本发明涉及设计一种水轮机式发电的环境观测台，属于环保节能领域。
背景技术
在不断持续的能源紧张中,不少人想到了新能源利用。利用洁净的可再生能源是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。可再生能源一般包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等，而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源，称为常规能源。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。其中，全球的风能约为2.74×109mw,其中可利用的风能为2×107mw,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国风能资源总量约42亿千瓦,技术可开发量约3亿千瓦。目前东南沿海是最大风能资源区,风能密度为200w/m2~300w/m2,大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。所以利用风能有很客观的效益，对此，这里提出了一种可进行观测可发电的装置，该装置可观测大范围周围环境，同时可利用风力来使活塞运动发电，结构简单，效果显著。
技术实现要素：
为解决现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是通过设计一种水轮机式发电的环境观测台，属于环保节能领域。该水轮机式发电的环境观测台分为地上和空中两部分，地上固定有一个水轮发电机，水轮发电机上设置有一个活塞装置，活塞装置上固定有一根不低于50米长的绳子，绳子的末端连有一个氦气球，在氦气球的顶部设置风力检测装置，侧面装有一个支架，支架上装有一个摄像头，在该支架的两端装有一对塑料板制成的翅膀，翅膀与支架的连接处装有电动机，电动机可带动翅膀进行旋转，两边的翅膀根据各自旋转的角度使氦气球在风力的作用下进行转动，风可带动氦气球移动，从而拉申水轮发电机上的绳子，产生动力使水轮发电机发电，当风力减小时，活塞装置又将拉出的绳子收回，又产生一个动力，也可进行发电，氦气球和翅膀表面附有一层太阳能薄膜，可发电并供空中各部分装置用电。
本发明采用的技术方案是：一种水轮机式发电的环境观测台，包括水轮发电机、活塞装置、氦气球、风力检测装置、支架、翅膀、电动机、太阳能薄膜、单片机，水轮发电机固定在地面上，水轮发电机上装有活塞装置，活塞装置包括绳子、活塞杆、弹簧、下腔室，绳子一端与活塞装置连接，另一端连接有氦气球，在氦气球的顶部装有风力检测装置，侧面装有一个支架，在该支架的两端装有一对塑料板制成的翅膀，翅膀与支架的连接处装有电动机，电动机可带动翅膀进行旋转，两边的翅膀根据各自旋转的角度使氦气球在风力的作用下进行转动，风可带动氦气球移动，从而拉伸活塞装置上的绳子，产生动力使水轮发电机发电，当风力减小时，活塞装置通过弹簧的回拉作用又将拉出的绳子收回，此时也可产生动力并发电，氦气球和翅膀表面附有一层太阳能薄膜，可发电储存在地面的蓄电池内并供空中各部分装置用电。
进一步的，水轮发电机采用现有技术，水轮发电机采用交流发电机，交流发电机上装有电压调节器，电压调节器是通过动态调节励磁电流的大小来实现发电机输出电压的稳定，保证交流发电机输出电压不受转速和用电设备变化的影响，使其保持稳定，以满足用电设备的需要。
