基于CMOS的圖像傳感器的太陽(yáng)跟蹤控制器設(shè)計(jì)論文

1、基于CMOS圖像傳感器的太陽(yáng)跟蹤控制器設(shè)計(jì)摘要為解決能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)綠色環(huán)保社會(huì)，世界各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能資源。太陽(yáng)能的利用已經(jīng)滲透到社會(huì)的方方面面，但是太陽(yáng)能利用效率低的問(wèn)題一直影響和阻礙著太陽(yáng)能技術(shù)的推廣和發(fā)展。研究太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制器對(duì)提高太陽(yáng)能的利用效率具有重大而深遠(yuǎn)的意義。在分析比較了國(guó)外常用的幾種跟蹤方法后，設(shè)計(jì)了一種基于COMS圖像傳感器的自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤控制器。得到光斑質(zhì)心坐標(biāo)與像心坐標(biāo)的偏差，換算成步進(jìn)電機(jī)在水平和俯仰上調(diào)整的步數(shù)，然后平面鏡跟蹤裝置實(shí)時(shí)調(diào)整，使光點(diǎn)始終位于圖像的中心。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置達(dá)到了太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤的目的，具有較高的跟蹤精度。本課題完成

2、了跟蹤控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括：跟蹤器控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、圖像采集電路、限位信號(hào)采集電路和串行通信電路。軟件設(shè)計(jì)主要包括：用Visual C+編寫(xiě)人機(jī)交互控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)MATLAB圖像處理和獲取跟蹤偏差算法，基于MCC實(shí)現(xiàn)VC+和MATLAB聯(lián)合編程。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：在本系統(tǒng)中，高度跟蹤的絕對(duì)誤差和方位跟蹤的絕對(duì)誤差均在要求的范圍內(nèi)。使用圖像傳感器跟蹤太陽(yáng)后，獲得了較高的精度和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該跟蹤控制器在可靠性、跟蹤精度和抗干擾性等方面都得到了有效的提高。Finally, the work summary of this subject and the d

3、irection of further research are given.關(guān)鍵詞: 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤;CMOS圖像傳感器;步進(jìn)電機(jī); VC+目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc244 摘要 PAGEREF _Toc244 我 HYPERLINK l _Toc10900 摘要 PAGEREF _Toc10900 二 HYPERLINK l _Toc17055 1 簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc17055 1 HYPERLINK l _Toc15545 1.1 課題研究背景及意義 PAGEREF _Toc15545 1 HYPERLINK l _Toc6956 1.2

4、國(guó)外太陽(yáng)能跟蹤研究現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc6956 2 HYPERLINK l _Toc17279 1.3 本課題主要內(nèi)容及章節(jié)安排 PAGEREF _Toc17279 3 HYPERLINK l _Toc16820 2 太陽(yáng)跟蹤控制器總體方案設(shè)計(jì)及圖像采集 PAGEREF _Toc16820 5 HYPERLINK l _Toc23286 2.1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc23286 5 HYPERLINK l _Toc10046 2.2 CMOS圖像采集 PAGEREF _Toc10046 5 HYPERLINK l _Toc16175 2.2.1 圖像傳感器選

5、擇 PAGEREF _Toc16175 5 HYPERLINK l _Toc29230 2.2.2 圖像采集方案選擇 PAGEREF _Toc29230 5 HYPERLINK l _Toc21807 2.2.3 圖像預(yù)處理 PAGEREF _Toc21807 6 HYPERLINK l _Toc13023 2.2.4 光斑質(zhì)心定位 PAGEREF _Toc13023 8 HYPERLINK l _Toc21926 2.2.5 獲取步進(jìn)電機(jī)校準(zhǔn)步數(shù) PAGEREF _Toc21926 10 HYPERLINK l _Toc2556 2.2.6 圖像處理結(jié)果分析 PAGEREF _Toc2556

6、 11 HYPERLINK l _Toc26211 3 太陽(yáng)跟蹤控制器硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc26211 14 HYPERLINK l _Toc13989 3.1 整體硬件設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc13989 14 HYPERLINK l _Toc24684 3.2 控制器電路 PAGEREF _Toc24684 14 HYPERLINK l _Toc29341 3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 PAGEREF _Toc29341 15 HYPERLINK l _Toc12265 3.4 限位裝置 PAGEREF _Toc12265 16 HYPERLINK l _Toc29977 3

7、.5 串行通信電路 PAGEREF _Toc29977 17 HYPERLINK l _Toc25660 4 太陽(yáng)跟蹤控制器軟件部分的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc25660 18 HYPERLINK l _Toc30957 4.1 主要功能模塊 PAGEREF _Toc30957 18 HYPERLINK l _Toc31226 4.2 參數(shù)設(shè)置模塊 PAGEREF _Toc31226 19 HYPERLINK l _Toc18723 4.3 太陽(yáng)角計(jì)算與數(shù)據(jù)處理模塊 PAGEREF _Toc18723 20 HYPERLINK l _Toc30123 4.3.1 太陽(yáng)角計(jì)算模塊 PAGER

8、EF _Toc30123 20 HYPERLINK l _Toc12095 4.3.2 數(shù)據(jù)處理模塊 PAGEREF _Toc12095 21 HYPERLINK l _Toc23920 4.4 圖像處理模塊 PAGEREF _Toc23920 22 HYPERLINK l _Toc14530 4.5 PC 與微控制器之間的通信模塊 PAGEREF _Toc14530 23 HYPERLINK l _Toc20746 4.5.1 使用Windows API函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口操作 PAGEREF _Toc20746 23 HYPERLINK l _Toc13739 4.5.2 PC 與微控制器之間的通

9、信協(xié)議 PAGEREF _Toc13739 23 HYPERLINK l _Toc15053 4.6 控制平臺(tái)手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊 PAGEREF _Toc15053 24 HYPERLINK l _Toc8192 4.7 控制平臺(tái)太陽(yáng)圖像動(dòng)態(tài)顯示模塊 PAGEREF _Toc8192 26 HYPERLINK l _Toc10636 4.8 VC與MATLAB聯(lián)合編程模塊 PAGEREF _Toc10636 29 HYPERLINK l _Toc23722 4.9 微控制器通信與控制第 PAGEREF _Toc23722 29節(jié) HYPERLINK l _Toc8831 結(jié)論 PAGEREF _To

