LED水下集魚燈

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;啟動操作簡單迅速;燈具堅固、耐震,水密耐壓;耐用。

LED 控制與驅(qū)動系統(tǒng)

采用數(shù)字化控制電路，整個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)動電路和LED 光源 點陣三部分構(gòu)成 。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個三基色發(fā)光單元。多個三基色發(fā)光單元的組合是通過單元電路板實現(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)動電路采用集成電路驅(qū)動, LED 驅(qū)動時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LED 發(fā)光。顯示電路分為紅、綠、藍(lán)3 個模塊, 3 個模塊與MCU 的連接方式也相同。MCU 通過信號線與模塊中各LED 驅(qū)動電路相連接。通過內(nèi)置于MCU 中的控制程序,由MCU 向LED 驅(qū)動集成塊發(fā)送控制信號和數(shù)據(jù), LED 驅(qū)動集成塊根據(jù)控制信號和數(shù)據(jù)要求,對每一只LED 實現(xiàn)單獨控制。若MCU 連續(xù)向各個LED 驅(qū)動集成塊不斷發(fā)出控制信號和數(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 在每一個亮滅周期內(nèi)發(fā)光時間的占空比,就能起到控制LED 發(fā)光亮度的效果。通過對每只LED 發(fā)光亮度的控制,使每只LED 產(chǎn)生256 級灰度等級。對3 個模塊內(nèi)的每只紅光、綠光、藍(lán)光LED 同時進(jìn)行控制,3 種光色LED 按照不同的灰度等級任意組合,能夠產(chǎn)生16 777 216 種彩色效果。將多個三基色發(fā)光單元組合成一定結(jié)構(gòu)的顯示點列 ,按照這種控制方式,就能顯示出各種顏色、多種圖像的動態(tài)顯示效果,從而實行誘魚。

如果LED 水下集魚燈采用電纜線供電,使用時電纜線容易破損折斷,多個LED 水下集魚燈一起操作時容易纏繞,非常麻煩。本文設(shè)計的LED 水下集魚燈用蓄電池供電,并利用無線供電技術(shù)為蓄電池充電。無線供電系統(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)組成,電能接收單元主要包括接收線圈L2 (變壓器次級) 、高頻整流濾波電路和負(fù)載組成 。

生產(chǎn)實踐表明,影響光誘集魚效果的首要因素是光源,它包括光源強度、燈光顏色、燈具的配置等。例如,在暗適應(yīng)條件下,藍(lán)圓鲹幼、成魚對藍(lán)、綠色光的趨光率最高,對紅光的趨光率最低。由暗適應(yīng)向明適應(yīng)過渡后,引起趨光率最高的顏色光移向黃、綠色光。在暗適應(yīng)和明適應(yīng)條件下,鮐魚都對紫光和紅光有最大的趨光率。LED 水下集魚燈通電工作后,整個系統(tǒng)由軟件控制運行。根據(jù)不同漁場的客觀情況、誘集目標(biāo)魚類的生理和生態(tài)的不同特點,來配置光源的亮度、顏色以及動態(tài)變化效果來誘魚。用戶通過遙控器,或者通過LED 水下集魚燈上的控制鍵來設(shè)定集魚燈顯示內(nèi)容,以便符合實際需要。LED 水下集魚燈能顯示出魚喜歡的食物、同類、各種事物的圖像等來誘集魚群,還能顯示出魚的天敵等相關(guān)圖像來驅(qū)集魚群、控制魚群。實行科學(xué)捕撈,合理開發(fā)利用漁業(yè)資源,保護(hù)魚類繁衍增殖,達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。 目前,LED 水下集魚燈的成本較高, LED 光源的光通量、一致性、可靠性還有待提高。LED集魚燈節(jié)能效果在日本魷釣業(yè)已經(jīng)得到證實,但是LED 集魚燈的普及情況仍然不佳。改用LED 集魚燈的魷釣船,是否具長期、持續(xù)性的漁獲效果,還需要確認(rèn)。對于LED 水下集魚燈應(yīng)用研究目前還處于起步階段,缺乏系統(tǒng)的研究資料和成果。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,各種技術(shù)的完善,LED 水下集魚燈將會成為一種主要的助漁設(shè)備,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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。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。