进一步的，水轮发电机工作原理：转轮通过主轴与发电机转子联轴，转轮转动可带动转子旋转并切割发电机定子磁力线圈，利用电磁感应原理在发电机线圈中产生电流，同时交流发电机可双向发电，即转子的转动方向可为双向，当转子在任意方向转动时发电机都可进行发电；活塞装置由绳子、活塞杆、弹簧、下腔室、通气管、上腔室、通孔组成，活塞杆顶端上固定有一根绳子，上腔室底部固定有一个弹簧，弹簧顶端与活塞底部连接，活塞杆可进行高低伸缩，活塞套底部有一处通孔，使活塞杆底部空间与活塞套外部空间相通绳子本身为一根电缆，绳子长度不低于50米，下腔室内设置有水轮发电机的转轮，同时设有一个通气管，通气管与外界大气相通，可协调大气压强，下腔室内留有一部分空间，上腔室底部通有两个管道与下腔室连接，两个管道各装有一个单向阀，且引导方向相反，一个管道引导下腔室的水进入上腔室内，另一个管道引导水从上腔室进入下腔室；活塞装置工作原理：使用一定的外力可拉动绳子，拉出的同时带动活塞杆向上滑动，此时由于下部空间空气压力的变化，使下腔室的一部分水被吸入到上腔室内，由于活塞杆拉伸高度有限，所以只能吸入一部分水，使上腔室不能被水充满，吸入的过程中，水经过了转轮，转轮受到单方向的水流冲击后开始旋转，从而带动水轮发电机转子转动，从而使水轮发电机工作产生电流，当拉绳子的外力减小时，弹簧回弹的拉力将活塞杆重新拉回，在拉回的同时，活塞杆可将上腔室内部的水压回下腔室内，此时水再次经过转轮，使转轮转动，从而使转子旋转，产生电流；上腔室空间为完全封闭，下腔室顶部通有一个通气管，当活塞杆拉伸到最顶部时，上腔室不能被水注满，同时下腔室还留有一部分水，此时，下腔室的水位高于管道的最底部，当活塞杆压到最底时，上腔室没有水，下腔室的水没有满，水不会从通气管中溢出；使用两个单向阀可保证转轮受到的水流冲击方向为单一方向。
进一步的，氦气球直径大小不小于2米，采用橡胶材质制作，氦气密度小于空气，充满气球后，可使气球产生很大的浮力，氦气球可进行漂浮；氦气球连有绳子，绳子另一端连有活塞，氦气球自身的浮力对绳子产生了一个拉力，可将绳子拉出，又活塞装置的弹簧对绳子有一个回收的拉力，当氦气球浮力将绳子拉出一定的长度，即氦气球漂浮到一定的高度时，弹簧回收的拉力和氦气球的浮力相互抵消，从而使氦气球在不受外力的情况下停止向上漂浮；氦气球可在空中漂浮，当有风时，氦气球在风力的作用下开始移动，从而拉动绳子，使活塞杆向上滑动，使水流动来带动转轮转动，使水轮发电机产生电流，当风停止或风力减小时，弹簧会将活塞杆向下拉，在向下的同时也会使水流运动，产生动力，从而使水轮发电机发电。
进一步的，氦气球顶部装有风力检测装置，可检测风向及风力的大小，检测到的数据通过无线通讯模块传送至后台的计算机进行计算，根据检测的风力大小及风向信息，计算出翅膀的旋转角度，根据计算的结果，计算机通过无线通讯模块发出相应信息到单片机，单片机发出命令到电动机，电动机开始工作使翅膀旋转，旋转后，在风力的作用下氦气球整体进行旋转，旋转时，风力检测装置继续检测风向的信息，当检测到翅膀可与风力方向呈垂直状态时，单片机发出指令到电动机，使翅膀旋转到原来的角度。