10、c8831 31 HYPERLINK l _Toc2086 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc2086 33 HYPERLINK l _Toc29612 至 PAGEREF _Toc29612 351 簡(jiǎn)介1.1研究背景及意義能源是人類(lèi)生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。幾十年來(lái)，能源問(wèn)題一直是舉世矚目的重大問(wèn)題之一。目前，世界消耗的主要能源是吸收太陽(yáng)能的植物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化和積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等，這些都是非化石能源?？稍偕Y源。地球上的資源是有限的，但它們正在以不斷增長(zhǎng)的速度被消耗。能源短缺、化石燃料減少和污染加劇相互關(guān)聯(lián)，威脅著人類(lèi)的正常生活和可持續(xù)發(fā)展。常規(guī)能源逐漸枯竭，危機(jī)不

11、容小覷。因此，尋找和開(kāi)發(fā)新能源是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。在眾多可再生清潔能源中，太陽(yáng)能是一種理想的替代能源。太陽(yáng)每秒發(fā)出的能量約為161023KW。一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量約為189210130億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是世界主要已探明能源儲(chǔ)量的1萬(wàn)倍。與常規(guī)能源的有限性相比，太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量的“無(wú)限”，取之不盡，用之不竭。這決定了太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)利用將是人類(lèi)解決常規(guī)能源短缺和枯竭的有效途徑之一。其次，太陽(yáng)能不像其他能源那樣分布。到處都可以使用，有利于緩解能源供需矛盾，緩解交通壓力，解決交通不便的邊遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)村、海島的能源供應(yīng)問(wèn)題。 ，優(yōu)勢(shì)明顯。而太陽(yáng)能與風(fēng)能、潮汐能等清潔能源一樣，開(kāi)發(fā)利用幾乎不產(chǎn)生污染。這在

12、當(dāng)今環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下尤為重要。隨著太陽(yáng)能利用技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能利用成本大大降低。利用太陽(yáng)能發(fā)電不會(huì)污染環(huán)境，取之不盡，用之不竭，無(wú)處不在。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，發(fā)電成本要低得多。專(zhuān)家預(yù)測(cè)和研究一致認(rèn)為，21世紀(jì)人類(lèi)最清潔、最便宜的能源是太陽(yáng)能。因此，太陽(yáng)能是替代能源中最具吸引力、研究最廣泛、應(yīng)用最廣泛的清潔能源。但是，太陽(yáng)能也不可避免地存在一些不足，以至于沒(méi)有得到大面積的廣泛應(yīng)用。 1、實(shí)力較弱。到達(dá)地球大氣層上限并到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量雖然巨大，但其強(qiáng)度卻相當(dāng)微弱。 2. 不穩(wěn)定。同一天同一地點(diǎn)，日出日落時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于中午左右。在同一地點(diǎn)的不同季節(jié)，冬季的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度明顯遠(yuǎn)低于

13、夏季。一個(gè)原因是由于太陽(yáng)的仰角不同，入射到同一水平面的角度自然不同。當(dāng)太陽(yáng)仰角較大，或太陽(yáng)輻射的入射角較小時(shí)，即更接近正射影像。地面同一水平面接收的太陽(yáng)能越多。 3. 間歇性。太陽(yáng)到達(dá)地面的直接輻射能隨著晝夜交替而變化。這使得大多數(shù)太陽(yáng)能設(shè)備在夜間無(wú)法使用。為了克服夜間太陽(yáng)直接輻射不足的問(wèn)題，需要研制和裝備儲(chǔ)能設(shè)備，在晴天收集和儲(chǔ)存太陽(yáng)能，供夜間或雨天使用。目前，太陽(yáng)能利用的基本方法主要有：1. 光熱轉(zhuǎn)換。它通過(guò)吸收太陽(yáng)輻射的光能直接轉(zhuǎn)化為熱能。這種方式雖然歷史最悠久，但發(fā)展最成熟，普及最廣，產(chǎn)業(yè)化程度最高。光熱轉(zhuǎn)換提供的熱能一般溫度較低，小于或等于100。更高的只有幾百攝氏度。顯然，其能量等

14、級(jí)較低，適合直接利用。2.光電轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)輻射的光能按照“光電轉(zhuǎn)換”的原理轉(zhuǎn)化為電能，也就是常說(shuō)的“光伏轉(zhuǎn)換”。這是近幾十年才發(fā)明和發(fā)展的。由于電能品位高，應(yīng)用領(lǐng)域最廣，周界最廣，產(chǎn)業(yè)化程度最高，發(fā)展最快，前景十分看好。3、太進(jìn)口。目前，美、日、英、德等國(guó)聯(lián)合重點(diǎn)引進(jìn)安全應(yīng)用技術(shù)，已成功將進(jìn)口產(chǎn)品引入民用消費(fèi)市場(chǎng)。利用這項(xiàng)技術(shù)，可以直接引入室內(nèi)，適用于各種需要采集自然光的場(chǎng)合。4. 光化學(xué)轉(zhuǎn)化。通過(guò)光化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為電能或氫氣。這也是利用太陽(yáng)能的一種方式。二十、三十年前，很多人在這方面做了大量的研究。光化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)仍處于研發(fā)階段。5. 光生物轉(zhuǎn)化。太陽(yáng)能通過(guò)光合作用收集和儲(chǔ)存。最近這方面的研究有所

