陸軍特種作戰(zhàn)學(xué)院 郭棟材 郭樂天 姜海波

智能除藻勘測船以STC89C52單片機(jī)為控制核心，船上搭載了超聲波除藻模塊，通過空化效應(yīng)破壞藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使藻類死亡且不產(chǎn)生二次污染；以wifi模塊實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程傳輸，攝像頭采集圖像后可以實(shí)時傳輸?shù)绞謾C(jī)或電腦等上位機(jī)控制終端，操控者從而可以根據(jù)傳輸回來的視頻畫面來遠(yuǎn)程控制勘測船的移動和機(jī)械臂抓取物體；勘測船裝載Mppt太陽能自發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電能自給，綠色環(huán)保。

隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污染物排放不規(guī)范導(dǎo)致水污染問題越加嚴(yán)重，水體富營養(yǎng)化等問題也越來越得到人們的關(guān)注?，F(xiàn)有的除藻技術(shù)主要是人工機(jī)械捕撈和化學(xué)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(huán)境不友好。

使用超聲波除藻技術(shù)，只要設(shè)置好適當(dāng)?shù)某暡üぷ鞯念l率和時間，可以有效的破壞藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使得細(xì)胞壁破裂，細(xì)胞質(zhì)流出，導(dǎo)致細(xì)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(jié)約人力物力，使用方便。

1 智能除藻勘測船系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 智能除藻勘測船系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)功能

該設(shè)計的主要功能為系統(tǒng)搭載的STC89C52單片機(jī)做為控制核心處理器。電機(jī)驅(qū)動模塊可以控制勘測船的前進(jìn)后退和左右轉(zhuǎn)換，機(jī)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(jī)電腦終端方便巡視和監(jiān)控。超聲波除藻模塊可以破壞藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無污染除藻，MPPT太陽能發(fā)電模塊將太陽能最大功率轉(zhuǎn)化成電能供給整個系統(tǒng)使用，節(jié)能減排，綠色環(huán)保。

1.2 除藻勘測船系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1為除藻勘測船系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，本文基于該系統(tǒng)框圖完成系統(tǒng)設(shè)計。

圖1 除藻勘測船系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 MPPT太陽能發(fā)電系統(tǒng)

MPPT又稱之為“最大功率點(diǎn)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(tǒng)框圖，光伏陣列的輸入指的是光伏照射的強(qiáng)度和外界溫度，一部分經(jīng)過SEPIC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，輸出最大電壓給Buck轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，然后將電能輸入給電池進(jìn)行存儲，另外一部分輸入需要經(jīng)過MPPT開關(guān)來進(jìn)行控制，控制電壓穩(wěn)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(tǒng)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(fā)生器和超聲波振子聯(lián)用，產(chǎn)生機(jī)械力和空化效應(yīng)使得藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，細(xì)胞壁和細(xì)胞膜破裂，細(xì)胞液和細(xì)胞質(zhì)流出，使得藻類死亡，沉降到水底，化為淤泥，不會像化學(xué)藥劑除藻給其他水生物帶來危害，綠色環(huán)保無污染。

2 智能除藻勘測船系統(tǒng)軟件設(shè)計與實(shí)驗(yàn)

2.1 除藻勘測船系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件程序設(shè)計中，根據(jù)做出的實(shí)際操作步驟編寫流程圖，首先單片機(jī)初始化程序，攝像頭將圖像傳輸?shù)缴衔粰C(jī)檢測是否出現(xiàn)水藻，如果檢測到水藻出現(xiàn)，則控制勘測船到達(dá)其所在區(qū)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(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)效果測試

實(shí)驗(yàn)方案為將此除藻勘測船放進(jìn)一個100cm2的水箱里，超聲波頻率設(shè)置為100kHZ，水箱中放入大量藍(lán)藻，使得水面清晰可見度很低，每經(jīng)過15min觀察一下水面清晰能見度，同時檢查水底沉降的物質(zhì)在顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)水箱底部均是死亡的藍(lán)藻，通過五點(diǎn)取樣法則隨機(jī)對水面的四個角和中心區(qū)域進(jìn)行采樣，統(tǒng)計除藻船工作前后藻類細(xì)胞減少的數(shù)量，得出結(jié)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(jù)環(huán)保和節(jié)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(jī)為控制核心，設(shè)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(chuàng)新點(diǎn)：

（1）采用超聲波除藻技術(shù)，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(jī)械手模塊還可以拾取水面垃圾。

（3）使用wifi遠(yuǎn)程無線控制，操作方便，且適用于復(fù)雜環(huán)境。

（4）MPPT太陽能板持續(xù)發(fā)電，可長時間進(jìn)行水面作業(yè)，節(jié)能綠色環(huán)保。