进一步的，氦气球侧面连接有一个支架，支架的位置与氦气球的直径平行，当氦气球漂浮在空中时，支架与地面平行、与绳子垂直，支架长度不低于氦气球直径；在支架的两端装有一对塑料板制成的翅膀，当当氦气球漂浮在空中时，翅膀与地面呈垂直状态，支架和翅膀之间通过轴连接的方式连接，支架和翅膀的连接处有一个可旋转的轴，同时在支架两端分别装有一个电动机，该电动机与旋转轴相连接，可通过电动机的运转来带动旋转轴旋转，从而旋转轴带动翅膀进行旋转；氦气球的翅膀可使整体的受力面积增大以及改变氦气球的受力方向，当有风时，若风力方向与翅膀呈垂直状态，则此时氦气球整体受力面积最大，受到的风力也最大，可最有效地利用风力所带来的动力，氦气球可最大限度的向风吹拂的方向飘动，即可最大限度的拉动绳子，产生最有效的动力使转子转动，使水轮发电机发电；若风力方向与翅膀不呈垂直状态，单片机经过信息的收集计算，发出命令使电动机发动，使旋转轴旋转，带动翅膀旋转，根据风向的变化，使两边翅膀旋转一定的角度，来改变翅膀的受风方向，当某一端翅膀旋转一定角度后，其受力面积减小，相对的另一端的翅膀受力面积较大，此时两边的受力面积不相同，受力面积大的一边，受到的风力越大，则这一端受到风力的作用后，会使氦气球整体进行一定的旋转，当旋转到两边的翅膀可与风力方向垂直时，单片机发出命令使电动机再次发动，使翅膀旋转到与地面垂直的位置。
进一步的，支架上装有一个摄像头，可观测氦气球下方地面的情况，实时监控地面上所发生的情况，包括火灾、偷盗、行人经过等情况，若发生盗窃情况，可调用监控数据来查看盗窃人的去处，观测到的数据通过无线通讯模块传送至后台，后台的工作人员可通过摄像头采集的数据来观测实际的情况，以及时应对突发情况。
进一步的，氦气球表面附有一层太阳能薄膜，产生的电能通过电缆绳子储存在地面的蓄电池内，同时太阳能薄膜经过太阳照射产生电能可供氦气球上的各用电装置使用。
进一步的，单片机设置有通信串口，通信串口和计算机连接，单片机仅用于连接传感器和接收传感器信号，传感器信号经单片机接收后传给计算机，计算机进行深度处理，这样提高了处理效率。
一种水轮机式发电的环境观测台，其控制方法包括如下步骤：
步骤1.各部分装置连接好后，氦气球连上活塞装置上的绳子，氦气球依靠自身浮力进行漂浮，漂浮过程中，会拉动绳子，使活塞杆向上滑动，利用空气中压力变化，将水吸入到上腔室内，水经过转轮时，带动转轮转动，从而带动水轮发电机的转子转动，使水轮发电机发电，当氦气球漂浮到一定的高度，此时浮力与绳子的拉力相等，氦气球停止漂浮。
步骤2.有风时，风力检测装置可检测风向及风力的大小，检测到的数据通过无线通讯模块传送至后台的计算机进行计算，根据检测的风力大小及风向信息，计算出翅膀的旋转角度，根据计算的结果，计算机通过无线通讯模块发出相应信息到单片机，单片机发出命令到电动机，电动机开始工作使翅膀旋转。
步骤3.当某一端翅膀旋转一定角度后，其受力面积减小，相对的另一端的翅膀受力面积较大，此时两边的受力面积不相同，受力面积大的一边，受到的风力越大，则这一端受到风力的作用后，会使氦气球整体进行一定的旋转，当旋转到两边的翅膀可与风力方向垂直时，单片机发出命令使电动机再次发动，使翅膀旋转到与地面垂直的位置。
步骤4.当风力减小或停止时，氦气球整体所受外力减小，弹簧的回拉力使活塞杆向下滑动，在此过程中，活塞杆将水压回下腔室内，水再次经过转轮，使转轮转动，转动的同时可带动水轮发电机的转子转动，从而使水轮发电机发电。
步骤5.在氦气球漂浮过程中，支架上的摄像头可观测氦气球下方的情况，观测到的数据通过无线通讯模块传送至后台，后台的工作人员可通过摄像头采集的数据来观测实际的情况，以及时应对突发情况。