15、增加，有望取得突破。中國(guó)地處北半球，幅員遼闊，大部分位于北緯45以南。中國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)輻射能源資源。太陽(yáng)能年總輻射量超過(guò)16.3102kwh/m2a，相當(dāng)于1.2104億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國(guó)大部分地區(qū)年平均日輻射劑量在每平方米4千瓦時(shí)以上，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｖ袊?guó)太陽(yáng)輻射的主要特點(diǎn)是西高東、北高南。這樣一來(lái)，如何最大限度地利用太陽(yáng)能，在當(dāng)今社會(huì)就顯得尤為重要。太陽(yáng)能作為一種清潔、無(wú)污染的能源，有著非常廣闊的發(fā)展前景。太陽(yáng)能發(fā)電已成為未來(lái)解決全球能源危機(jī)的重要方式，具有最獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。就目前的太陽(yáng)能設(shè)備而言，如何最大限度地提高太陽(yáng)能的利用效率仍是國(guó)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。要解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該從兩個(gè)方面入手，一是提

16、高太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高設(shè)備的能量接收效率。前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，需要研究，后者可以利用現(xiàn)有技術(shù)解決。大學(xué)建筑系的KPCheng和SCMHui教授研究了太陽(yáng)輻射角度與太陽(yáng)能接收率的關(guān)系。理論分析表明，太陽(yáng)能線(xiàn)路運(yùn)動(dòng)的跟蹤和不跟蹤對(duì)太陽(yáng)能設(shè)備的能量接收率有37.7%的差異?？梢?jiàn)，對(duì)太陽(yáng)的準(zhǔn)確跟蹤可以使太陽(yáng)能設(shè)備的能源利用率大大提高。每年約有 350,000,000 太瓦時(shí)的太陽(yáng)能撞擊地球表面。使用直接太陽(yáng)輻射的效率大約是燃燒化石燃料的 1015 倍，而且太陽(yáng)能不會(huì)危及維持生命的地球的存在。因此，從解決能源危機(jī)和節(jié)能環(huán)保的角度看，太陽(yáng)能具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但從實(shí)際工程實(shí)踐的角度看，需要通

17、過(guò)各種手段和途徑，在計(jì)算機(jī)中發(fā)揮重要作用，將自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)與太陽(yáng)能集成。與發(fā)電設(shè)備相結(jié)合，大大增強(qiáng)了自身發(fā)電能力，提高了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。本課題的太陽(yáng)能跟蹤控制器的研究，是為了提高太陽(yáng)能的利用率，對(duì)于我們面臨的日益嚴(yán)峻的能源問(wèn)題，以及在大圍推廣太陽(yáng)能應(yīng)用具有重大而深遠(yuǎn)的意義。1.2 國(guó)外太陽(yáng)能跟蹤研究現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)狀1980年代后期，美國(guó)桑迪亞國(guó)家光伏實(shí)驗(yàn)室的Alex Maish開(kāi)始研制太陽(yáng)能跟蹤器（Solar Track）。關(guān)心的話(huà)題。國(guó)外一直比較重視太陽(yáng)跟蹤的研究。 1994年，捷克科學(xué)院物理研究所通過(guò)陽(yáng)光溫度的變化，實(shí)現(xiàn)了基于形狀記憶合金調(diào)節(jié)器的單軸被動(dòng)太陽(yáng)跟蹤。 1997年，美國(guó)Blacka

18、ce公司研制出單軸跟蹤器。該跟蹤裝置根據(jù)太陽(yáng)在赤道坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)原理，完成東西方向的自動(dòng)跟蹤。 1998年美國(guó)加州成功研究ATM雙軸太陽(yáng)能跟蹤器，進(jìn)一步提高了受熱率。 Joel.H.Goodman 開(kāi)發(fā)了主動(dòng)式太陽(yáng)方位角跟蹤裝置，使太陽(yáng)能接收器通過(guò)一個(gè)大直徑轉(zhuǎn)盤(pán)從東向西跟蹤太陽(yáng)。 2002年2月，美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，采用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了太陽(yáng)能跟蹤的應(yīng)用領(lǐng)域。跟蹤器。 2006年2月，由Acciona Solar建造的西班牙最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)設(shè)施投入使用。整個(gè)設(shè)施由 400 個(gè)太陽(yáng)跟蹤托盤(pán)和 14,400 個(gè)面板組成。這些太陽(yáng)

19、跟蹤托盤(pán)旨在跟蹤一年中每天的不同位置，與通常的固定平板系統(tǒng)相比，可將能量輸出提高 35%。 2007年，日本大成建設(shè)公司開(kāi)發(fā)了一種名為“T-Soleil”的新產(chǎn)品。 T-Soleil系統(tǒng)安裝在高層建筑和屋頂，由一個(gè)太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤平面鏡和多個(gè)反射器組成。自動(dòng)追日平面鏡置于天井上方，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可隨機(jī)芯同步旋轉(zhuǎn)。多個(gè)反射器的反射使高層建筑的部分區(qū)域像室外一樣明亮。就目前太陽(yáng)能跟蹤控制器的研究現(xiàn)狀而言，由于太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)成本的影響，一般采用半自動(dòng)單軸跟蹤方式。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和光伏轉(zhuǎn)換效率的提高，太陽(yáng)跟蹤裝置的研究將朝著全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤的方向發(fā)展。全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤裝置基于水平坐標(biāo)和雙軸跟蹤原理，采用

20、光學(xué)、機(jī)械、電氣、圖像處理等技術(shù)，通過(guò)對(duì)太強(qiáng)或形狀的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤，可以實(shí)現(xiàn)同步無(wú)偏差。它跟蹤太陽(yáng)，大大提高了太陽(yáng)能的接收效率。近年來(lái)，中央氣象局、交通大學(xué)、大學(xué)、航空航天大學(xué)等單位對(duì)太陽(yáng)跟蹤算法進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。但總的來(lái)說(shuō)，在我國(guó)，太陽(yáng)跟蹤技術(shù)還不是很成熟，從事太陽(yáng)跟蹤研究的人也不多，而且大多處于理論研究階段，實(shí)際產(chǎn)品還很少。1.3 本課題主要內(nèi)容及章節(jié)安排本文完成了基于CMOS圖像傳感器的太陽(yáng)跟蹤控制器的設(shè)計(jì)。采用CMOS圖像傳感器采集太陽(yáng)圖像，經(jīng)過(guò)數(shù)字圖像處理后得到跟蹤偏差。改進(jìn)后的太陽(yáng)跟蹤控制器具有更高的跟蹤精度和可靠性。基于本課題的研究?jī)?nèi)容和主要工作，本文結(jié)

