基于51單片機的道岔基坑積水報警系統設計

章珍珍　劉慶華　嚴成駿　賀章擎

關鍵詞：51單片機；溫度傳感器；報警裝置；監測電路；水位監測；道岔基坑

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）20-0135-03

0 引言

在城市軌道交通信號系統中，轉轍機正常、穩定的工作是列車行駛的安全保障[1]。目前武漢市軌道交通線網內正線轉轍機均安裝于下沉式道岔基坑內，位置低于軌道平面，容易發生基坑積水造成轉轍機進水。據2022年最新統計，武漢市軌道交通全線網共有50余處道岔基坑，存在不同程度的積水現象。長期以來，由于基坑積水過深造成轉轍機進水的安全事故頻發，尤其是新線建設過程中，區間排水不暢，常發生道岔基坑積水導致轉轍機進水，從而導致轉轍機性能下降。如圖1所示，傳統通過人工巡視進行肉眼觀察，存在誤差大、主觀性較強等問題，且由于人力有限，往往不能及時發現隱患。

近年來大量關于道岔基坑積水安全檢測的方法被提出，本文根據武漢市軌道交通運營的實際情況，基于51單片機，提出了一套完整的道岔基坑積水監測報警系統和實時排水裝置。

該檢測報警系統總體包括具有三檔水位的水位檢測報警模塊[2]、閾值可調的溫度檢測報警模塊、持續高溫報警、漲率檢測報警模塊、排（進）水電機驅動電路模塊，PWM波調節電機速率模塊以及報警提示電路模塊。

電路通過protues進行仿真驗證并焊接了實物，成功地運用到武漢市軌道交通線網道岔基坑積水監測中。實踐證明，該套裝置能夠節省人力成本、提升檢測效率，保證轉轍機正常工作。

1 整體設計要求

本設計采用的控制系統為51 單片機，CPU 為AT89C51；開機初始化后，界面顯示當前水位、電機轉速、溫度、水位漲率；若水位小于低水位閾值，電機順時針轉動，進水（在本場景中未涉及進水，故只需將該閾值設置為0即可），且水位越低，電機轉速越快。若水位大于等于第一檔閾值，LED黃燈亮，電機逆時針旋轉，排水。水位大于等于第二檔閾值，LED紅燈亮，電機速率加快。水位大于等于第三檔閾值，蜂鳴器響[3]，電機全速運作。高水位各檔水位閾值相差為30cm，且高低水位閾值均可調；溫度報警閾值為50℃，當高溫持續時間超過30min，此時排水電機繼續工作可能有死機的危險，蜂鳴器響，提醒工作人員進行降溫或關停；水位漲率超出閾值，預計此時即使排水電機全速工作，也無法使水位下降，蜂鳴器響，提醒人工排水，該水位漲率閾值可調；同時設計手動排水按鈕，第一次按下時，電機全速工作，第二次按下，電機關停，如此循環；通過功能切換按鈕進行頁面的切換，頁面一為測量顯示界面，頁面二為水位閾值調節界面，頁面三為溫度閾值調節、漲率閾值顯示界面。

2 硬件電路設計

2.1 總體電路

總體電路包括液位模擬器、漲率模擬器、溫度傳感器、顯示電路、按鍵電路、報警電路、電機驅動電路，如圖2所示。

2.2 液位模擬

在測試電路中，通過滑動電阻阻值對應的電壓，模擬液位的變化[4]。實際電路中采用電容式液位傳感器，因為液位變化將會引起電容變化，故只需通過測量物質的導電率即可得到液位。該種傳感器靈敏性較高、動態響應好且沒有自熱現象。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。該芯片可進行12位串行的數據轉換，在本設計中能夠滿足要求。由于此時僅有一個模擬輸入量，轉換通道僅一條，為AIN0。

2.3 溫度傳感器

溫度傳感器[5]采用DS18B20，定義該芯片的總線I/O接口為P2.3。其獨特的單線接口方式大大節省了單片機的開支。通過測試手冊可知，該芯片在-55～ 125℃的測溫范圍內，固有測量誤差最大為1℃，抗干擾能力較強。該芯片能夠提供9至12位的可編程設備溫度讀數，越高的位數對應數字格式最大值越大，如本設計中采用12 位，此時溫度的分辨率為0.0625℃，數字格式為750毫秒。該芯片體積較小，簡單進行防水封裝后能夠勝任本設計的使用場景。

2.4 漲率模擬器

在實際電路中采用節流式流量計，進行水位漲率的測量。通過流量計中節流件在雨水流過前后的壓差和流速的關系，將壓差值做一定的數學變換即可得到流體的流速，即對應漲率。在protues中沒有相應電子元件[6]，為方便展示效果，采用與2.3節中同樣的傳感器芯片進行模擬。漲率報警是根據實際情況額外進行開發的裝置。該功能適用于武漢強降雨天氣，在水位未達到閾值之前進行報警，可留下充足的搶修時間，利于工作人員前往現場。

2.5 顯示電路

顯示電路采用LCD1602，在初始化時，首先采用三次顯示模式設置，不檢測忙信號。接著進行顯示模式的設置，此時要求檢測忙信號，進行8位、2行、5×7 點陣的設置。清屏后，字符進入屏幕不動、字符后移的模式。最后進行開顯示和關光標的指令。

2.6 按鍵、報警電路

按鍵電路均采用獨立式按鍵[7]、查詢方式觸發。包含功能切換、加按鍵、減按鍵、電機手動開關按鍵。報警電路分為LED燈光報警和蜂鳴器報警，后者采用2N2905PNP三極管提供大電流，進行功率驅動。

2.7 電機驅動電路

電機驅動電路包括光耦合NPN型三極管，單刀雙擲繼電器線圈、功率驅動電路組成。通過電機發送出不同占空比的PWM波，能夠使二極管產生不同強度的光照，進而產生光電流，經過功率放大電路后驅動電機產生適應水位的轉速，如圖3所示。本設計中電機極限轉速約為384r/s。繼電器部分可控制電機進行正反轉，對應進水和排水。

3 軟件程序設計

3.1 流程圖

整個程序運行的流程如圖4所示。

3.2 電機轉速控制

通過實時檢測水位值，進行電機轉速的調控是本設計的核心點。采用的方法是通過不同占空比的PWM波進行控制。通過配置定時器T0，產生1ms的定時，在內部設置計數信號，達到所設定閾值后，翻轉PWM波，最終達到電機轉速的改變。

4 仿真與驗證

通過keil 進行代碼段的調試與仿真，在proteus 8.15中繪制對應原理圖。仿真結果與設計要求符合。購置相應電子元件后，結合武漢市軌道交通運營不同轉轍機實際的工作環境，部分安裝了該報警系統，實踐證明了該系統的可行性，如圖7所示。

5 結束語

本文所提出的基于51單片機的道岔基坑積水報警系統，焊接電路后運用到武漢市軌道交通2號線金銀潭道岔基坑積水的監測中，預期設計目標的功能均達到要求。該設計還可應用到其他類似的水位監測報警環境中[8]。實際說明，本設計測量精度高、監測響應速度快、監測成本低。