記憶合金發(fā)電演示儀的設(shè)計(jì)

李小龍 楊小松 周露琴 鄭向秀

【摘要】設(shè)計(jì)制作了一種利用記憶合金作為動(dòng)力源并與單片機(jī)智能控制相結(jié)合的發(fā)電演示儀。該演示儀由記憶合金發(fā)電模塊、單片機(jī)控制模塊和電壓輸出模塊組成。利用記憶合金的“記憶”特性將熱能間接轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)外供電。該演示儀具有模塊化、易操作、原理簡(jiǎn)明的特點(diǎn)，有良好的示范效果。

【關(guān)鍵詞】形狀記憶合金;單片機(jī);溫度采集

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電能已成為世界上一種不可或缺的能源，與此同時(shí)節(jié)約能源和防止環(huán)境污染也是全球性的重大課題，目前人們已創(chuàng)造了許許多多的發(fā)電裝置，例如火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等等。但是也有許許多多的能源在浪費(fèi)，例如溫泉的熱能、一些工廠排放廢水的熱能、地?zé)崮艿鹊?，如果這些熱能能轉(zhuǎn)換為電能，那將節(jié)省更多的物質(zhì)資源。我們?cè)O(shè)計(jì)的記憶合金發(fā)電演示儀裝置，正是利用記憶合金的高溫恢復(fù)原狀態(tài)的特性，將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能，并且利用單片機(jī)進(jìn)行智能溫度的控制和輸出電壓的控制，使儀器能夠更好的工作。此演示儀器既能演示記憶合金的“記憶”效應(yīng)，也能讓學(xué)生了解單片機(jī)智能控制作用，加深學(xué)生對(duì)單片機(jī)的理解與認(rèn)識(shí)。

2.基本原理

記憶合金是一種原子排列很有規(guī)則、體積變?yōu)樾∮?.5%的馬氏體相變合金。這種合金在外力作用下會(huì)變形，當(dāng)把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復(fù)原來(lái)的形狀。由于它具有上百萬(wàn)次以上的恢復(fù)功能，因此叫做“記憶合金”。記憶合金具有無(wú)磁性、耐磨耐蝕、無(wú)毒性的優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

3.儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此演示儀由記憶合金發(fā)電模塊、單片機(jī)控制模塊和電壓輸出模塊構(gòu)成，在一塊六邊形的轉(zhuǎn)盤上等間距的裝著三根金屬桿，金屬桿的位置可沿轉(zhuǎn)盤直徑方向調(diào)節(jié)。記憶合金彈簧的一端固定在金屬桿下端，另一端與轉(zhuǎn)盤中心的偏心曲軸相連，組成一個(gè)偏心結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)盤上裝有齒輪，并與上端的發(fā)電機(jī)齒輪相咬合。整個(gè)裝置傾斜放置在盛水的水槽上，并使其中一根記憶合金彈簧剛好浸沒(méi)在水中然后由支架固定。圖1所示為記憶合金發(fā)電演示儀的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖。

圖1 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

4.發(fā)電裝置數(shù)據(jù)分析

本演示儀采用記憶合金彈簧，彈簧的絲直徑為2mm，外徑為20mm，相變溫度為55～80℃，彈簧原長(zhǎng)40mm，發(fā)生形變后長(zhǎng)度為120mm。機(jī)械部分為偏心轉(zhuǎn)盤，偏心轉(zhuǎn)軸軸心到轉(zhuǎn)盤軸心的距離為4cm，我們使用的轉(zhuǎn)盤半徑為16cm，三根可調(diào)節(jié)的金屬桿呈120?角分布，桿可以沿轉(zhuǎn)盤半徑方向調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)彈簧外端與金屬桿部連接處到轉(zhuǎn)盤的軸心位置的距離為22cm，這樣，當(dāng)?shù)谝桓鶑椈赏耆珡楅_時(shí)，其后一根彈簧恰好進(jìn)入熱水，這樣轉(zhuǎn)盤就能連續(xù)旋轉(zhuǎn)下去。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表1所示為記錄的演示儀在不同水溫下的測(cè)試數(shù)據(jù)，其中當(dāng)溫度高于66℃時(shí)，由于記憶合金彈簧彈開時(shí)間短，而恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤無(wú)法連續(xù)旋轉(zhuǎn)，因此無(wú)電壓輸出。通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)水溫為60℃時(shí)，演示儀的工作狀態(tài)達(dá)到最佳，因此在單片機(jī)智能控制溫度部分，我們將其初始溫度設(shè)定為60℃，保證演示儀的最佳演示效果。