21、構(gòu)如下：第一章主要介紹選題的背景、目的和意義，以便與國(guó)外太陽(yáng)追蹤的研究現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行比較。第二章介紹了基于CMOS圖像傳感器的太陽(yáng)跟蹤控制器的總體方案設(shè)計(jì)、CMOS圖像采集方案和圖像分析計(jì)算。第三章介紹了太陽(yáng)跟蹤控制器硬件部分的設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)驅(qū)動(dòng)接口電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、限位器和通訊電路。第四章介紹了太陽(yáng)跟蹤控制器軟件部分的設(shè)計(jì)，主要包括使用Visual C+6.0編寫(xiě)人機(jī)交互控制平臺(tái)、跟蹤控制器主程序設(shè)計(jì)、太陽(yáng)跟蹤控制器的軟件算法。太陽(yáng)高度和方位角，以及跟蹤控制器。標(biāo)定原理、基于MCC的VC與MATLAB聯(lián)合編程的實(shí)現(xiàn)、部分單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)等。第五章總結(jié)了本課題的主要研究成果，并對(duì)下一步工

22、作進(jìn)行了展望。2 、太陽(yáng)跟蹤控制器整體方案設(shè)計(jì)及圖像采集2.1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要由平面鏡跟蹤裝置、控制與驅(qū)動(dòng)電路、方位限位電路、CMOS圖像傳感器（帶巴德膜濾光片）等部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示。圖 2-1 系統(tǒng)整體框圖太陽(yáng)跟蹤控制器的工作過(guò)程如下：上位機(jī)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度和當(dāng)前時(shí)間調(diào)用太陽(yáng)位置函數(shù)，獲取太陽(yáng)的高度和方位角，并將其轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)的運(yùn)行步數(shù)。俯仰和水平電機(jī)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)RS485總線(xiàn)與單片機(jī)通訊，驅(qū)動(dòng)水平和俯仰兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤完成后，VC調(diào)用MATLAB函數(shù)控制圖像傳感器對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行拍照，圖像處理后輸出。限位裝置能保證電機(jī)在運(yùn)行時(shí)停

23、在正確的位置，防止電機(jī)超速運(yùn)行。2.2 CMOS圖像采集2.2.1圖像傳感器選擇圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS和CIS傳感器。 CMOS工藝是VLSI的主流工藝，集成度高，可以根據(jù)需要在一個(gè)芯片上集成各種功能。 CMOS 圖像傳感器包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲(chǔ)器、定時(shí)脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器的整個(gè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器相比，將整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量輕、占用空間小、整體價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。目前CMOS型不僅價(jià)格便宜，而且實(shí)現(xiàn)了數(shù)字輸出和軟件可編程控制，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、抗干擾性和穩(wěn)定性。 CMOS 圖像傳感器滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

24、。本課題采用羅技QuickCam系列網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，具有低功耗、低成本、單電源、易于實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)集成等特點(diǎn)。其開(kāi)窗功能可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置有效圖像數(shù)據(jù)窗口的大小，從而避免收集無(wú)效數(shù)據(jù)，減少存儲(chǔ)空間。2.2.2圖像采集方案選擇因?yàn)樘珡?qiáng)了，所以需要在圖像采集的時(shí)候給相機(jī)加一個(gè)Budd膜濾光片。實(shí)驗(yàn)表明，添加兩層濾鏡后，得到的圖像效果更好。傳統(tǒng)的方法是使用中性灰色濾鏡。但考慮到節(jié)約成本，本項(xiàng)目采用了較新的過(guò)濾方式，選用了德國(guó)的發(fā)明專(zhuān)利巴德太陽(yáng)觀(guān)測(cè)保護(hù)膜AstroSolar TM。 Budd膜是一種金屬化樹(shù)脂膜，可用于目視檢查和攝影。它很薄并且具有出色的光學(xué)質(zhì)量，Budd 膠片目前有兩種密度，5.0（視覺(jué)

25、）和 3.8（拍照）。對(duì)于太陽(yáng)的天文觀(guān)測(cè)，一般很難透光，只有在強(qiáng)光條件下才能看到光。圖 2-2 和圖 2-3 分別是單層濾鏡和雙層濾鏡相機(jī)拍攝的太陽(yáng)位置照片。(a) 原始圖像 (b) 二值圖像圖2-2 相機(jī)拍攝的太陽(yáng)照片加上單層布德膠卷(a) 原始圖像 (b) 二值圖像圖 2-3 相機(jī)拍攝的太陽(yáng)照片和雙層巴德膠卷2.2.3圖像預(yù)處理圖像預(yù)處理部分主要包括灰度圖像轉(zhuǎn)換、中值濾波和圖像分割。將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。通常，攝像頭得到的圖像是彩色圖像，由R、G、B3個(gè)單色組成，每個(gè)單色被人為地劃分為0-255的256個(gè)等級(jí)。根據(jù)R、G、B的不同組合，獲取的彩色圖像可以表示256256256=1677

26、7216種顏色。通常數(shù)字圖像處理是先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，再對(duì)灰度圖像進(jìn)行處理。將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像的公式如下：Y =0.299R +0.587G +0.114B (2-1)2. 中值濾波器圖像在拍攝或傳輸過(guò)程中總會(huì)加入一些噪點(diǎn)，影響圖像質(zhì)量。中值濾波可以有效去除這些噪聲，也可以實(shí)現(xiàn)圖像平滑。中值濾波是一種去除噪聲的非線(xiàn)性處理方法，由Turky于1971年提出。其基本原理是：將數(shù)字圖像或數(shù)字序列中某個(gè)點(diǎn)的值替換為鄰域內(nèi)每個(gè)點(diǎn)值的中值。點(diǎn)。中位數(shù)的定義如下：一組數(shù)排列n個(gè)數(shù)的大小如下：Y=醫(yī)學(xué)= (2-2)y稱(chēng)為序列的中位數(shù)。具有特定長(zhǎng)度或形狀的點(diǎn)稱(chēng)為窗口。在一維情況下，中值濾波器是一個(gè)

