一种智能全天候光伏水泵供水系统的制作方法

本实用新型设计一种智能全天候光伏水泵供水系统，属于太阳能水泵领域，主要是一种智能、低功耗、全天候等特点的光机电一体化系统。

背景技术：

当今在缺电无电的偏远地区，大都是阳光丰富地区，只有太阳能是随处可取、取之不竭的资源。无疑很多人都注意到依靠太阳能作为能源去驱动水泵的输水手段是非常具吸引力，它的研发与应用对于解决地表水匮乏地区，边远地区、贫困地区的农业用水、畜牧业用水和生活用水，具有特别重要的意义。但太阳能的转化利用一直成为难点。一方面，太阳能电池是一个非线性直流电源，其输出电压和电流不但取决于本身的性能参数，还与太阳辐照度，工作温度及负载特性等因素有关。另一方面受天气变化，太阳能收集并不是均匀稳定的，而各种不同规格的水泵却均需要稳定的供电电源对太阳能水泵进行充电或者进行输水都要人工进入到设备现场对设备进行调控，费时费力。

技术实现要素：

本实用新型为了克服现有技术的不足，现有的太阳能水泵都是“日出而作，日落而息”，一旦遇到阴雨天阳光不足系统无法继续工作，以及对太阳能水泵进行充电或者进行输水都要人工进入到设备现场对设备进行调控，费时费力的问题，提出了一种智能太阳能水泵，用于给现有水泵系统用STM32控制器控制，通过储水设备的上下水位传感器自动控制系统的启停，控制器连接WIFI模块，可以远程通过智能终端对太阳能水泵的作业进行实时控制。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提出的基本技术方案为：

一种智能全天候光伏水泵供水系统，其特征是包括光伏阵列、DC/DC转换器、蓄电池、STM32控制器、直流电机、水泵、液位传感器、储水装置和WIFI模块，其特征在于还包括检测保护电路、反电势检测电路、隔离电路、驱动电路；所述的光伏阵列与DC/DC转换器连接并供电给直流电机与蓄电池，所述的STM32控制器的输出端接入隔离电路，所述的隔离电路的输出端接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接无刷直流电机，所述的水泵通过管道将水输送至储水装置内，所述的检测保护电路包括电压检测电路、电流检测电路和水位检测电路，所述的检测保护电路、反电势检测电路、WIFI模块与STM32控制器连接。

所述的供电模式具有智能选择功能，即在有蓄电池和有光伏电池的情况下，自动选择供电方式以及对蓄电池进行充电管理。

所述的STM32控制器通过对蓄电池充电电流与电压的检测，以选择合适的充电控制模式同时STM32控制器判断光伏电池的工作状态，以决定是否进行MPPT控制，通过调节PWM信号的占空比，调节DC-DC转换器控制输出电压的大小，使输出电压工作于最大功率点电压上，获得高效功率输出。

所述的水位检测有水源液位检测以及储水罐的高低水位检测。水源液位检测实时检测水源液位情况，以防长时间空转对水泵电机造成损坏。储水罐的高低水位检测用于水位过低触及低水位传感器时、水位过高触及高水位传感器时发送启动、停止供水信息给stm32控制器。

所述的电机采用直流无刷电机，泵采用离心泵。

所述的WIFI模块无线连接智能终端，用于将水泵的水量和电量等信息发送给智能终端进行监测。

本实用新型的优点和积极效果是：

由于太阳能电池是一个非线性直流电源，其输出电压、电流不但取决于本身的性能参数，还与日照强度、工作温度及负载特性等因素有关，因此，必须考虑系统各部件之间的匹配，以使系统的效率最高，运行更可靠、稳定。本文设计的一种带最大功率跟踪的光伏发电控制器，对主电路的电压、电流采样，将采样信号送到STM32控制器，通过调节PWM信号的占空比，调节DC-DC转换器控制输出电压的大小，使输出电压工作于最大功率点电压上，提高光伏阵列的利用率。

2.智能供电模式选择功能，即在有蓄电池和有光伏电池的情况下，自动选择供电方式以及对蓄电池进行充电管理。即在阳光比较充足时，选择光伏电池单独供电；阳光较弱时，光伏电池盒铅酸蓄电池同时供电；阴雨天或者晚上时，蓄电池单独供电。但是要注意一定光伏电池在满足提水所需能量后，多余的能量须给蓄电池进行充电。如此设计既有利于能量节约，又方便了人们生活。

