多路供电的增加水体溶氧均衡性的推流装置的制作方法

本发明涉及一种多路供电的增加水体溶氧均衡性的推流装置。

背景技术：

水产养殖中，常规增氧设备大都采用常规电力，功耗大，且大多都是针对局部水域增氧。而水产养殖中由于环境因素的差异，其溶氧浓度分布具有较大的差异，鱼类的趋氧特性导致其喜欢聚集到溶氧浓度较高的区域，这就限制了单位面积的养殖量。目前常用的增氧装置注重提高溶氧浓度，而对提高溶氧均衡性的装置仍是一片空白，因此有必要对其进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种多路供电的增加水体溶氧均衡性的推流装置，该装置有效提高水体溶解氧的浓度，改善水体溶解氧分布均衡性，并且运用太阳能和蓄电池供电，节能环保。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种多路供电的增加水体溶氧均衡性的推流装置，其包括：设置在水下，用于推动水体流动的至少一个推流水泵；与推流水泵连接，用于支撑推流水泵和调节推流水泵位置的支撑装置；利用太阳能发电的光伏阵列，光伏阵列下方设置有追光电机；蓄电池；与推流水泵、光伏阵列、蓄电池相互电性连接的主控制器，该主控制器包括DSP主控芯片、检测电路、两个驱动电路、及电源切换电路，DSP主控芯片用于蓄电池充放电控制，以及推流水泵工作状态控制，检测电路包括电压和电流检测，用于检测光伏阵列的发电情况；驱动电路通过高频开关的通断频率控制来对充放电进行控制；电源切换电路使充放电控制实现。

此外，本发明还提供如下附属技术方案：

所述支撑装置包括：底座、与底座固定配接的竖向支杆、可活动地配接在竖向支杆上的垂直电机、与垂直电机固定配接的横向支杆、可活动地配接在横向支杆上的水平电机、连接在水平电机与推流水泵之间的连接链；所述垂直电机可带动推流水泵上下移动，所述水平电机可带动推流水泵水平移动。

所述DSP主控芯片为TMS320F2812芯片。

所述检测电路包括电流检测电路和电压检测电路；电流检测电路采用LA55-P电流霍尔传感器，待测电流的导线通过霍尔传感器中间，i1引脚接DSP主控芯片读出电流值；电压检测电路采用LV25-P电压霍尔传感器，ULin引脚和UNin引脚分别接需要检测电压的正负极，Vo引脚接DSP主控芯片读取电压值。

每个驱动电路都包括IR2117驱动芯片和外围电路，外围电路的元器件包括第一电阻R1、第二电阻R2、三极管Q3、二极管D3、第一电容C3、第二电容C4、第三电容C5、第四电容C6；驱动芯片Vcc引脚与第一电容C3和第二电容C4电连接，第一电容C3和第二电容C4相互并联，并且均接地；驱动芯片IN引脚与三极管Q3集电极电连接，三极管Q3集电极还与第二电阻R2、二极管D3、VB引脚串联；三极管Q3基极通过第一电阻R1与DSP主控芯片电连接，三极管Q3发射极接地；驱动芯片COM引脚接地；驱动芯片VB引脚还与第三电容C5和第四电容C6电连接，第三电容C5和第四电容C6相互并联，并且与VS引脚电连接；驱动芯片VS引脚还与电源切换电路电连接。

所述电源切换电路包括两路BUCK电路、第一继电器S1、第二继电器S2、以及稳压电源；两路BUCK电路相互并联，并且都由开关MOS管、续流二极管、滤波电感和滤波电容组成，开关MOS管的栅极与驱动电路电连接；第一继电器S1用于控制BUCK电路与稳压电源断开与导通；第二继电器S2用于控制BUCK电路与蓄电池断开与导通，以及蓄电池与稳压电源断开与导通；稳压电源输出端与推流水泵电连接。

相比于现有技术，本发明的优势在于：本发明的推流装置通过太阳能光伏阵列的光电转换，用蓄电池储存能量，节能环保，并且可以确保连续稳定的动力，能有效提高水体中溶氧的分布均衡性，推流后的溶氧浓度比推流前的提高了1～2mg/L，对提高水产养殖的密度和产量具有现实意义。

附图说明

图1是推流装置的结构示意图。

图2是推流装置的电控系统框架图。

图3是电流检测电路图。

图4是电压检测电路图。

图5是驱动电路图。

图6是电源切换电路图。

图7是三阶段充电程序流程图。

图8是实验区域网格划分图。

图9是无推流情况下溶氧浓度分布浓度图

图10是推流情况下溶氧浓度分布浓度图。

图11是无推流和推流情况下溶氧浓度频率分布直方图。

具体实施方式

以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。

参见图1，本发明的推流装置主要包括：至少一个推流水泵1、支撑装置2、光伏阵列3、蓄电池(图未示)以及主控制器4。

推流水泵1均设置在水下，用于推动水体流动，为了提高喷力，在推流水泵1的出口设置一个喷嘴11，喷嘴11平行水面，垂直岸边。本实施例，推流水泵选用上海昭升电机有限公司的ZQB-48型直流潜水泵，其额定电压48V，额定功率180W。

