智能化海豚动力电源设计

摘要：为解决对海洋探测和海洋环境污染实时监测的电源问题，通过把微型水力发电机系于海豚身上，随着海豚运动时海水的反作用力驱动水力机转动发电，经整流滤波稳压后给锂电池板充电，从而海洋探测和海洋环境污染监测时可以使仪器获得稳定的电源。利用压力传感器、单片机、电磁控制和无线传输网络，增加该智能化海豚动力电源的可靠性和实用性，实现对仪器的回收和避免仪器对海洋环境的污染。
关键词：海豚；微型水力发电机；压力传感器；电源设计

人们一直都在不断地探索海底世界，保护海洋珍稀动物和人类赖以生存的海洋环境。由潜水员携带摄像潜入水下对海底世界进行拍摄。但潜水员在水下的活动时间和深度非常有限，对极为丰富的海豚和辽阔的海底世界获取的资料是微不足道的。另外由于海洋面积占地球面积的79％，开发利用海洋为人类经济建设服务，使海洋的经济开发利用和保护海洋动物与海洋环境和谐发展，必须对海洋环境参数进行实时监测，仪器的长期供电成为一个极大的难题。把监测仪器与海豚动力电源集成于一体，一同系于海洋动物身上，利用海豚的运动和海水的反作用力，使系在海豚身上的微型发电机转动发电，经DC—AC转换和给电池板BH充电，获得稳恒直流电源。实现了对海洋环境参数进行实时监测，对加强保护海豚动物和海洋环境，对海洋的持续开发利用都具有极其重大意义。

1 海豚动力电源
1．1 海豚动力电源的组成
为了使海豚原地不动时，发电系统能照样有电能供给仪器进行实时监测，而不遗漏关键数据和关键的图片采集。因此，海豚动力发电系统是由水力机、发电机、开关电源、充电器、电池板和防水附件等组成，其组成框图，如图1所示。

1．2 海豚动力水力发电机组的结构
由于发电机组是系在海豚身上，利用它们的运动，由海水的反作用力驱动水轮机转动，水力机再驱动发电机转动发电。由于海豚的运动速度范围为0～70 km，没有固定速度值，而发电机不得超过额定值工作。因此发电机上安装有一个限速电路，保证发电机安全运行；由于海豚的运动范围离水面为0～450 m。因此，防水密封的性能要求比较高，必须增加防海水渗漏，以免产生绕组线圈短路烧毁电机。为了使运载电源的海豚一感受到有外加重物系于它身上，产生不适的负担，增加一平衡舱，通过调节其体积，使浮力等于重力。整个海豚动力水力发电机组的结构示意图，如图2所示。

1．3 水力机工作基本原理
该研究的水力机不同于传统的水轮机，也不同于轮船上的螺旋桨，而是象风力发电的风机。传统的风机是依靠风力推动风机转动，该水力机是利用海水产生的相对运动，使水力机获得海水的反作用力而转动的。设带水力机的海豚前进速率为v(单位：ms-1)，水力机叶片的长为L，距水力机一定距离的上游相对海水流速为V1(单位：ms-1)，距水力机远处的下游海水相对速度为V2(单位：ms-1)，海水通过水力机水轮时的实际相对速度为V(单位：ms-1)，由文献的方法推导得，作用在水轮上的力和提供的功率分别为：

式中：ρ为海水密度(单位：kg／m3)；V=(V1+V2)／2。
1．4 发电原理
为尽可能减少对海水的影响，设置发电机的额定功率为100 W，为了减少铁损和提高电机的发电效率，采用变极无芯永磁异步交流发电机。发电机通过锂电池接至负载，发电机转速、空载电压和输出电流之间的关系分别为：
U0P(t)=E0(t)N (3)
I(t)=[U0P(t)-U0)]／R (4)
式中：U0P为空载电压(单位：V)；E0为线圈电动势(单位：V／(r·min-1))；U0为锂电池电压(单位：V)；N为转速(单位：r·min-1)；I为电流(单位：A)；R为线圈电阻(单位：Ω)。
发电机的输出功率和电气损耗(铜损)分别为：
P(t)=U0I(t) (5)
PUS(t)=RI(t) (6)
式中：P为发电机功率(单位：W)；PUS为电气铜损(单位：W)。
发电机每转一圈产生的电动势为：
E0=VB(L×2)nk (7)
式中：V为速度(单位：ms-1)；B为磁通密度(单位：T)；L为与磁通交链导体长度(单位：m)；n为线圈匝数；k为线圈的串联数。

2 海豚动力发电系统的智能控制
2．1 智能控制电路原理图
海豚动力发电系统智能控制电路由压力传感器、转速传感器、电磁阀、步进电机、整流滤波电路、脉冲报警电路、单片机和锂电池等组成，电源控制电路原理图，如图3所示。

2．2 发电机的转速控制
由于海豚的运动有快有慢，发电机输出的电压有高有低，为了防止飞车，设置超转速控制电路，其控制原理如图3所示。当发电机输出的交流电压经D1整流和大电阻R1，R2，R分压后，把电压采样信号送给AT89C52单片机I／O的P1．0端口，微处理器根据P1．0端口的输入电压U1，如果U1大于设定值，微处理器进入转速控制程序，单片机的P2．0端口输出高电平，K1闭合。由电磁学理论可知，发电机制动器电磁线圈有电流通过，制动器工作，使发电机受到制动阻力转速下降，当海豚的运动越快，发动机转速就越大，通过制动线圈的电流也越大，磁力越大，制动力也越大，转速下降也越多，这样可使发电机转速在一个安全的范围内。
2．3 智能化解系绳控制基本原理
为了保护海豚、防止电子设备对海洋造成污染和资料的回收。根据拍斯卡定理，水对仪器产生压力，并随水深度的增加而增加，仪器下水深度不能超过内压能力，否则会损坏仪器。而且海豚也不能长期被绳子系着，影响生长，因此必须设置智能化解系绳控制系统。工作原理是：由图4可见，压力传感器P2采集到的压力数据电压，经R5和R7分压后把电压采样信号送给AT89C52单片机I／O的P1．1端口，微处理器根据P1．1端口的输入电压U2，如果U2大于设定值，微处理器执行压力控制解系绳子程序，单片机的P2．1端口输出高电平，三极管Q3饱和导通，电磁开关KZ吸合，系绳的锁扣打开，仪器与海豚脱离。同理，仪器下水就开始计算时间，当仪器的工作时间到达设定值时，微处理器也执行解系绳程序，使仪器与海豚脱离。
2．4 智能化仪器回收控制系统
由于仪器正常工作时，根据液体浮力理论可知，当仪器的重力与浮力相等时，仪器脱离海豚后，仪器将沿浮在海水中的任何地方。这将对海洋造成污染，而且也无法回收采集到的海洋中的有用数据。设置智能化仪器浮出海面控制系统的工作原理为：微处理器在执行解系绳程序后，立即执行仪器浮出海面控制子程序，单片机的P2．2端口输出高电平，三极管Q4饱和导通，K3吸全，直流电机B1接通电源，B1带动齿条转动，使平衡舱体积增加。当平衡舱增加到设定时，限位开关S1被触动，P2．4由高电平变为低电平，P2．2端口输出高电平变为低电平，B1停止转动。控制过程中，仪器受到海水的浮力F增加，使F>G，仪器加速向水面运动，最终仪器浮出水面，控制结束。
2．5 电源控制主程序
2．5．1 解系绳控制程序流程图
解系绳控制程序流程图，如图4所示。
2．5．2 发电机转速控制程序流程图
发电机转速控制程序流程图。如图5所示。