本发明的工作原理是：氦气球依靠自身浮力进行漂浮，漂浮过程中会拉动绳子，使活塞杆向上滑动，使水流动，带动转轮旋转，从而带动水轮发电机的转子转动，使水轮发电机发电，当氦气球漂浮到一定的高度，此时浮力与绳子的拉力相等，氦气球停止漂浮；当有风时，风力检测装置可检测风向及风力的大小，检测到的数据通过无线通讯模块传送至后台的计算机进行计算，计算出翅膀的旋转角度，根据计算的结果，单片机发出命令到电动机，电动机开始工作使翅膀旋转，使氦气球整体进行旋转，以使氦气球能最大限度的受力；当风力减小或停止时，氦气球整体所受外力减小弹簧的回拉力使活塞杆向下滑动，在此过程中，活塞杆将水压回下腔室内，水再次经过转轮，使转轮转动，转动的同时可带动水轮发电机的转子转动，从而使水轮发电机发电。
本发明的有益效果是：本发明是一种设置在氦气球上的空中观测装置，观测的同时可利用风力来发电，风力资源是取之不尽用之不绝的，利用风力发电可以减少环境污染，节省煤炭、石油等常规能源；该装置可自主调节受风的方向，以使该装置受到的风力最大，能最有效地利用风力资源；该装置可防水防晒，摄像头可捕捉监控区域内的所有画面并传输到后台计算机中，氦气球所处位置离地面高，观测范围广，可在大范围的环境中设置少量该装置便可覆盖大面积监测范围，同时无需大量人员看管，减少了大量人力资源；该装置结构简单，使用简便，作用显著，可大量普及。
附图说明
图1为本发明的水轮发电机结构图；
图2为本发明的活塞装置的活塞杆拉伸结构图；
图3为本发明的活塞装置的活塞杆压缩结构图；
图4为本发明的氦气球结构图；
图5为本发明的部分电路逻辑图；
图6为本发明的单片机控制逻辑图。
图中各标号为1-水轮发电机；101-转轮；2-活塞装置；201-绳子；202-活塞杆；203-弹簧；204-下腔室；205-通气管；206-上腔室；207-通孔；3-氦气球；4-风力检测装置；5-支架；6-翅膀；7-电动机；8-摄像头；9-单片机；10-无线发射电路；11-无线接收电路。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明：
如图所示，一种水轮机式发电的环境观测台，包括水轮发电机1、活塞装置2、氦气球3、风力检测装置4、支架5、翅膀6、电动机7、太阳能薄膜、单片机9，水轮发电机1固定在地面上，水轮发电机1上设置有活塞装置2，活塞装置包括绳子201、活塞杆202、弹簧203、下腔室204、通气管205、上腔室206、通孔207，活塞杆202上缠绕有绳子201，绳子201一端与活塞装置2连接，另一端连接有氦气球3，在氦气球3的顶部装有风力检测装置4，侧面装有一个支架5，在该支架5的两端装有一对塑料板制成的翅膀6，翅膀6与支架5的连接处装有电动机7，电动机7可带动翅膀6进行旋转，两边的翅膀6根据各自旋转的角度使氦气球3在风力的作用下进行转动，风可带动氦气球3移动，从而拉伸活塞装置2上的绳子201，产生动力使水轮发电机1发电，当风力减小时，活塞装置2通过弹簧的回拉作用又将拉出的绳子201收回，此时也可产生动力并发电，氦气球3和翅膀6表面附有一层太阳能薄膜，可发电储存在地面的蓄电池内并供空中各部分装置用电。
水轮发电机1采用现有技术，水轮发电机1采用交流发电机，交流发电机上装有电压调节器，电压调节器是通过动态调节励磁电流的大小来实现发电机输出电压的稳定，保证交流发电机输出电压不受转速和用电设备变化的影响，使其保持稳定，以满足用电设备的需要。
