集魚燈是光誘魷釣作業(yè)中最主要的助漁設(shè)備,可分為水上燈和水下燈兩類。水下集魚燈具有節(jié)能、誘集范圍廣、穿透水層深等特點(diǎn)。水下集魚燈不僅可以在晚上將深層的柔魚誘集到較淺的水層進(jìn)行作業(yè),還可以在白天將大型柔魚聚集在較深水層進(jìn)行捕獲 ,水下集魚燈于20世紀(jì)90年代以來(lái)被廣泛應(yīng)用到魷釣作業(yè)中,其光源以金屬鹵化物燈為主,屬熱光源。
LED是一種半導(dǎo)體固態(tài)光源,與金屬鹵化物燈相比較,具有功耗低、易于控制、壽命長(zhǎng)、環(huán)保、抗震性好等諸多優(yōu)勢(shì),適合作為水下集魚燈的光源。本文基于LED的特點(diǎn),將多只LED組合排列在一起,用集成電路驅(qū)動(dòng),采用數(shù)字化控制電路,根據(jù)誘集目標(biāo)魚類的視覺特性,調(diào)節(jié)LED水下集魚燈的亮燈模式、時(shí)間、閃爍頻率等動(dòng)態(tài)參數(shù),以彩色的動(dòng)態(tài)圖像來(lái)誘集、驅(qū)集魚群,達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、科學(xué)捕撈、提高效益的目的;同時(shí)闡述了無(wú)線供電技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和原理,并把該技術(shù)引入LED水下集魚燈,提高其防水性與易用性。
1 LED水下集魚燈的設(shè)計(jì)
LED水下集魚燈應(yīng)符合以下幾方面要求:光源具有較大照射范圍、足夠的照度,并能適用于誘集魚群;啟動(dòng)操作簡(jiǎn)單迅速;燈具堅(jiān)固、耐震,水密耐壓;耐用。
1. 1 LED控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
采用數(shù)字化控制電路,整個(gè)電路由以嵌入式微控制器(MCU)作核心的控制系統(tǒng)電路、驅(qū)動(dòng)電路和LED光源點(diǎn)陣三部分構(gòu)成(圖1) 。
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LED水下集魚燈用高亮度LED 作為光源。LED雖然光效很高,但單只LED所發(fā)出的光通量還不夠大,為了實(shí)現(xiàn)較大照射范圍和足夠的照度,必須采用多只LED組合在一起使用。首先根據(jù)水下集魚燈集魚所需要達(dá)到的照射范圍與照度確定總功率,在此基礎(chǔ)上選擇一定功率的多只LED來(lái)達(dá)到所需的總功率。由1 只紅(R ) 、1 只綠(G) 、1只藍(lán)(B)根據(jù)配色要求構(gòu)成1個(gè)三基色發(fā)光單元。多個(gè)三基色發(fā)光單元的組合是通過單元電路板實(shí)現(xiàn),在陣列結(jié)構(gòu)上通過先分單元后組合的方式,呈線形、矩形、圓形、內(nèi)外半圓柱面及部分球面的分布,保證光向四周發(fā)射。
LED驅(qū)動(dòng)電路采用集成電路驅(qū)動(dòng), LED驅(qū)動(dòng)時(shí)需要先將直流電流通過高效率的開關(guān)穩(wěn)壓器降壓和變換成恒流源,才能輸出恒定的電流驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。顯示電路分為紅、綠、藍(lán)3 個(gè)模塊, 3個(gè)模塊與MCU的連接方式也相同。MCU通過信號(hào)線與模塊中各LED驅(qū)動(dòng)電路相連接。通過內(nèi)置于MCU中的控制程序,由MCU向LED驅(qū)動(dòng)集成塊發(fā)送控制信號(hào)和數(shù)據(jù), LED驅(qū)動(dòng)集成塊根據(jù)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)要求,對(duì)每一只LED實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。若MCU連續(xù)向各個(gè)LED驅(qū)動(dòng)集成塊不斷發(fā)出控制信號(hào)和數(shù)據(jù),使每只LED都受到連續(xù)的協(xié)調(diào)控制 。
如果控制LED以魚眼分辨不出的閃爍頻率快速亮滅,并且控制LED在每一個(gè)亮滅周期內(nèi)發(fā)光時(shí)間的占空比,就能起到控制LED發(fā)光亮度的效果。通過對(duì)每只LED發(fā)光亮度的控制,使每只LED產(chǎn)生256級(jí)灰度等級(jí)。對(duì)3個(gè)模塊內(nèi)的每只紅光、綠光、藍(lán)光LED同時(shí)進(jìn)行控制, 3種光色LED按照不同的灰度等級(jí)任意組合,能夠產(chǎn)生16 777 216種彩色效果。將多個(gè)三基色發(fā)光單元組合成一定結(jié)構(gòu)的顯示點(diǎn)列(圖2) ,按照這種控制方式,就能顯示出各種顏色、多種圖像的動(dòng)態(tài)顯示效果,從而實(shí)行誘魚。
1. 2 無(wú)線供電電源
如果LED水下集魚燈采用電纜線供電,使用時(shí)電纜線容易破損折斷,多個(gè)LED水下集魚燈一起操作時(shí)容易纏繞,非常麻煩。本文設(shè)計(jì)的LED水下集魚燈用蓄電池供電,并利用無(wú)線供電技術(shù)為蓄電池充電。
無(wú)線供電系統(tǒng)包括電能發(fā)送單元和電能接收單元兩部分。電能發(fā)送單元主要由交直流電源電路、功率放大輸出電路、驅(qū)動(dòng)電路、振蕩電路、基準(zhǔn)電壓電路、控制保護(hù)電路以及發(fā)射線圈L1 (變壓器初級(jí))組成,電能接收單元主要包括接收線圈L2 (變壓器次級(jí)) 、高頻整流濾波電路和負(fù)載組成(圖3) 。
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無(wú)線供電系統(tǒng)工作時(shí)輸入端將交流電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電,或用漁船的直流電源直接為系統(tǒng)供電,直流電流通過振蕩電路逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電,經(jīng)功率放大輸出電路放大后供給發(fā)射線圈L1。通過發(fā)射線圈L1與接收線圈L2耦合電能,接收線圈L2輸出的電流經(jīng)高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負(fù)載(電池)進(jìn)行充電。一個(gè)電能發(fā)送單元可以對(duì)多個(gè)電能接收單元發(fā)射電磁波進(jìn)行充電。電能發(fā)送單元與電能接收單元可以用一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多和網(wǎng)絡(luò)分布方式充電。無(wú)線供電技術(shù)應(yīng)用于LED水下集魚燈,不需要在LED水下集魚燈上安裝接口及導(dǎo)線,使LED水下集魚燈具有高度可靠的防水性能。