记忆合金发电演示仪的设计

李小龙 杨小松 周露琴 郑向秀

【摘要】设计制作了一种利用记忆合金作为动力源并与单片机智能控制相结合的发电演示仪。该演示仪由记忆合金发电模块、单片机控制模块和电压输出模块组成。利用记忆合金的“记忆”特性将热能间接转化为电能，对外供电。该演示仪具有模块化、易操作、原理简明的特点，有良好的示范效果。

【关键词】形状记忆合金;单片机;温度采集

1.引言

随着科学技术的发展，电能已成为世界上一种不可或缺的能源，与此同时节约能源和防止环境污染也是全球性的重大课题，目前人们已创造了许许多多的发电装置，例如火力发电、水力发电、风力发电等等。但是也有许许多多的能源在浪费，例如温泉的热能、一些工厂排放废水的热能、地热能等等，如果这些热能能转换为电能，那将节省更多的物质资源。我们设计的记忆合金发电演示仪装置，正是利用记忆合金的高温恢复原状态的特性，将热能转化为动能，进而转化为电能，并且利用单片机进行智能温度的控制和输出电压的控制，使仪器能够更好的工作。此演示仪器既能演示记忆合金的“记忆”效应，也能让学生了解单片机智能控制作用，加深学生对单片机的理解与认识。

2.基本原理

记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有上百万次以上的恢复功能，因此叫做“记忆合金”。记忆合金具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点，在许多领域有着广泛的应用。

3.仪器结构设计

此演示仪由记忆合金发电模块、单片机控制模块和电压输出模块构成，在一块六边形的转盘上等间距的装着三根金属杆，金属杆的位置可沿转盘直径方向调节。记忆合金弹簧的一端固定在金属杆下端，另一端与转盘中心的偏心曲轴相连，组成一个偏心结构。转盘上装有齿轮，并与上端的发电机齿轮相咬合。整个装置倾斜放置在盛水的水槽上，并使其中一根记忆合金弹簧刚好浸没在水中然后由支架固定。图1所示为记忆合金发电演示仪的转盘结构图。

图1 转盘结构图

4.发电装置数据分析

本演示仪采用记忆合金弹簧，弹簧的丝直径为2mm，外径为20mm，相变温度为55～80℃，弹簧原长40mm，发生形变后长度为120mm。机械部分为偏心转盘，偏心转轴轴心到转盘轴心的距离为4cm，我们使用的转盘半径为16cm，三根可调节的金属杆呈120?角分布，杆可以沿转盘半径方向调节。设计弹簧外端与金属杆部连接处到转盘的轴心位置的距离为22cm，这样，当第一根弹簧完全弹开时，其后一根弹簧恰好进入热水，这样转盘就能连续旋转下去。经过多次实验测试，表1所示为记录的演示仪在不同水温下的测试数据，其中当温度高于66℃时，由于记忆合金弹簧弹开时间短，而恢复时间较长，导致转盘无法连续旋转，因此无电压输出。通过分析测试数据，我们发现水温为60℃时，演示仪的工作状态达到最佳，因此在单片机智能控制温度部分，我们将其初始温度设定为60℃，保证演示仪的最佳演示效果。

图2 各模块连接

图3 单片机程序流程图

5.单片机控制模块

图2所示为该记忆合金发电演示仪的各模块的连接图，图3所示为本演示仪的单片机工作流程图。我们利用1V-5V升压模块将发电模块发的电压升到5V，一部分电能通过稳压后给单片机供电，多余部分储存在蓄电池中，可为手机、mp3等常用小型电子设备供电。记忆合金工作效率最高时所需温度为60℃，演示仪开始工作时，单片机先自动设定好此温度，并实时检测DS18B20温度传感器测量到的水的温度值，然后与预设温度相比较，若温度高于设定温度，则关闭加热器的开关停止给水加热，反之，则打开加热器的开关，这样就可以使水的温度恒定在预设温度，保证发电装置正常工作。本演示仪器还带有一个OLED显示屏，显示屏能显示水的实时温度、发电电压值和加热器的工作状态。

6.实验测试

先向水槽中注入冷水，水位刚好淹没住最下端的记忆合金弹簧。先接上蓄电池给控制系统供电，由于水温低于设定温度60℃，此时演示仪器中的单片机打开加热器的开关，加热器给水槽中的冷水加热，温度传感器采集水的温度，直到水温超过设定温度60℃时，单片机关闭加热器开关停止加热，如此往复，使水温恒定在60℃。此时记忆合金演示仪转盘旋转带动发电机工作，当显示屏上显示有发电电压值时，我们断开蓄电池与控制系统的连接，停止供电，单片机控制系统仍能够正常工作，说明发电电量足以维持整个系统稳定工作，多余部分还能够为mp3充电。经测试，当水温低于55℃，系统便不能正常工作了。

7.结束语

通过实验证明，该演示仪将软件控制与硬件结构有机地结合在一起，具有良好的演示效果，同时能够激起学生对智能控制及物理学习的兴趣，也能激发他们的创造力，提高其综合素质。在测试过程中，由于记忆合金弹簧在室温恢复速度比较慢，我们尝试用20℃的冷水对弹簧进行冷却，发现弹簧的冷却时间大大缩短，转盘的转速也有所提高，这样通过改进可以扩大装置适应的温度范围，不仅仅局限于60℃。此外可扩大装置的规模，用于温泉、工业废水、地热能等热能发电，也可以改变装置结构，在记忆合金弹簧上方加上聚光透镜，利用太阳能进行发电，提高资源的利用率，节约更多资源。

参考文献

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作者简介：李小龙（1993—），男，四川眉山人，现就读于南昌航空大学测试与光电工程学院。