论文总字数：27852字

摘 要

修建蓄水系统可以将雨季过量的雨水或阶段性远程输送的水资源进行存储，可以起到水资源重新分配的作用，解决降水不均造成的旱涝问题，在农业上具有重要的意义。传统以电能为蓄水系统提供能源的方式会受限于电力线路铺设的成本。近来随着我国光伏产业的飞速发展，利用太阳能的成本优势逐渐显现，并且安装便捷，安全环保，在现实应用中的前景越来越广阔，因此设计节能高效的光伏蓄水系统具有非凡的意义。针对这种发展趋势，我们尝试设计一种光伏蓄水系统，主要做的工作如下：

1.首先我们对光伏电池在一天中同一时间段做了多组实验测试，实验中测试光伏电池在工作中的电压、电流并且计算了功率大小。其次根据测量得到数据将它们的关系用图像表示。再次根据对各种不同图像的对比分析和相关的讨论，我们得出了光伏电池电压、电流和功率化的规律，而且了解到了影响他们之间关系的变量因素。最后在了解光伏电池特点的基础上，总结和归纳了获得不同最大功率的配置方法和使用条件，为以后系统的实际应用提供方案。

2.对系统整体工作的过程进行分析，了解实际运行方式和所要获取和控制的量值。其次针对不同的功能设计出相应的电路结构，整个电路包括了水位测量电路，水泵的启动控制电路和电压、电流采集电路。最终通过实验，对所搭建的电路结构进行验证和调试。

3.在所搭建的硬件的基础上，了解整个软件的执行过程和各个模块间的逻辑关系。其次根据各部分所要完成的任务编写IO模式转换、多路ADC采集算法和串口信号传输等子程序。最后软件程序应用到硬件中进行测试，可以顺利的实现水泵开启关断，和电压信号传输的目标。

关键词：光伏电池，水位测量，水泵控制

Abstract

The construction of the water storage system can store the rainwater in the rainy season or the long-distance transmission of water resources, which can play the role of water resources redistribution and solve the problem of drought and flood caused by uneven rainfall, which is of great significance in agriculture. The traditional way of supplying energy to the water storage system is limited by the cost of electricity lines. Recently, with the rapid development of China's photovoltaic industry, the use of solar energy cost advantage gradually developed, and easy installation, safety and environmental protection make the application more promising, so the design of energy efficient photovoltaic storage system has extraordinary significance. In response to this trend, we try to design a photovoltaic storage system, the main work is as follows:

1. Firstly, the photovoltaic cells were tested in multiple groups to obtain the voltage and current of the photovoltaic cells operating under different conditions. Secondly, according to the different curves to find the voltage and current changes in the law and the factors that affect the change. Finally, according to the above characteristics, summarize the realization of the maximum power tracking method and the use of conditions.

2. Based on the process of the overall work of the system to understand the actual mode of operation and the amount of which to be acquired and control. Secondly, according to different functions design the circuits, which include the water level measuring circuit, the start control circuit of the pump and the voltage and current acquisition circuit. And finally through the experiment to verify the ability of proposed circuits.

3. Understand the function of each module and the logical relationship between them, followed by the preparation of IO port input mode transition, multi-channel ADC acquisition algorithm and serial signal transmission and other subroutines. Finally, the software program is applied to the hardware for testing, verify the pump on and off signal transmission function.

KEY WORDS: Photovoltaic cells, water level measurement, pump control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的意义和背景 1

1.2 国内外光伏蓄水技术的研究现状 1

1.3 论文的主要内容 2

第二章 光伏蓄水系统的总体设计 3

2.1 系统的总体设计 3

2.2 光伏电池 3

2.2.1 光伏电池的原理 4

2.2.2 光伏电池的分类 4

2.2.3 光伏电池的输出特性实验 5

2.2.4 光伏电池最大功率跟踪方法 9

2.3 蓄电池 11

2.4 水泵 11

第三章 蓄水系统硬件设计及实现 13

3.1 水位检测电路 13

3.1.1 触点式水位检测 13

3.1.2 磁浮球液位检测 14

3.1.3 电容充放电特性测量水位 14

3.2 电压采集电路 15

3.3 电流采集电路 16

3.4 水泵驱动电路 17

3.4.1 三极管介绍及选型 17

3.4.2 水泵控制电路 18

3.5 DC/DC电路介绍 19

3.5.1 降压斩波电路 19

3.5.2 升压斩波电路 20

3.6 STM32F103RB芯片 21

3.6.1 STM32F103RB芯片简介 22

3.6.2 STM32外围电路设计 22

第四章 蓄水系统软件设计及实现 25

4.1 软件介绍 25

4.2 主程序设计 25

4.3 电压电流采集和传输程序 26

4.4 水位检测程序 27

第五章 实验结果及展望 28

5.1 实验结果 28

5.2 总结和展望 30

参考文献（Reference） 31

致 谢 32

第一章 绪论

1.1 课题的意义和背景

蓄水系统可以提高社会生产力，促进生活质量的完善，并且在润湿净化周围空气，给人们提供舒适居住条件方面拥有极大意义。在农业生产中，蓄水系统将雨季中过剩的水资源进行储存，在旱季将存贮的水资源用于灌溉，可以有效的改善由于降水不均导致的旱涝问题。蓄水系统还在水资源的开采利用上有重要意义。我国是大陆国家，拥有广阔的国土面积，内陆许多地区由于恶劣的气候条件和历史上对于水资源的过分利用，变得十分干旱，水资源极度欠缺。然而即使在这些干旱缺水的地区，通过一些地质测量可以发现，这些地区地下拥有数量可观的可用水。如果能够将这些地下水抽取出来进行存储，可以缓解当地的缺水问题，使农业发展显著改善。此外对于水资源进行储存还可以调节蓄水池周边的气候，营造出湿润温和的环境，有利于小生态系统的建设，促进空气的净化。

我国现阶段，为蓄水系统提供能源的主要是通过化石能源产生的电能。利用电能会受限于电力线路铺设成本的投入，而且化石能源的使用目前面临着许多的问题。首先随着多年来对于化石燃料的过度使用，世界的可用化石燃料急剧减少。根据勘测的结果进行预测，石油燃料能够供应大约45年，天然气燃料能够供应60年，煤炭燃料大约还能供应200多年，最终这些资源会被使用完。此外，化石燃料的燃烧会带来严重的环境问题，例如温室效应造成全球气候变暖海平面上升；硫化物未完全燃烧形成的酸雨可以导致建筑物的腐蚀和植物的死亡；还有臭氧空洞，气候异常等恶劣的环境现象。

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