27、具有奇數(shù)個(gè)像素的滑動(dòng)窗口，將窗口中間像素的值替換為窗口中像素值的中值。假設(shè)輸入序列為， I為自然數(shù)的集合或子集，窗口長(zhǎng)度為n ，則濾波器的輸出為：(2-3)其中：我在二維情況下，可以使用某種形式的二維窗口。設(shè) , 表示數(shù)字圖像中每個(gè)點(diǎn)的灰度值，具有濾波窗口 A 的二維中值濾波可以定義為：= 中 = 中(2-4)3.圖像分割處理圖像分割技術(shù)是將圖像劃分為具有不同特征的區(qū)域并提取感興趣對(duì)象的技術(shù)和過(guò)程。這是從圖像處理到圖像分析的關(guān)鍵步驟。其目的是將目標(biāo)與背景分離，為目標(biāo)識(shí)別、精確定位等后續(xù)處理提供依據(jù)?；谶@一思想，最終分析的目的，可以選擇相對(duì)形狀度量、相對(duì)均勻度度量和誤分類(lèi)概率作為評(píng)價(jià)算法優(yōu)劣的

28、標(biāo)準(zhǔn)。常用的閾值選擇方法有9種最小點(diǎn)閾值選擇法、最優(yōu)閾值選擇法、迭代閾值選擇法、灰度統(tǒng)計(jì)直方圖凹分析閾值選擇法、最大熵法。 、模糊閾值選擇方法、基于最大類(lèi)間方差法的閾值選擇方法、基于圖像視差的閾值選擇方法、基于矩保存的閾值選擇方法。鑒于本課題采集的太陽(yáng)圖像的特殊性，采用最大類(lèi)間方差法計(jì)算圖像閾值。最大類(lèi)間方差法也稱(chēng)為 OTSU 算法。求解閾值的過(guò)程如下：(1)首先選擇一個(gè)近似值作為圖像f(x,y)的初始閾值= (2-5)是最小和最大灰度值。計(jì)算每個(gè)灰度出現(xiàn)的概率(2) 根據(jù)閾值將圖像劃分為目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域：= , = (2-6)計(jì)算這兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的概率，以及平均值，, (2-7)(3) 計(jì)算

29、，方差，=;= (2-8)(4)計(jì)算類(lèi)方差、類(lèi)間方差、總體方差=+, , =+ (2-9)計(jì)算新的閾值= sum, k=k+1 ，回到（2-9）迭代計(jì)算，直到迭代結(jié)束，此時(shí)的閾值就是最優(yōu)解。2.2.4點(diǎn)質(zhì)心位置在基于圖像傳感器的閉環(huán)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)中，能否準(zhǔn)確檢測(cè)太陽(yáng)光斑的質(zhì)心位置是實(shí)現(xiàn)跟蹤校正的關(guān)鍵，決定了系統(tǒng)的精度和可靠性。總則圖像處理系統(tǒng)在定位和跟蹤目標(biāo)時(shí)，確定目標(biāo)位置的方法可以分為兩類(lèi)，即門(mén)控跟蹤算法和相關(guān)跟蹤算法。門(mén)跟蹤算法有兩種類(lèi)型，即邊緣跟蹤和質(zhì)心跟蹤。質(zhì)心跟蹤可分為雙邊中心跟蹤、區(qū)域平衡法跟蹤、質(zhì)心跟蹤和亮度中心跟蹤。在本課題中，使用質(zhì)心跟蹤的方法來(lái)定位點(diǎn)目標(biāo)。在二值圖像中，設(shè)某個(gè)

30、待確定區(qū)域內(nèi)所有像素（非零像素）的坐標(biāo)為：(2-10)那么該區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)可以表示為：總和（x）=，總和（y）= （2-11）, (2-12)在 MATLAB 7.0 圖像處理工具箱中，提供了 regionprops 函數(shù)來(lái)幫助找到圖形區(qū)域的質(zhì)心。 regionprops 函數(shù)是用于測(cè)量圖像區(qū)域?qū)傩缘暮瘮?shù)。在調(diào)用 regionprops 之前，必須將二值圖像轉(zhuǎn)換為標(biāo)簽矩陣。圖 2-4 顯示了尋找一個(gè)區(qū)域的質(zhì)心的示意圖。綠色方框代表要查找的某個(gè)區(qū)域，白色方塊代表該區(qū)域中的一個(gè)像素，紅色原點(diǎn)代表該區(qū)域的質(zhì)心。圖 2-5 顯示了幾種不同形狀的質(zhì)心位置的檢測(cè)結(jié)果。圖2-4 面積質(zhì)心計(jì)算示意圖(a) 圓

31、形質(zhì)心 (b) 橢圓形質(zhì)心(c) 正方形質(zhì)心 (d) 三角形質(zhì)心(e) 不規(guī)則形狀質(zhì)心（區(qū)域） (f) 不規(guī)則形狀質(zhì)心（區(qū)域外）圖 2-5 幾種不同形狀的圖形質(zhì)心檢測(cè)結(jié)果根據(jù)標(biāo)注矩陣，可以很容易地給出二值圖像中的亮點(diǎn)個(gè)數(shù)。在抗干擾設(shè)計(jì)中，會(huì)以亮點(diǎn)的數(shù)量作為判斷是否存在干擾的依據(jù)。圖 2-6 為二值化后光斑圖案的質(zhì)心檢測(cè)結(jié)果。圖 2-6 點(diǎn)質(zhì)心檢測(cè)結(jié)果2.2.5獲取步進(jìn)電機(jī)校正的步數(shù)圖2-7 太陽(yáng)圖像中光斑位置及校正步驟示意圖圖 2-7 為采集到的太陽(yáng)圖像中的光斑位置及校正步驟示意圖。圖像格式為 320*240 RGB 格式，即包含水平方向 320 個(gè)像素，垂直方向 240 個(gè)像素。用圖像坐標(biāo)表

