LED水下集魚燈的研究與設(shè)計(jì)

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(shí)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(fèi)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。

　　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） 。

　　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)送控制信號和數(shù)據(jù)， LED驅(qū)動(dòng)集成塊根據(jù)控制信號和數(shù)據(jù)要求，對每一只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(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(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）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（圖3） 。