發(fā)光二極管(L ight Emitting Diode, LED)是一種場致發(fā)光光源,是可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能的半導(dǎo)體器件。LED 的發(fā)光原理是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料,當(dāng)兩端加上正向電壓,半導(dǎo)體材料的PN 結(jié)中注入的空穴與電子復(fù)合時引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光,直接把電能轉(zhuǎn)換為光能,屬冷光源。使用LED 半導(dǎo)體照明已被公認(rèn)為是一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑。日本從2005 年開始,研究使用藍(lán)色LED 集魚燈來替代金屬鹵化物集魚燈,以達(dá)到節(jié)省能源消耗、改善工作環(huán)境等目的。其燃油消費量僅為傳統(tǒng)魷釣船的1 /3,釣獲率也相當(dāng)于(甚至超越)傳統(tǒng)魷釣船。我國也有企業(yè)和高校正在進(jìn)行LED 集魚燈的研究與開發(fā),并取得了一定成果。

近年來,燃油價格大幅度上漲,光誘捕魚漁業(yè)在燃油上的投入比重也大為增加,有時熱光源集魚燈的燃油消耗要占到漁船總?cè)加拖牡?0%以上。由此可見,用在集魚燈上的燃油消耗費用己經(jīng)對光誘捕魚業(yè)的經(jīng)營效益產(chǎn)生了比較明顯的影響。金屬鹵化物燈存在光效低、耗電量大、電能大部分轉(zhuǎn)化為熱能的不足。LED 的光譜幾乎全部集中在可見光頻段,光效率可達(dá)80% ~90% ,因此功耗低,在相同的照明效果下,比金屬鹵化物燈節(jié)能。 金屬鹵化物燈發(fā)出的光線中含有大量的紫外線和紅外線輻射,光誘漁船作業(yè)時會對漁船工作人員健康造成傷害,也會對中上層趨光魚類,特別是視覺系統(tǒng)發(fā)育尚未完善的幼、稚魚造成一定的傷害。LED 是冷光源,沒有紅外線和紫外線的成分,沒有輻射污染,能有效防止?jié)O場生態(tài)被破壞。另外,金屬鹵化物燈內(nèi)的填充物中有汞或其它重金屬,在使用過程中破損和廢棄后的燈都會對人身健康和環(huán)境造成危害,而LED 使用中不產(chǎn)生有害物質(zhì),廢棄物可回收,沒有污染,不含汞元素,屬于典型的綠色光源。

金屬鹵化物燈的光譜較寬,且發(fā)光方向為整個立體空間,不利于配光和光線的有效利用。而LED 光譜為分立的光譜,譜線較窄,半高全寬在30 nm 左右,各類的LED 有不同峰值波長,可以在光合有效輻射范圍內(nèi)方便地匹配出各種不同的光譜結(jié)構(gòu)。LED 色彩豐富、鮮艷,可以有多樣化的色調(diào)選擇和配光,并且LED 發(fā)光大部分集中會聚于中心,發(fā)散角較小,可以有效地控制眩光。LED 發(fā)光對電流的響應(yīng)速度極快,只需通過調(diào)整電流就可以調(diào)節(jié)光的強度和顏色。

由于漁業(yè)生產(chǎn)工況條件特殊,燈和燈具經(jīng)常在海浪中拍打和在船舶搖晃中工作,因此必須具備良好的防震和防水性能。金屬鹵化物燈有玻璃泡、燈絲等易損壞部件,易碎,耐震性差,而且需要上百伏特的工作電壓,壽命一般為3000 h。當(dāng)用作水下集魚燈時,必須先放進(jìn)水里再開燈,出水時必須先熄燈再提出水面。操作麻煩,稍有不慎燈泡就有可能爆炸,造成觸電事故[ 11 ] 。LED 是用環(huán)氧樹脂封裝固態(tài)光源,使用低電壓(單個LED 只需1. 5~4. 0 V 的直流電壓) 、低電流驅(qū)動,使用壽命可高達(dá)6 萬~10 萬h;也是一種全固體結(jié)構(gòu),能經(jīng)得起震動、沖擊而不至于損壞,非正常報廢率很小,維護(hù)極為方便。

LED水晶燈是指以LED顆粒為主光源的水晶燈。LED發(fā)光顆粒一般安裝在水晶片中間，發(fā)光后由水晶片產(chǎn)生折射，經(jīng)過折射后散發(fā)出的燈光可以與普通燈泡水晶燈相媲美。