水轮发电机1工作原理：转轮101通过主轴与发电机转子联轴，转轮101转动可带动转子旋转并切割发电机定子磁力线圈，利用电磁感应原理在发电机线圈中产生电流，同时交流发电机可双向发电，即转子的转动方向可为双向，当转子在任意方向转动时发电机都可进行发电；活塞装置2由绳子201、活塞杆202、弹簧203、下腔室204、通气管205、上腔室206、通孔207组成，活塞杆202顶端上固定有一根绳子201，上腔室206底部固定有一个弹簧203，弹簧203顶端与活塞202底部连接，活塞杆202可进行高低伸缩，活塞套底部有一处通孔207，使活塞杆202底部空间与活塞套外部空间相通绳子201本身为一根电缆，绳子201长度不低于50米，下腔室204内设置有水轮发电机1的转轮101，同时设有一个通气管205，通气管205与外界大气相通，可协调大气压强，下腔室204内留有一部分空间，上腔室206底部通有两个管道与下腔室204连接，两个管道各装有一个单向阀，且引导方向相反，一个管道引导下腔室204的水进入上腔室206内，另一个管道引导水从上腔室206进入下腔室204；活塞装置2工作原理：使用一定的外力可拉动绳子201，拉出的同时带动活塞杆202向上滑动，此时由于下部空间空气压力的变化，使下腔室204的一部分水被吸入到上腔室206内，由于活塞杆202拉伸高度有限，所以只能吸入一部分水，使上腔室206不能被水充满，吸入的过程中，水经过了转轮101，转轮101受到单方向的水流冲击后开始旋转，从而带动水轮发电机1转子转动，从而使水轮发电机1工作产生电流，当拉绳子201的外力减小时，弹簧203回弹的拉力将活塞杆202重新拉回，在拉回的同时，活塞杆202可将上腔室206内部的水压回下腔室204内，此时水再次经过转轮101，使转轮101转动，从而使转子旋转，产生电流；上腔室206空间为完全封闭，下腔室204顶部通有一个通气管，当活塞杆202拉伸到最顶部时，上腔室206不能被水注满，同时下腔室204还留有一部分水，此时，下腔室204的水位高于管道的最底部，当活塞杆202压到最底时，上腔室206没有水，下腔室204的水没有满，水不会从通气管中溢出；使用两个单向阀可保证转轮101受到的水流冲击方向为单一方向。
氦气球3直径大小不小于2米，采用橡胶材质制作，氦气密度小于空气，充满气球后，可使气球产生很大的浮力，氦气球3可进行漂浮；氦气球3连有绳子201，绳子201另一端连有活塞装置2，氦气球3自身的浮力对绳子201产生了一个拉力，可将绳子201拉出，又活塞装置2的卷轴对绳子201有一个回收的拉力，当氦气球3浮力将绳子201拉出一定的长度，即氦气球3漂浮到一定的高度时，活塞装置2回收的拉力和氦气球3的浮力相互抵消，从而使氦气球3在不受外力的情况下停止向上漂浮；氦气球3可在空中漂浮，当有风时，氦气球3在风力的作用下开始移动，从而拉动绳子201，使活塞杆202向上滑动，使水流动来带动转轮101转动，使水轮发电机1产生电流，当风停止或风力减小时，弹簧203会将活塞杆202向下拉，在向下的同时也会使水流运动，产生动力，从而使水轮发电机1发电。
氦气球3顶部装有风力检测装置4，可检测风向及风力的大小，检测到的数据通过无线通讯模块传送至后台的计算机进行计算，根据检测的风力大小及风向信息，计算出翅膀6的旋转角度，根据计算的结果，计算机通过无线通讯模块发出相应信息到单片机9，单片机9发出命令到电动机7，电动机7开始工作使翅膀6旋转，旋转后，在风力的作用下氦气球3整体进行旋转，旋转时，风力检测装置4继续检测风向的信息，当检测到翅膀6可与风力方向呈垂直状态时，单片机9发出指令到电动机7，使翅膀6旋转到原来的角度。
