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。[p]
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。[p]
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。

3 定位与报警系统
3．1 定位与报警电路
为了确定海豚所在位置和监测的海洋环境数据出自的海域位置，对海豚实行GPS定位控制。本文选择Garmin公司近期研制开发的GPS15L OEM板，把该板上的RXD1端口和TXD1端口分别与AT89C52单片机的TXD，RXD端口连接，实现把GPS信号送入AT89C52进行数据处理来获得对海豚的位置的定位信号，并通过GR47无线模块与控制中心对接，使控制中心及时掌握海豚及携带仪器情况。GR47无线模块短信报警电路原理图，如图6所示。
3．2 GR47无线模块简介
GR47是带有GPRS／GSM全套语音和数据功能强大、性能优良的无线模块。它具有体积小，仅为50 mm×33 mm×7．2 mm，电源电压3～5 V，频率为GSM 900 MHz(DCS 1 800 MHz)，传输速率可达85．6 Kb／s，GPRS模式AT命令集为支持GSM 0．760和0．707版本，可发短信及通话，适合M2M解决方案，可用于嵌入式控制。
3．3 短信报警基本原理
为了使仪器和采集的海洋资料得到回收，仪器浮出水面后的压力最小，微处理器调出短信报警子程序，系统执行短信报警命令，AT89C 52单片机输出接通GR47和MAX3772E的电源，使其处于工作状态，单片机再从RXD和TXD脚把仪器浮到水面信息通过GR47无线模块和GPRS网络以短信方式发送到特定的手机上，告诉相关的实验人员，让它对仪器和采集的海洋资料进行相关回收处理，避免仪器和资料丢失。
3．4 实验
为了验证由动物携带发电机随动物在水里游动时，带动发电机转动发电的可能性。实验时把发电系统和仪器系于水牛身上，让水牛在水库中游荡，水牛背上的灯泡能发光，同时其他仪器也能工作。

4 结语
利用海豚能在水下长时间活动的特点，借助海洋动物的运动为动力，使系于海豚身上的水力机在海水的反作用力驱动下带动发电机转动发电，作为监测海洋环境和拍摄海底世界仪器的电源。由于该发电系统是根据水压大小和工作时间的长短确定解系绳动作的。通过调节平衡箱的体积来调整发电机组在水中受到的浮力，使浮力大于重力而上浮到水面上，再利用无线短信报警的方式，进行对发电机组和资料回收报警，使其既能收集到海洋资料，又不污染海洋和伤害海豚。由实验可知，该海豚动力发电系统具有供电时间长、不消耗燃料、无污染、安全和可靠性高的特点。它不但可以用于海洋环境监测和海洋研究，也可用于对敌人海底武器的监视。因此，该海豚动力发电系统具有广阔的开发前景。