圖2 各模塊連接

圖3 單片機(jī)程序流程圖

5.單片機(jī)控制模塊

圖2所示為該記憶合金發(fā)電演示儀的各模塊的連接圖，圖3所示為本演示儀的單片機(jī)工作流程圖。我們利用1V-5V升壓模塊將發(fā)電模塊發(fā)的電壓升到5V，一部分電能通過(guò)穩(wěn)壓后給單片機(jī)供電，多余部分儲(chǔ)存在蓄電池中，可為手機(jī)、mp3等常用小型電子設(shè)備供電。記憶合金工作效率最高時(shí)所需溫度為60℃，演示儀開始工作時(shí)，單片機(jī)先自動(dòng)設(shè)定好此溫度，并實(shí)時(shí)檢測(cè)DS18B20溫度傳感器測(cè)量到的水的溫度值，然后與預(yù)設(shè)溫度相比較，若溫度高于設(shè)定溫度，則關(guān)閉加熱器的開關(guān)停止給水加熱，反之，則打開加熱器的開關(guān)，這樣就可以使水的溫度恒定在預(yù)設(shè)溫度，保證發(fā)電裝置正常工作。本演示儀器還帶有一個(gè)OLED顯示屏，顯示屏能顯示水的實(shí)時(shí)溫度、發(fā)電電壓值和加熱器的工作狀態(tài)。

6.實(shí)驗(yàn)測(cè)試

先向水槽中注入冷水，水位剛好淹沒(méi)住最下端的記憶合金彈簧。先接上蓄電池給控制系統(tǒng)供電，由于水溫低于設(shè)定溫度60℃，此時(shí)演示儀器中的單片機(jī)打開加熱器的開關(guān)，加熱器給水槽中的冷水加熱，溫度傳感器采集水的溫度，直到水溫超過(guò)設(shè)定溫度60℃時(shí)，單片機(jī)關(guān)閉加熱器開關(guān)停止加熱，如此往復(fù)，使水溫恒定在60℃。此時(shí)記憶合金演示儀轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，當(dāng)顯示屏上顯示有發(fā)電電壓值時(shí)，我們斷開蓄電池與控制系統(tǒng)的連接，停止供電，單片機(jī)控制系統(tǒng)仍能夠正常工作，說(shuō)明發(fā)電電量足以維持整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，多余部分還能夠?yàn)閙p3充電。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)水溫低于55℃，系統(tǒng)便不能正常工作了。

7.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該演示儀將軟件控制與硬件結(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合在一起，具有良好的演示效果，同時(shí)能夠激起學(xué)生對(duì)智能控制及物理學(xué)習(xí)的興趣，也能激發(fā)他們的創(chuàng)造力，提高其綜合素質(zhì)。在測(cè)試過(guò)程中，由于記憶合金彈簧在室溫恢復(fù)速度比較慢，我們嘗試用20℃的冷水對(duì)彈簧進(jìn)行冷卻，發(fā)現(xiàn)彈簧的冷卻時(shí)間大大縮短，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速也有所提高，這樣通過(guò)改進(jìn)可以擴(kuò)大裝置適應(yīng)的溫度范圍，不僅僅局限于60℃。此外可擴(kuò)大裝置的規(guī)模，用于溫泉、工業(yè)廢水、地?zé)崮艿葻崮馨l(fā)電，也可以改變裝置結(jié)構(gòu)，在記憶合金彈簧上方加上聚光透鏡，利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，提高資源的利用率，節(jié)約更多資源。

參考文獻(xiàn)

[1]楊杰，吳月華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1993.

[2]杜純玉，蘇南海.奇妙的形狀記憶合金[M].成都：四川教育出版社，1991.

[3]徐祖耀.形狀記憶材料[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[4]趙連城.合金的形狀記憶效應(yīng)與超彈性[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[5]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程--入門、提高、開發(fā)、擴(kuò)展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[7]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：李小龍（1993—），男，四川眉山人，現(xiàn)就讀于南昌航空大學(xué)測(cè)試與光電工程學(xué)院。