應用太陽能電池的智能除藻勘測船設計

陸軍特種作戰學院 郭棟材 郭樂天 姜海波

智能除藻勘測船以STC89C52單片機為控制核心，船上搭載了超聲波除藻模塊，通過空化效應破壞藻類細胞結構，使藻類死亡且不產生二次污染；以wifi模塊實現信息遠程傳輸，攝像頭采集圖像后可以實時傳輸到手機或電腦等上位機控制終端，操控者從而可以根據傳輸回來的視頻畫面來遠程控制勘測船的移動和機械臂抓取物體；勘測船裝載Mppt太陽能自發電系統，實現電能自給，綠色環保。

隨著社會的進步和經濟的發展，污染物排放不規范導致水污染問題越加嚴重，水體富營養化等問題也越來越得到人們的關注。現有的除藻技術主要是人工機械捕撈和化學藥物除藻，前者會消耗大量人力物力，后者在除藻的同時可能會危害到水中其他生物，對環境不友好。

使用超聲波除藻技術，只要設置好適當的超聲波工作的頻率和時間，可以有效的破壞藻類細胞結構，使得細胞壁破裂，細胞質流出，導致細胞死亡后沉降到水底，不會造成二次污染，也不會對其他生物造成危害，節約人力物力，使用方便。

1 智能除藻勘測船系統整體結構設計

1.1 智能除藻勘測船系統整體結構功能

該設計的主要功能為系統搭載的STC89C52單片機做為控制核心處理器。電機驅動模塊可以控制勘測船的前進后退和左右轉換，機械手模塊可以用于控制水面垃圾等物體的夾取，攝像頭模塊可以將捕捉的圖像傳送到手機電腦終端方便巡視和監控。超聲波除藻模塊可以破壞藻類細胞結構，實現無污染除藻，MPPT太陽能發電模塊將太陽能最大功率轉化成電能供給整個系統使用，節能減排，綠色環保。

1.2 除藻勘測船系統結構框圖

圖1為除藻勘測船系統結構框圖，本文基于該系統框圖完成系統設計。

圖1 除藻勘測船系統結構框圖

1.3 MPPT太陽能發電系統

MPPT又稱之為“最大功率點跟蹤”（Maximum Power Point Tracking）太陽能控制器。如圖2所示為MPPT的充電控制器系統框圖，光伏陣列的輸入指的是光伏照射的強度和外界溫度，一部分經過SEPIC轉換器進行最大功率點跟蹤，輸出最大電壓給Buck轉換器進行電壓調節，然后將電能輸入給電池進行存儲，另外一部分輸入需要經過MPPT開關來進行控制，控制電壓穩定在14v左右，始終高于電池額定電壓12v。

圖2 充電控制器系統框圖

1.4 超聲波除藻原理

超聲波的頻率通常高于20000Hz，高于人耳的聽力范圍，在水中傳播的效果比在空氣中傳播效果要好。超聲波除藻的原理是超聲波發生器和超聲波振子聯用，產生機械力和空化效應使得藻類細胞結構破壞，細胞壁和細胞膜破裂，細胞液和細胞質流出，使得藻類死亡，沉降到水底，化為淤泥，不會像化學藥劑除藻給其他水生物帶來危害，綠色環保無污染。

2 智能除藻勘測船系統軟件設計與實驗

2.1 除藻勘測船系統軟件設計

在軟件程序設計中，根據做出的實際操作步驟編寫流程圖，首先單片機初始化程序，攝像頭將圖像傳輸到上位機檢測是否出現水藻，如果檢測到水藻出現，則控制勘測船到達其所在區域，開啟超聲波除藻裝置，延時大約50min就可以完全殺死船體附近的藻類，完成除藻后返航。系統主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統主程序流程圖

2.2 實驗效果測試

實驗方案為將此除藻勘測船放進一個100cm2的水箱里，超聲波頻率設置為100kHZ，水箱中放入大量藍藻，使得水面清晰可見度很低，每經過15min觀察一下水面清晰能見度，同時檢查水底沉降的物質在顯微鏡下進行觀察，發現水箱底部均是死亡的藍藻，通過五點取樣法則隨機對水面的四個角和中心區域進行采樣，統計除藻船工作前后藻類細胞減少的數量，得出結論為超聲波工作15min后的除藻率為20%，超聲波工作30min后的除藻率為45%，超聲波工作60min后的除藻率為85%，一小時以后除藻率變化較小，根據環保和節能理念，建議平均除藻工作時間控制在50min左右最佳。

本文以單片機為控制核心，設計了款搭載超聲波除藻裝置的多功能勘測船。具有以下幾個創新點：

（1）采用超聲波除藻技術，無二次污染，不會對水中其他生物造成傷害。

（2）搭載攝像頭可觀察藻類位置，機械手模塊還可以拾取水面垃圾。

（3）使用wifi遠程無線控制，操作方便，且適用于復雜環境。

（4）MPPT太陽能板持續發電，可長時間進行水面作業，節能綠色環保。