支撑装置2用于支撑推流水泵和调节推流水泵位置；其包括底座2a、与底座2a固定配接的竖向支杆2b、可活动地配接在竖向支杆2b上的垂直电机2c、与垂直电机2c固定配接的横向支杆2d、可活动地配接在横向支杆2d上的水平电机2e、连接在水平电机2e与推流水泵1之间的连接链2f。竖向支杆2b与底座2a相互垂直，电机2c可在竖向支杆2b上上下移动，从而带动横向支杆2d、水平电机2e、连接链2f和推流水泵1上下移动，水平电机2e可在横向支杆2d上水平移动，从而带动连接链2f和推流水泵1水平移动。垂直电机2c对推流深度进行控制，水平电机2e对离岸距离进行控制。

光伏阵列3利用太阳能发电，发出的电能主要供推流水泵1运行，多余的电量充入蓄电池内。光伏阵列3通过追光电机7连接在支撑装置上，追光电机7可实时调整光伏阵列3的角度，使光伏阵列3始终与太阳照射角度垂直，能最大限度提高光伏阵列3的发电效率。本实施例，光伏阵列3选用赛维LDK250PAFW(B)型太阳能电池板，2片太阳能电池板串联，其单板最大功率250W，工作电压30.5V。

蓄电池存储电能，当光伏阵列3发电不足时，释放电能，与光伏阵列3一道供推流水泵1运行。蓄电池为普通的可充放电电池，设置在主控制器4下方，其为现有技术，图中未显示。本实施例，蓄电池选用华富6-CNJ-38(12V38Ah)型，4组串联成48V。

主控制器4实时检测光伏阵列3的输出电压和电流，计算输出功率，当光伏阵列3的输出功率大于推流水泵1功率时，光伏阵列3同时对推流水泵1供电和对蓄电池充电，当光伏阵列3输出功率低于推流水泵1功率时，光伏阵列3和蓄电池同时向推流水泵1供电。

参见图2，主控制器4包括DSP主控芯片40、检测电路41、两个驱动电路42、及电源切换电路43，DSP主控芯片40用于蓄电池6充放电控制，以及推流水泵1工作状态控制(即启停机)，检测电路41包括电压和电流检测，用于检测光伏阵列3的发电情况；驱动电路42通过高频开关的通断频率控制来对充放电进行控制；电源切换电路43使充放电控制实现。

DSP主控芯片40为TMS320F2812芯片。

检测电路41包括电流检测电路和电压检测电路。参见图3，电流检测电路采用LA55-P电流霍尔传感器，待测电流的导线通过霍尔传感器中间，i1接主控芯片读取电压值，其值为i1＝3/20*I,I为实测待测电流实际值。参见图4，电压检测电路采用LV25-P电压霍尔传感器，ULin和UNin引脚分别接需要检测电压的正负极，Vo引脚接主控芯片读取电压值，Vo引脚经霍尔传感器衰减后范围在0～3V范围。电路中各电阻阻值根据实际由下式确定：

Ur/(R31+R33)＝5/2*R36，Ur为ULin和UNin之间的电压值。

参见图5，每个驱动电路42都包括IR2117驱动芯片和外围电路，外围电路的元器件包括第一电阻R1、第二电阻R2、三极管Q3、二极管D3、第一电容C3、第二电容C4、第三电容C5、以及第四电容C6。驱动芯片Vcc引脚与第一电容C3和第二电容C4电连接，第一电容C3和第二电容C4相互并联，并且均接地；驱动芯片IN引脚与三极管Q3集电极电连接，三极管Q3集电极还与第二电阻R2、二极管D3、VB引脚串联；三极管Q3基极通过第一电阻R1与DSP主控芯片电连接，三极管Q3发射极接地；驱动芯片COM引脚接地；驱动芯片VB引脚还与第三电容C5和第四电容C6电连接，第三电容C5和第四电容C6相互并联，并且与VS引脚电连接；驱动芯片VS引脚还与电源切换电路电连接。

DSP主控芯片40发出PWM控制信号来控制驱动芯片工作。驱动芯片IR2117的外围电路采用自举技术，由二极管MUR1100和电容组成。其原理为：当VS引脚被拉低到地时，+15V电源就会通过自举二极管MUR1100对自举电容充电，从而为VB提供一个电源，芯片内部的推挽结构使HO端口得到一个10～15V的驱动电压。