氦气球3侧面连接有一个支架5，支架5的位置与氦气球3的直径平行，当氦气球3漂浮在空中时，支架5与地面平行、与绳子201垂直，支架5长度不低于氦气球3直径；在支架5的两端装有一对塑料板制成的翅膀6，当当氦气球3漂浮在空中时，翅膀6与地面呈垂直状态，支架5和翅膀6之间通过轴连接的方式连接，支架5和翅膀6的连接处有一个可旋转的轴，同时在支架5两端分别装有一个电动机7，该电动机7与旋转轴相连接，可通过电动机7的运转来带动旋转轴旋转，从而旋转轴带动翅膀6进行旋转；氦气球3的翅膀6可使整体的受力面积增大以及改变氦气球3的受力方向，当有风时，若风力方向与翅膀6呈垂直状态，则此时氦气球3整体受力面积最大，受到的风力也最大，可最有效地利用风力所带来的动力，氦气球3可最大限度的向风吹拂的方向飘动，即可最大限度的拉动绳子201，产生最有效的动力使转子转动，使水轮发电机1发电；若风力方向与翅膀6不呈垂直状态，单片机9经过信息的收集计算，发出命令使电动机7发动，使旋转轴旋转，带动翅膀6旋转，根据风向的变化，使两边翅膀6旋转一定的角度，来改变翅膀6的受风方向，当某一端翅膀6旋转一定角度后，其受力面积减小，相对的另一端的翅膀6受力面积较大，此时两边的受力面积不相同，受力面积大的一边，受到的风力越大，则这一端受到风力的作用后，会使氦气球3整体进行一定的旋转，当旋转到两边的翅膀6可与风力方向垂直时，单片机9发出命令使电动机7再次发动，使翅膀6旋转到与地面垂直的位置。
支架5上装有一个摄像头8，可观测氦气球3下方地面的情况，实时监控地面上所发生的情况，包括火灾、偷盗、行人经过等情况，若发生盗窃情况，可调用监控数据来查看盗窃人的去处，观测到的数据通过无线通讯模块传送至后台，后台的工作人员可通过摄像头8采集的数据来观测实际的情况，以及时应对突发情况。
氦气球3表面附有一层太阳能薄膜，产生的电能通过电缆绳子201储存在地面的蓄电池内，同时太阳能薄膜经过太阳照射产生电能可供氦气球3上的各用电装置使用。
如图所示，该系统所用单片机9型号为at89c51，摄像头8型号为ov6620，无线通讯模块分为发射部分和接受部分，风力检测装置4由压力传感器及放大电路、模数转换电路组成，电动机7为直流电动机7；为了保障单片机9运行，给单片机9增加复位电路。复位电路有以下功能：上电复位可以对内部存储器进行复位、同步内外的时钟信号、电压波动或不稳定时，复位电路给电路延时直到电路稳定、当程序出错时通过复位电路使单片机9恢复正常运行状态；摄像头8ov6620由八个开关分别与p1.0—p1.7相连，来模拟摄像头8的八位输入；无线发射电路10为常见的发射机电路，由于使用了声表器件，电路工作非常稳定，即使手抓天线、声表或电路其他部位，发射频率均不会漂移。所以显然，发射采用使用声表器件的电路；无线接收电路11的接收机可使用超再生电路或超外差电路，超再生电路成本低，功耗小可达100ua左右，调整良好的超再生电路灵敏度和一级高放、一级振荡、一级混频以及两级中放的超外差接收机差不多；风力检测装置4由压力传感器、信号放大电路、模数信号转换电路构成；由于风的压力是小于2kp的，所以要选用一个微压传感器，这里选用美国的sm1系列的硅微压传感器，由于风吹到表面会使原有的电桥平衡被打破，它可以将风产生的压力转变为电信号；放大电路采用集成运放，可以实现：短路保护输出、差动输入、可单电源工作、低偏置电流、内部补偿、输入端静电保护等；模数转换电路采用芯片adc0832；adc0832为8位分辨率a/d转换芯片，其最高分辨率可达256级，可以适应一般的转换；电动机7采用直流电动机。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应在本发明的保护范围之内。