3.采用了STM32控制器作为主控芯片，以Cortex-M4核ARM芯片STM32F407ZGT6为基础，构建最小开发系统。该芯片时钟频率在工作电压为3.3V时可以达到168MHz，在STM32F系列中性能最高，Flash大小为1024K，完全足够容纳本控制系统软件程序，也便于经后的升级处理。和其他32位处理器相比，如AMR7，ARM9，乃至DSP等等，本芯片的功耗是最低的。STM32控制器需实现最大功率跟踪控制、无刷直流电机的控制、水泵防空转控制、储水罐防溢出控制以及WIFI模块实现智能终端远程监测等。总而言之，该ARM芯片比较适用于作为光伏水泵控制系统的主控芯片，也便于日后光伏水泵控制系统的组网、智能化等一系列的升级操作。

附图说明

图1是智能全天候光伏水泵供水系统硬件结构框图；

图2是智能全天候光伏水泵供水系统控制框图；

具体实施方式

一种智能全天候光伏水泵供水系统，其特征是包括光伏阵列、DC/DC转换器、蓄电池、STM32控制器、直流电机、水泵、液位传感器、储水装置和WIFI模块，其特征在于还包括检测保护电路、反电势检测电路、隔离电路、驱动电路；所述的光伏阵列与DC/DC转换器连接并供电给直流电机与蓄电池，所述的STM32控制器的输出端接入隔离电路，所述的隔离电路的输出端接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接无刷直流电机，所述的水泵通过管道将水输送至储水装置内，所述的检测保护电路包括电压检测电路、电流检测电路和水位检测电路，所述的检测保护电路、反电势检测电路、WIFI模块与STM32控制器连接。

光伏阵列由太阳能电池串、并联组成，直接把太阳能转换为直流电能，供电给水泵和蓄电池。

蓄电池采用铅酸蓄电池，用以储存日照强烈时过剩的能量以及白天水泵不工作时光伏阵列产生的能量，确保阴雨天阳光不足或夜晚水泵能继续工作，克服了“日出而作，日落而息”的运作模式。

电压、电流检测电路实现采样光伏阵列电压与电流的功能，电流与电压是系统最大功率点跟踪控制中最关键的测量值，将采样的电压、电流信号送到stm32控制器，通过调节PWM信号的占空比，调节DC-DC转换器控制输出电压的大小，使输出电压工作于最大功率点电压上，提高光伏阵列的利用率。其中DC/DC转换器采用升降压式转换电路，该电路主要由场效应管、电感、电容和二极管构成。

水位检测有水源液位检测以及储水罐的高低水位检测。水源装有液位传感器，实时检测水源液位情况，当液位传感器检测到液位过低时，发送信号给STM32控制器控制水泵停止作业并报警。储水罐容器顶部和较低位置分别装有高、低水位传感器，当水位过低触及低水位传感器时发送启动抽水信息给STM32控制器，水位过高触及高水位传感器时发送停止供水信息给STM32控制器防止溢出浪费水资源。

隔离电路采用光耦隔离方式，实现了强电和弱电的电气隔离。光耦以光为煤介传送信号，可有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，PWM波由控制器输出，接至与非门，再连接高速光耦，光电隔离后送至驱动电路，继而驱动电机带动水泵。

换流器一般由6个功率晶体管(q1～q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。

WIFI模块连接在STM32控制器上，无线连接智能终端，用于将水泵的水量、电量信息、水位、检测到的电压电流等信息发送给智能终端进行监测，同时通过智能终端启动或停止太阳能水泵进行提水或充电。

反电动势检测电路采用虚拟中性点位置检测法来找到定子线圈反电势过零点。因为本系统采用的是无位置传感器的无刷直流电机，所以反电动势检测模块的主要作用是对三相无刷电机定子位置进行检测。通过反电势位置检测，控制无刷直流电机准确换相，STM32产生占空比可控的PWM波形驱动无刷直流电机，带动水泵抽水。

STM32控制器需实现最大功率跟踪控制、无刷直流电机的控制、水泵防空转控制、储水罐防溢出控制以及WIFI模块实现智能终端远程监测等。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。