基于51单片机的道岔基坑积水报警系统设计

章珍珍　刘庆华　严成骏　贺章擎

关键词：51单片机；温度传感器；报警装置；监测电路；水位监测；道岔基坑

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）20-0135-03

0 引言

在城市轨道交通信号系统中，转辙机正常、稳定的工作是列车行驶的安全保障[1]。目前武汉市轨道交通线网内正线转辙机均安装于下沉式道岔基坑内，位置低于轨道平面，容易发生基坑积水造成转辙机进水。据2022年最新统计，武汉市轨道交通全线网共有50余处道岔基坑，存在不同程度的积水现象。长期以来，由于基坑积水过深造成转辙机进水的安全事故频发，尤其是新线建设过程中，区间排水不畅，常发生道岔基坑积水导致转辙机进水，从而导致转辙机性能下降。如图1所示，传统通过人工巡视进行肉眼观察，存在误差大、主观性较强等问题，且由于人力有限，往往不能及时发现隐患。

近年来大量关于道岔基坑积水安全检测的方法被提出，本文根据武汉市轨道交通运营的实际情况，基于51单片机，提出了一套完整的道岔基坑积水监测报警系统和实时排水装置。

该检测报警系统总体包括具有三档水位的水位检测报警模块[2]、阈值可调的温度检测报警模块、持续高温报警、涨率检测报警模块、排（进）水电机驱动电路模块，PWM波调节电机速率模块以及报警提示电路模块。

电路通过protues进行仿真验证并焊接了实物，成功地运用到武汉市轨道交通线网道岔基坑积水监测中。实践证明，该套装置能够节省人力成本、提升检测效率，保证转辙机正常工作。

1 整体设计要求

本设计采用的控制系统为51 单片机，CPU 为AT89C51；开机初始化后，界面显示当前水位、电机转速、温度、水位涨率；若水位小于低水位阈值，电机顺时针转动，进水（在本场景中未涉及进水，故只需将该阈值设置为0即可），且水位越低，电机转速越快。若水位大于等于第一档阈值，LED黄灯亮，电机逆时针旋转，排水。水位大于等于第二档阈值，LED红灯亮，电机速率加快。水位大于等于第三档阈值，蜂鸣器响[3]，电机全速运作。高水位各档水位阈值相差为30cm，且高低水位阈值均可调；温度报警阈值为50℃，当高温持续时间超过30min，此时排水电机继续工作可能有死机的危险，蜂鸣器响，提醒工作人员进行降温或关停；水位涨率超出阈值，预计此时即使排水电机全速工作，也无法使水位下降，蜂鸣器响，提醒人工排水，该水位涨率阈值可调；同时设计手动排水按钮，第一次按下时，电机全速工作，第二次按下，电机关停，如此循环；通过功能切换按钮进行页面的切换，页面一为测量显示界面，页面二为水位阈值调节界面，页面三为温度阈值调节、涨率阈值显示界面。

2 硬件电路设计

2.1 总体电路

总体电路包括液位模拟器、涨率模拟器、温度传感器、显示电路、按键电路、报警电路、电机驱动电路，如图2所示。

2.2 液位模拟

在测试电路中，通过滑动电阻阻值对应的电压，模拟液位的变化[4]。实际电路中采用电容式液位传感器，因为液位变化将会引起电容变化，故只需通过测量物质的导电率即可得到液位。该种传感器灵敏性较高、动态响应好且没有自热现象。ADC 采用TLC2543芯片，SDO端接P1.0，SDI端接P1.1，CS端接P1.2，CLK端接P1.3。该芯片可进行12位串行的数据转换，在本设计中能够满足要求。由于此时仅有一个模拟输入量，转换通道仅一条，为AIN0。

2.3 温度传感器

温度传感器[5]采用DS18B20，定义该芯片的总线I/O接口为P2.3。其独特的单线接口方式大大节省了单片机的开支。通过测试手册可知，该芯片在-55～ 125℃的测温范围内，固有测量误差最大为1℃，抗干扰能力较强。該芯片能够提供9至12位的可编程设备温度读数，越高的位数对应数字格式最大值越大，如本设计中采用12 位，此时温度的分辨率为0.0625℃，数字格式为750毫秒。该芯片体积较小，简单进行防水封装后能够胜任本设计的使用场景。

2.4 涨率模拟器

在实际电路中采用节流式流量计，进行水位涨率的测量。通过流量计中节流件在雨水流过前后的压差和流速的关系，将压差值做一定的数学变换即可得到流体的流速，即对应涨率。在protues中没有相应电子元件[6]，为方便展示效果，采用与2.3节中同样的传感器芯片进行模拟。涨率报警是根据实际情况额外进行开发的装置。该功能适用于武汉强降雨天气，在水位未达到阈值之前进行报警，可留下充足的抢修时间，利于工作人员前往现场。

2.5 显示电路

显示电路采用LCD1602，在初始化时，首先采用三次显示模式设置，不检测忙信号。接着进行显示模式的设置，此时要求检测忙信号，进行8位、2行、5×7 点阵的设置。清屏后，字符进入屏幕不动、字符后移的模式。最后进行开显示和关光标的指令。

2.6 按键、报警电路

按键电路均采用独立式按键[7]、查询方式触发。包含功能切换、加按键、减按键、电机手动开关按键。报警电路分为LED灯光报警和蜂鸣器报警，后者采用2N2905PNP三极管提供大电流，进行功率驱动。

2.7 电机驱动电路

电机驱动电路包括光耦合NPN型三极管，单刀双掷继电器线圈、功率驱动电路组成。通过电机发送出不同占空比的PWM波，能够使二极管产生不同强度的光照，进而产生光电流，经过功率放大电路后驱动电机产生适应水位的转速，如图3所示。本设计中电机极限转速约为384r/s。继电器部分可控制电机进行正反转，对应进水和排水。

3 软件程序设计

3.1 流程图

整个程序运行的流程如图4所示。

3.2 电机转速控制

通过实时检测水位值，进行电机转速的调控是本设计的核心点。采用的方法是通过不同占空比的PWM波进行控制。通过配置定时器T0，产生1ms的定时，在内部设置计数信号，达到所设定阈值后，翻转PWM波，最终达到电机转速的改变。

4 仿真与验证

通过keil 进行代码段的调试与仿真，在proteus 8.15中绘制对应原理图。仿真结果与设计要求符合。购置相应电子元件后，结合武汉市轨道交通运营不同转辙机实际的工作环境，部分安装了该报警系统，实践证明了该系统的可行性，如图7所示。

5 结束语

本文所提出的基于51单片机的道岔基坑积水报警系统，焊接电路后运用到武汉市轨道交通2号线金银潭道岔基坑积水的监测中，预期设计目标的功能均达到要求。该设计还可应用到其他类似的水位监测报警环境中[8]。实际说明，本设计测量精度高、监测响应速度快、监测成本低。