参见图6，电源切换电路43包括两路BUCK电路、第一继电器S1、第二继电器S2、以及稳压电源15。两路BUCK电路相互并联，并且都由开关MOS管、续流二极管、滤波电感和滤波电容组成，开关MOS管的栅极与驱动芯片的VS引脚电连接，流二极管选用MUR820，滤波电感200μH，滤波电容470μF；第一继电器S1用于控制BUCK电路与稳压电源断开与导通；第二继电器S2用于控制BUCK电路与蓄电池6断开与导通，以及蓄电池6与稳压电源15断开与导通；稳压电源15输出端与推流水泵1电连接。第一继电器S1和第二继电器S2均采用SRU-S-112D型继电器，S1一个触点悬空，S2两个触点都接上。

两路BUCK电路的功能相同，起到了分流的作用，能有效避免大电流对电路及系统的冲击。对于一路BUCK电路，当MOS管闭合时，续流二极管截止，光伏阵列3向滤波电感和滤波电容充电并给负载1或蓄电池6供电；当MOS管断开时，续流二极管导通，滤波电感和滤波电容向负载1或蓄电池6放电。

参照图7，本推流装置采用三阶段充电模式。根据蓄电池的使用说明，过放点电压U(a)为42V，循环充电电压U(c)为58.4V。蓄电池端电压U(b)为检测到的蓄电池两端的电压值。第一阶段，U(b)小于U(a)，以小电流恒流方式给蓄电池充电，直至蓄电池电压升至过放点电压；第二阶段，U(b)大于U(a)但小于U(c)，以大电流恒流方式给蓄电池充电；第三阶段，当U(b)大于等于U(c)，以恒压充电方式充电，当充电电流I(b)<＝0.38A一段时间后充电结束。但是，当DSP主控芯片40测得的光伏阵列3的输出功率大于推流水泵1的额定功率且蓄电池为预充电状态，电源切换电路43的第一继电器S1断开以避免推流水泵1损坏；而在恒压充电后期，当检测到充电电流I(b)<3A时，第二继电器S2打空，蓄电池既不充电也不放电，推流水泵1的功率全部由光伏阵列3提供。推流水泵1不工作时，系统按三阶段充电模式充电。

经过实际运行测试，在蓄电池满电的情况下，有效日照达到10h，系统可连续稳定运行32h，能够满足设计要求。试验区域为一个长200m、宽100m的人工湖，水深约1m。测量了7m×5m大小区域的溶氧浓度值，见图8，将试验区域划分为35个1m×1m的网格，每个网格为一个采样点，溶氧测量深度为水面下约20cm。推流水泵1放置在平行湖岸且靠近岸边的位置，垂直湖岸向湖中推流，水泵出水口在水面下约20cm。在同一实验区域，选取温度、光照强度等条件差异不大的10d，其中5d不推流，另外5d进行推流，推流时将水泵出水口放置在水下5cm处，分别测量两种情况的溶氧浓度平均值，并对比分析。

实验时间为每天的8:30～10:30，分别测量8:30、9:30、10:30这3个时刻各采样点的溶氧浓度。为减小实验误差，每次测量均在5min内完成。

为了更准确地体现试验区域溶氧浓度分布差异，需要对实验区域内的35个采样点进行拟合插值。用RBF神经网络给实验区域的溶氧浓度插值，以采样点的坐标作为网络输入，溶氧浓度值作为网络输出，在MATLAB平台上调用神经网络工具箱，得到了400×600个坐标点插值结果。

见图9和图10，分别根据无推流和有推流时的3个时刻得到的400×600个坐标点插值结果绘制浓度分布图，通过颜色的变化来表示溶氧浓度值的高低，颜色越深表示溶氧越低，颜色越浅表示溶氧越高。

X轴表示湖岸，Y轴垂直湖岸。此外，还根据插值结果绘制了溶氧浓度频率分布直方图，见图11。无推流时，3个时刻的岸边颜色均较深，离岸边越远的地方颜色越浅，溶氧浓度分布呈明显的梯度分布；有推流情况下，8:30，溶氧浓度空间呈现梯度分布，随着时间的推移，浓度分布分层现象逐渐减小；到10:30时刻，实验区域颜色没有明显的差异，不再呈现梯度分布。从图9可以看出，9:30时刻，推流前后溶氧浓度范围由3～5.5mg/L增加到了4.8～5.8mg/L；10:30时刻，推流前后溶氧浓度范围由4.2～7.2mg/L增加到了7.2～8.2mg/L。整个实验区域的溶氧浓度，有推流时比无推流时要高出1～2mg/L，而且推流后溶氧浓度更加集中，分布更加均匀。因此，推流能有效改善溶氧浓度的空间分布均衡性，提高溶氧浓度。

综合上文所述，本发明的推流装置通过太阳能光伏阵列的光电转换，用蓄电池储存能量，可以确保连续稳定的动力，能有效提高水体中溶氧的分布均衡性，推流后的溶氧浓度比推流前的提高了1～2mg/L，对提高水产养殖的密度和产量具有现实意义。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。