32、示時(shí)，以圖片的左上頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，所以圖像中心的坐標(biāo)為(160,120)。其中，F(xiàn)YP、FYM、FWP、FWM分別對(duì)應(yīng)上位機(jī)控制平臺(tái)“pitch+”、“pitch-”、“azimuth+”、“azimuth-”的運(yùn)行步驟。并且有FYP+FYM=0，F(xiàn)WP+FWM=0。為了減少程序中變量處理的數(shù)量，所有的FYM和FWM都用FYP和FWP的相反數(shù)來(lái)表示。在跟蹤裝置中，方位步進(jìn)電機(jī)每一步實(shí)際走動(dòng)（1.8/100），俯仰步進(jìn)電機(jī)每一步實(shí)際走動(dòng)（1.8/52）。跟蹤設(shè)備運(yùn)行時(shí)，若光點(diǎn)在圖像中心坐標(biāo)處，則圖像下移50步FYP；將圖像 FWP 向左移動(dòng)需要 160 步。校正步長(zhǎng)（FYP，F(xiàn)WP）與光斑圖像坐

33、標(biāo)（X，Y）的關(guān)系為：FYP= (2-13)FWP= (2-14)由公式2-13和2-14可知：當(dāng)光斑在第三、四象限時(shí)，Y120，可以得出FYP為負(fù)值，實(shí)際代表FYM運(yùn)行步數(shù)；當(dāng)光斑在第一和第三象限時(shí)，X8);命令5=(無(wú)符號(hào)字符)(uH_Step&0 xff);命令6=(無(wú)符號(hào)字符)(uH_Step&0 xff00)8);4.4 圖像處理模塊圖像處理算法由MATLAB7.0軟件編寫(xiě)。根據(jù)相機(jī)采集太陽(yáng)圖像的特點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)的MATLAB M文件函數(shù)流程圖如圖4-4所示。圖4-4 M文件功能流程圖4.5 PC與MCU之間的通信模塊VC通過(guò)調(diào)用Windows API函數(shù)與單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)

34、的實(shí)時(shí)跟蹤。4.5.1使用Windows API函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口操作一、Windows串口通信的工作機(jī)制Windows 是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)且與設(shè)備無(wú)關(guān)的多用戶(hù)操作系統(tǒng)。同時(shí)，Windows 禁止應(yīng)用程序直接與硬件交互，程序員只能通過(guò) Windows 提供的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)管理硬件。 Windows 系統(tǒng)充當(dāng)應(yīng)用程序和硬件之間的中介。 Windows系統(tǒng)為每個(gè)通訊設(shè)備開(kāi)辟了用戶(hù)自定義的輸入/輸出緩沖區(qū)，通訊口的數(shù)據(jù)進(jìn)出由系統(tǒng)后臺(tái)完成。串行端口和其他通信設(shè)備作為文件處理。用于打開(kāi)、關(guān)閉、讀取和寫(xiě)入串行端口的功能與用于操作文件的功能完全相同。2、通信控制通常按以下步驟實(shí)現(xiàn)：(1)設(shè)置串口；(2)使用Create

35、File()函數(shù)打開(kāi)串口；(3) 設(shè)置通訊協(xié)議；(4)設(shè)置傳輸速度等參數(shù)；(5) 設(shè)置其他參數(shù)；(6) 要致字符串或讀取字符串，請(qǐng)使用 Read File() 和 Write File() 函數(shù)；(7)使用Close Handle()函數(shù)關(guān)閉串口使用后；4.5.2 PC計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通信協(xié)議本課題中PC與單片機(jī)的通信共7個(gè)字節(jié)，具體格式如下：結(jié)構(gòu)包無(wú)符號(hào)字符 uPackHead1； /1，固定為0 xAA無(wú)符號(hào)字符 uPackHead2; /2、固定為0 x55無(wú)符號(hào)字符 uMotorStatus; / 狀態(tài)字節(jié)無(wú)符號(hào)字符 uAzimuthH; /水平運(yùn)行步數(shù)的低位字節(jié)無(wú)符號(hào)字符 uAzimu

36、thL; /水平運(yùn)行步驟的高位字節(jié)，如果高位為1，電機(jī)反轉(zhuǎn)無(wú)符號(hào)字符 uHeightH; /投球步數(shù)的低位字節(jié)無(wú)符號(hào)字符 uHeightL; /俯仰運(yùn)行步數(shù)的高位字節(jié)，如果高位為1，則電機(jī)反轉(zhuǎn)狀態(tài)位定義為：當(dāng)?shù)?位和第6位同時(shí)為1時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位；復(fù)位成功返回AA，錯(cuò)誤返回55。表 4-1 通訊狀態(tài)位定義76543210預(yù)訂0：正常； 1：水平復(fù)位0：正常； 1：音高復(fù)位地址4.6 控制平臺(tái)手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊上位機(jī)控制平臺(tái)的手動(dòng)調(diào)節(jié)部分分為三個(gè)部分： 1、太陽(yáng)位置按鈕和校準(zhǔn)按鈕。這部分功能是在系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊太陽(yáng)位置按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。首次安裝系統(tǒng)或改變位置時(shí)，需要操作太陽(yáng)位置按鈕和校準(zhǔn)按鈕

37、來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)。 2. 復(fù)位鍵，該鍵用于系統(tǒng)復(fù)位。 3、四向手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕，四向手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕在系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)偏差或校準(zhǔn)時(shí)使用，俯仰按鈕對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)（18/52），方位按鈕對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)（18/100） ）。首次安裝跟蹤裝置或改變位置偏離跟蹤過(guò)程時(shí)，需要在上位機(jī)控制平臺(tái)的“手動(dòng)調(diào)整”部分進(jìn)行調(diào)整。四個(gè)方位按鈕控制步進(jìn)電機(jī)在相應(yīng)方向的單步運(yùn)行。同時(shí)，程序保存調(diào)整后的相關(guān)參數(shù)。當(dāng)跟蹤系統(tǒng)出現(xiàn)誤差時(shí)，可以手動(dòng)調(diào)整這部分以消除偏差。首次安裝或重新定位跟蹤單元時(shí)，需要進(jìn)行“校準(zhǔn)”設(shè)置。 “校準(zhǔn)”設(shè)置過(guò)程如下：首先，運(yùn)行“太陽(yáng)位置”按鈕，跟蹤儀將根據(jù)上位機(jī)計(jì)算的太陽(yáng)高度和方位角自動(dòng)運(yùn)行到理論跟蹤位置。當(dāng)光點(diǎn)在圖像中心時(shí)

