薛晶晶，李思余，苗嘉豪，杨 佳，张 腾

(延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000)

随着社会经济发展，交通工具种类越来越多，其中私家车所占比例较大。然而地面面积有限，因此很多停车场都建立在地下。当城市发生暴雨等洪涝灾害时，不可避免的就会产生积水现象。当车库排水系统不完善或者排水能力较弱时，许多来不及转移的车辆就会被泡在水中，这样就会产生大量的泡水车，解决这种问题的一般方法有3种：用防汛板抵挡地面涌入车库的雨水；排水沟疏通积水；人力将车拉出车库。

目前国内还没有出现完整成熟有效的智能防汛系统，而普通的防汛板只能抵挡部分积水，当面对洪涝来袭时就会束手无策。所以市面上迫切需要有一项能够自动检测水位、实时预警、及时疏水、防护车辆的系统。

1 系统总体设计方案

智能车库防汛系统是以云服务、通信、自动控制、传感器和互联网等各种技术为依托，具有监测、防护和排水等多种功能于一体的智能控制系统。本系统由AT89C51单片机、液晶显示器、报警器、键盘、传感器和其它基本外围电路组成。系统利用光电式液位传感器来检测水位，由单片机采集并进行分析和处理，单片机将数据交由液晶显示器显示，并将所得数据与键盘输入液位上下限进行比较，以决定是否进行报警，若超过限位则会同时启动疏水模块与防护模块。

为了方便系统工作和人为干预，分别设置手动和自动操作启动水泵和气囊按钮。当水位处于不同高度时，用不同颜色的LED灯来显示液位情况[1]，用LED显示是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，根据当前的液位值和用户输入设定的水位，利用单片机的I/O口输出做控制，单片机的I/O口输出的是5 V电压，加中间继电器，由中间继电器控制接触器来决定是否进行开、关水泵。另一方面用单片机控制继电器，再用继电器控制电磁阀，单片机复位后继电器断电，电磁阀控制气泵开关给气囊快速充气，气囊充气后将水隔离开。本系统的流程图如图1所示。

图1 系统流程图

2 系统硬件设计

2.1 水位检测

AT89C51单片机作为控制系统：光电式液位传感器检测水位，记录水位信息，将水位信号反馈至控制器。并且要设定刷新时间，每隔一定时间对水位数据信息进行更新反馈[2]。待水位达到一定程度，将信号传给单片机，以便单片机迅速做出反应。通过水位上下限值来控制水泵是否需要排水或注水，并判断报警电路警示状态，利用蜂鸣器在水位超出或低于设置范围时报警。

2.2 气泵电路设计

电池和气泵的电源头接受单片机方向传来的信号电压，或者是信号电压放大后的控制电压，电池在这里作为一个单片机的供电元件，气泵是一个提供气压的系统，如同液压站一样。待水位达到一定高度，打开特制气囊迅速充气，包围汽车，可以保护车辆免受雨水的浸泡，同时抽水泵开始工作，排出车库内的积水。

2.3 抽水装置电路设计

选择使用方便、快捷地便携式抽水装置，减少运维人员等待时间，提高工作效率[3]。用单片机引脚输出高低电平，控制MOS管驱动电路，来实现开关的控制。用2个单片机引脚，一个控制电机的正反转，一个控制启动与否，实现电动机的正反转控制。

2.4 报警电路设计

系统报警电路由蜂鸣器和2个不同颜色的LED灯电路组成。当被检测的水位大于系统设定值中的最大值时，系统控制器驱动硬件蜂鸣器发声，同时LED灯发光，向人提示水位过高，系统驱动水泵排水。当水位处于设置水位值以下时，LED等发出不同颜色的光亮[4]。系统定时检测水位信息并反馈给单片机。

2.5 电磁阀

本设计采用一种功率电磁阀的自适应节能驱动电路，来降低整个系统的功率开销以及热散功耗，提高了应用电路的可靠性[5]。该车库防汛装置中充气和抽水部分均需要使用小电流来对大电流进行控制，即本设计中最重要的部分就是使用继电器控制驱动电磁阀来控制充气泵，保证充气泵的正常工作。在本设计中，只需要简单的充气泵设备和抽水装置，无需使用复杂的操作设备，所以可以直接使用继电器来满足本设计的需求[6]。

3 显示电路设计(系统软件设计)

软件的设计包括主函数和其它功能函数。主函数的功能包括初始化设置、水位监测的设定等。其它功能函数程序包括水位监测函数、数据反馈函数、电磁阀调节电流值的函数、充气泵输出充气气囊函数、抽水泵排放积水控制函数以及声光报警设置函数。主程序流程图如图2所示[4]。

首先系统会对硬件进行初始化设置[7]，然后要了解当前的水位高度，利用光电式液位传感器检测获得当前水位，进入AT89C51单片机中进行分析处理。当分析后发现得到的当前水位信息处于设定值范围以内，则不对其进行任何操作，只显示所处当前水位信息[6]。

假如分析后得到当前水位在安全水位之上，则启动声光报警模块来提醒车库管理人员同时打开充气泵和抽水泵。利用电磁阀调节电流后才可以保证打开的充气泵正常运行，同时确保气囊可以正常打开。打开抽水泵进行抽水，将车库内的积水通过抽取的方式排入下水道，来近乎完美的保证车辆的安全。

本设计可以进行扩展。可以联网利用微信小程序将车库信息实时反馈给车主，保证车主的财产安全；也可以利用蓝牙等设备连接，对装置中水位监测设定范围进行设置等。

图2 主程序流程图

4 小结

以AT89C51单片机为核心控制芯片，实现了车库防汛监控系统的设计。可以对水位状态进行采集、处理、显示、警示，控制水泵是否排水，并控制电磁阀保证气囊正常充气，调整设定水位上下限值，灵活性、适用性强，成本相对较低，制作和使用的过程较简单，可扩展性强。该设计已制作完毕，在实验室实际测试装置，效果良好。该系统可以拓展到楼房私人车库、地下车库等场合使用。