38、，按下“校準(zhǔn)”按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成系統(tǒng)配置文件calibrate.ini，保存校準(zhǔn)后的基準(zhǔn)比較值。至此，“校準(zhǔn)”過(guò)程結(jié)束。該文件在程序初始化時(shí)調(diào)用，以消除跟蹤設(shè)備本身存在的錯(cuò)誤。系統(tǒng)校準(zhǔn)流程如圖 4-5 所示。以“方位角+”按鈕為例，其ID號(hào)為：IDC_AZIMUTHP，程序響應(yīng)流程如下：void CTimertestDlg:OnAzimuthp()/“方位角+”按鈕按下時(shí)的消息響應(yīng)函數(shù)SendAdjCommand(AZIMUTH_F);/調(diào)用SendAdjCommand(CommandID)函數(shù)nAzimuthCal-=10； /nAzimuthCal用于配置calibrate.ini系統(tǒng)文

39、件SendAdjCommand(unsigned int CommandID) 函數(shù)如下：圖 4-5 系統(tǒng)校準(zhǔn)流程圖void CTimertestDlg:SendAdjCommand(unsigned int CommandID)命令0=（無(wú)符號(hào)字符）0 xAA；命令1=(無(wú)符號(hào)字符)0 x55;命令2=(unsigned char)Addr&(unsigned char)0 x1f;開(kāi)關(guān)（命令 ID）case AZIMUTH_F:/CommandID 對(duì)應(yīng)“azimuth+”命令3=(無(wú)符號(hào)字符)10;命令4=(無(wú)符號(hào)字符)0;命令5=(無(wú)符號(hào)字符)0;命令6=(無(wú)符號(hào)字符)0;休息;cas

40、e AZIMUTH_B:/CommandID 對(duì)應(yīng)“azimuth-”case HEIGHT_F:/CommandID 對(duì)應(yīng)“pitch+”case HEIGHT_B:/CommandID 對(duì)應(yīng)“pitch-”SendByte(hComm,Command,7);/PC將控制字節(jié)打包后致給單片機(jī)執(zhí)行4.7 控制平臺(tái)太陽(yáng)影像動(dòng)態(tài)顯示模塊為了使控制平臺(tái)具有更好的人機(jī)交互界面，同時(shí)便于觀(guān)察太陽(yáng)的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)跟蹤誤差，在控制平臺(tái)上增加了顯示控件，動(dòng)態(tài)顯示太陽(yáng)圖像采集到的太陽(yáng)圖像。實(shí)時(shí)圖像傳感器。出來(lái)。在控件中顯示位圖分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。靜態(tài)方法是使用VC6.0的資源，需要先引入一個(gè)位圖在資源視圖中

41、顯示。這種方法有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是位圖必須先存在，并且在程序運(yùn)行時(shí)不能改變位圖。顯然，靜態(tài)方法不能滿(mǎn)足需要。本節(jié)介紹如何在控制平臺(tái)中動(dòng)態(tài)顯示圖像傳感器采集的太陽(yáng)圖像。程序首先判斷定時(shí)器設(shè)置時(shí)間（即動(dòng)態(tài)顯示時(shí)間間隔）是否結(jié)束，執(zhí)行定時(shí)器響應(yīng)函數(shù)中動(dòng)態(tài)顯示太陽(yáng)圖像的程序?？刂破脚_(tái)中動(dòng)態(tài)顯示太陽(yáng)圖像的流程如圖4-6所示，顯示太陽(yáng)圖像部分的流程圖如圖4-7所示。圖4-6 太陽(yáng)影像動(dòng)態(tài)顯示流程圖圖4-7 VC顯示位圖流程圖太陽(yáng)圖動(dòng)態(tài)展示模塊部分代碼如下：無(wú)效 CTimertestDlg:OnTimer(UINT nIDEvent)Cbitmap hbmp;HBITMAP hbitmap;Cstatic

42、*pStaic;/定義類(lèi)pStaic=(CStatic*)GetDlgItem(IDC_IMAGE);/將pStatic指向要顯示的地方hbitmap=(HBITMAP):LoadImage(:AfxGetInstanceHandle(),D:/Test/imagine_閾值.bmp,IMAGE_BITMAP,0,0,LR_LOADFROMFILE|LR_CREATEDIBSECTION);hbmp.Attach(hbitmap);/加載圖像傳感器拍攝的太陽(yáng)圖像位圖 bm;hbmp.GetBitmap(&bm);/獲取圖片格式疾病預(yù)防控制中心 dcMem；dcMem.CreateCompati

43、bleDC(GetDC();/創(chuàng)建存儲(chǔ)DCCbitmap*poldBitmap=(CBitmap*)dcMem.SelectObject(hbmp);矩形 lRect;pStaic-GetClientRect(&lRect);lRect.NormalizeRect();pStaic-GetDC()-StretchBlt(lRect.left,lRect.top,lRect.Width(),lRect.Height(),&dcMem,0,0,bm.bmWidth,bm.bmHeight,SRCCOPY);/顯示位圖dcMem.SelectObject(&poldBitmap);4.8 VC與MA

44、TLAB聯(lián)合編程模塊Visual C+是微軟推出的一種可視化編程語(yǔ)言，是目前最全面、最強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)工具之一。 Matlab是集科學(xué)計(jì)算、圖像處理、聲音處理于一體的高度集成系統(tǒng)。它利用豐富的功能資源，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的工具箱，讓編程變得極其簡(jiǎn)單，可以大大縮短應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)周期。提高編程效率。在實(shí)踐中，如果能將Matlab和VC+編程混合使用，將大大減少編程工作量，并繼承良好的用戶(hù)界面，為科研和工程開(kāi)發(fā)提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持。4.9 單片機(jī)的通訊與控制部分太陽(yáng)跟蹤控制器的軟件分為兩部分，一是上位機(jī)的編程，前面已經(jīng)介紹過(guò)了，二是控制器的編程?？刂破鬈浖O(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，主要分為以下軟

45、件模塊：主程序模塊、串口中斷處理模塊、正常跟蹤處理模塊、串口中斷復(fù)位處理模塊等。如圖4-8所示單片機(jī)跟蹤控制部分主程序模塊流程圖。先初始化串口，再初始化步進(jìn)電機(jī)的相位，然后將步進(jìn)電機(jī)的控制字和步數(shù)致給單片機(jī)執(zhí)行。圖 4-8 部分單片機(jī)程序流程圖結(jié)論針對(duì)這一課題，研究了一種基于CMOS圖像傳感器的太陽(yáng)跟蹤控制器。跟蹤控制器可以連續(xù)跟蹤太陽(yáng)的角度變化，更準(zhǔn)確地跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)。陰天或陰天時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用時(shí)鐘算法使設(shè)備連續(xù)跟蹤。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？刂破鞑捎玫退偬幚砥鲗?shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光斑的采集和定位，可應(yīng)用于各種太陽(yáng)能設(shè)備，提高太陽(yáng)能的利用率。如果采用步進(jìn)電機(jī)的微步控制技術(shù)，即采用細(xì)分技術(shù)，將

46、步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)整體步分成幾個(gè)更精細(xì)的微步，可以使整個(gè)控制系統(tǒng)更加精確，并且可以用于實(shí)現(xiàn)各種點(diǎn)光源的檢測(cè)。論文的主要研究工作和成果總結(jié)如下：1、詳細(xì)研究國(guó)外太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀及幾種自動(dòng)太陽(yáng)能跟蹤方法。在分析了比較常用的跟蹤方法后，設(shè)計(jì)了一種基于COMS圖像傳感器的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制器。該裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤的目的。跟蹤精度高2、上位機(jī)通過(guò)MCC實(shí)現(xiàn)VC+與Matlab聯(lián)合編程，實(shí)時(shí)控制圖像傳感器獲取光斑圖像。通過(guò)Matlab計(jì)算，得到光斑質(zhì)心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)的偏差，換算成步進(jìn)電機(jī)在水平和俯仰上調(diào)整的步數(shù)，然后平面鏡跟蹤裝置實(shí)時(shí)調(diào)整，使光斑始終位于圖像中心。3、根據(jù)跟蹤系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)完成硬件設(shè)

47、計(jì)。主要工作包括：跟蹤器控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、圖像采集電路、限位信號(hào)采集電路和通訊電路。4、根據(jù)跟蹤系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)完成軟件部分設(shè)計(jì)。主要工作包括：利用VC編寫(xiě)人機(jī)交互控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)MATLAB圖像處理和獲取跟蹤偏差算法，基于MCC實(shí)現(xiàn)VC與MATLAB聯(lián)合編程。5、為保證系統(tǒng)工作的可靠性，將可靠性設(shè)計(jì)融入硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，有效提高了跟蹤精度和可靠性。本論文致力于太陽(yáng)能跟蹤控制器的研究與開(kāi)發(fā)，取得了預(yù)期的效果。目前，國(guó)外對(duì)自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤技術(shù)的研究較多，但實(shí)際應(yīng)用太陽(yáng)跟蹤技術(shù)的地方卻很少，尤其是在我國(guó)。本課題研究的新型跟蹤方法不僅提高了跟蹤精度，降低了成本，而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性。將

48、太陽(yáng)跟蹤技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于實(shí)現(xiàn)綠色社會(huì)、減少污染、應(yīng)對(duì)能源危機(jī)具有重要意義。下一步工作可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：1、選擇細(xì)分精度更高的步進(jìn)電機(jī)。目前，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)發(fā)展迅速。如果可以選擇細(xì)分精度更高的步進(jìn)電機(jī)，對(duì)提高跟蹤精度會(huì)有更好的效果。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度，可采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制新技術(shù)之一的微步控制技術(shù)，即采用細(xì)分技術(shù)將一個(gè)全步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)分成幾個(gè)更精細(xì)的微步。 ，可以大大提高步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)精細(xì)度，使整個(gè)控制系統(tǒng)更加精確。2、采用高端微處理器構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)。本課題選擇PC作為主控制器。如果可以使用ARM、DSP等小型且價(jià)格相對(duì)低廉的高端微處理器，就可以開(kāi)發(fā)出價(jià)格低廉的跟蹤系統(tǒng)，

49、將其應(yīng)用于需要太陽(yáng)跟蹤的設(shè)備時(shí)，就可以形成嵌入式跟蹤系統(tǒng)。3.智能設(shè)計(jì)。理論上，任何一天太陽(yáng)的日出日落時(shí)間都是確定的。如果可以對(duì)軟件進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)日出日落時(shí)間的計(jì)算和應(yīng)用，就可以使跟蹤器智能化，無(wú)需人工干預(yù)，即可以實(shí)現(xiàn)日出日落時(shí)間的自動(dòng)計(jì)算。開(kāi)始運(yùn)行，日落自動(dòng)復(fù)位停止。4.實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。太陽(yáng)跟蹤設(shè)備通常放置在“偏遠(yuǎn)”的地方，例如屋頂和沙漠。如果能實(shí)現(xiàn)遙控，就更人性化了。參考1 袁偉奇，李偉?；谝曈X(jué)的太陽(yáng)方位檢測(cè)裝置研究J.計(jì)算機(jī)測(cè)控, 2008, 16(7): 911-913.2 吳京.太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)研究D. ：大學(xué)，2008 年。3 傅忠良.圖像閾值選擇方法大津法的擴(kuò)展J計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2000，20(5)：37-39。4 景成，任松林，閔，等一種智能雙軸太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.傳感器和微系統(tǒng)，2008，27（9）：69-71。5 魏，王志超，袁，等太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)J.水電與能源科學(xué)，2009（27）：215-218。6 盧文華，何曉磊，于和軍，等。太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤儀