【正文】 的變化。這就使大多數(shù)太陽能設(shè)備在夜間無法工作。為克服夜間沒有太陽直接輻射，就需要研制和配備儲(chǔ)能設(shè)備，以便在晴天時(shí)把太陽能收集并存儲(chǔ)起來，供夜晚或陰雨天便用。而目前太陽能利用的基本方式主要有：光熱轉(zhuǎn)換。它是靠吸收太陽輻射的光能直接轉(zhuǎn)換為熱能的。這種途徑雖最古老，但發(fā)展的最成熟、普及性最廣、工業(yè)化程度最高。光熱轉(zhuǎn)換提供的熱能一般溫度都較低，小于或等于100℃。較高一些的也只有幾百攝氏度。顯然，它的能源品位較低，適合于直接利用。光電轉(zhuǎn)換。將太陽輻射的光能根據(jù)“光電轉(zhuǎn)換”原理把光能變成電能再加以利用，常稱“光伏轉(zhuǎn)換”。這是近幾十年才發(fā)明和發(fā)展起來的。由于電能的品位相當(dāng)高，所以它的應(yīng)用領(lǐng)域最寬、范圍最廣、工業(yè)化程度最高、發(fā)展最快且前景十分樂觀。太陽光導(dǎo)入。目前，美、日、英、德等國聯(lián)合主攻太陽光安全導(dǎo)入應(yīng)用技術(shù)，已成功地將陽光導(dǎo)入產(chǎn)品推向民用消費(fèi)市場。運(yùn)用該技術(shù)可直接將太陽光導(dǎo)入室內(nèi)，適用于各種需要采集自然光的場合。光化學(xué)轉(zhuǎn)換。通過光化學(xué)作用轉(zhuǎn)換成電能或制氫。這也是利用太陽能的一個(gè)途徑。二三十年前有不少人對(duì)此做了許多研究。光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)目前仍處于研究、開發(fā)階段。光生物轉(zhuǎn)換。通過光合作用收集與儲(chǔ)存太陽能。近來在這方面的研究有所增加，人們期盼出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。中國地處北半球，幅員遼闊，絕大部分地區(qū)位于北緯45176。以南。中國擁有豐富的太陽輻射能資源，102kwh/m2a，104億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米4千瓦時(shí)以上，有巨大的開發(fā)潛能。中國太陽能輻射主要特點(diǎn)西部高于東部、北方高于南方。這樣來說，如何最大限度的提高太陽能利用率在當(dāng)今社會(huì)顯得尤為重要。太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽能發(fā)電已成為未來全球解決能源危機(jī)的最具獨(dú)特優(yōu)勢的重要途徑。就目前的太陽能設(shè)備而言，如何最大限度的提高太陽能利用效率，仍為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。解決這一問題應(yīng)從兩個(gè)方面入手，一是提高太陽能設(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，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。香港大學(xué)建筑系的KPCheng和SCMHui教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關(guān)系，理論分析表明對(duì)太陽光線運(yùn)動(dòng)的跟蹤與非跟蹤，%，可見精確的跟蹤太陽可使太陽能設(shè)備的能量利用率大大提高。太陽能每年有約350000000萬億瓦小時(shí)照射到地球表面。使用直接的太陽能輻射，其效率比燃燒化石燃料要高出約1015倍，而且太陽能不會(huì)危及支撐生命的地球存在。因此，從解決能源危機(jī)和節(jié)能綠色環(huán)保的角度上看太陽能具有無以比擬的優(yōu)勢，但從實(shí)際工程實(shí)踐來看，有必要通過各種手段和途徑發(fā)揮計(jì)算機(jī)的重要作用，把自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)與太陽能發(fā)電設(shè)備相結(jié)合，使之大大提升自身的發(fā)電能力，提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。本課題為提高利用太陽能效率而進(jìn)行太陽跟蹤控制器的研究，對(duì)我們面臨的日益嚴(yán)峻的能源問題、對(duì)大范圍推廣太陽能應(yīng)用具有重大而深遠(yuǎn)的意義。 國內(nèi)外太陽跟蹤的研究現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀(jì)80年代后期，美國Sandia國家光伏實(shí)驗(yàn)室的Alex Maish開始著手開發(fā)太陽跟蹤器（Solar Track），在這之后的二十年里，高效率太陽跟蹤控制器的研發(fā)也成為國內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)所關(guān)注的課題。國外對(duì)太陽跟蹤的研究歷來比較重視，1994年捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過日照溫度的變化實(shí)現(xiàn)了單軸被動(dòng)式太陽跟蹤。1997年美國Blackace研制了單軸跟蹤器，這種跟蹤裝置根據(jù)赤道坐標(biāo)系下太陽運(yùn)行的原理完成東西方向的自動(dòng)跟蹤，但南北方向通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的熱接收率提高了15%。1998年美國加州成功的研究了ATM兩軸太陽跟蹤器，使熱接收率進(jìn)一步提高。，該裝置通過大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)使太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽。2002年2月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(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，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。2006年2月，Acciona太陽能公司建立的被稱為西班牙最大的太陽能電站設(shè)施開始投入使用，整個(gè)設(shè)施由400個(gè)太陽跟蹤托盤，14400個(gè)電池板組成。這些太陽跟蹤托盤設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為全年每天根據(jù)太陽不同的位置跟蹤陽光，與通常固定的平面系統(tǒng)相比，這種托盤設(shè)計(jì)可以增加35%的能源產(chǎn)出量。2007年日本大成建設(shè)公司開發(fā)出了一種叫“TSoleil”的新產(chǎn)品，TSoleil系統(tǒng)設(shè)置在高樓內(nèi)部和屋頂，由太陽自動(dòng)跟蹤型平面鏡和多塊反光鏡組成。太陽自動(dòng)跟蹤型平面鏡安置在屋頂天井上方，由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可以隨著陽光移動(dòng)同步進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過多塊反光鏡反射太陽光讓高樓的內(nèi)部各處變得如同室外一樣明亮。就現(xiàn)階段國內(nèi)對(duì)太陽跟蹤控制器的研究情況來看，由于受太陽能應(yīng)用系統(tǒng)成本的影響，普遍采用半自動(dòng)單軸跟蹤方式。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏轉(zhuǎn)換效率的提高，太陽跟蹤裝置的研究會(huì)朝著全自動(dòng)太陽跟蹤的方向發(fā)展。全自動(dòng)跟蹤太陽裝置是根據(jù)地平坐標(biāo)、雙軸跟蹤原理，采用光、機(jī)、電、圖像處理等技術(shù)，通過對(duì)太陽光強(qiáng)或形狀的檢測，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的全自動(dòng)跟蹤，能做到同步無偏差地跟蹤太陽，大大提高了太陽能的接收效率。近年來，中央氣象局、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等單位分別對(duì)太陽跟蹤的算法進(jìn)行了研究，并且都取得了一定的成果。但總體來說，在我國，太陽跟蹤技術(shù)仍不是十分成熟，從事太陽跟蹤研究的人還不多，而且大部分處于理論研究階段，實(shí)際產(chǎn)品還很少見。 本課題的主要內(nèi)容及章節(jié)安排本文完成了基于CMOS圖像傳感器的太陽跟蹤控制器的設(shè)計(jì)，利用CMOS圖像傳感器采集太陽圖像，經(jīng)過數(shù)字圖像處理后獲取跟蹤偏差。改進(jìn)后的太陽跟蹤控制器具有較高的跟蹤精度和可靠性。基于本課題的研究內(nèi)容和主要工作，本文的結(jié)構(gòu)如下：第一章主要介紹了選題背景、目的和意義，以及國內(nèi)外太陽跟蹤的研究現(xiàn)狀及發(fā)展。第二章介紹了基于CMOS圖像傳感器的太陽跟蹤控制器的總體方案設(shè)計(jì)、CMOS圖像采集方案及圖像分析計(jì)算。第三章介紹了太陽跟蹤控制器的硬件部分設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)驅(qū)動(dòng)接口電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、限位裝置和通信電路等。第四章介紹了太陽跟蹤控制器的軟件部分設(shè)計(jì)，主要包括采用Visual C++、跟蹤控制器的主程序設(shè)計(jì)、太陽高度角與方位角的軟件算法、跟蹤控制器校準(zhǔn)原理、基于MCC實(shí)現(xiàn)VC與MATLAB聯(lián)合編程以及單片機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)等。第五章對(duì)課題的主要研究成果進(jìn)行總結(jié)，給出下一步工作的展望。2 太陽跟蹤控制器整體方案設(shè)計(jì)及圖像采集該系統(tǒng)主要由平面鏡跟蹤裝置、控制和驅(qū)動(dòng)電路、方位限位電路、CMOS圖像傳感器(附巴德膜濾波片)等部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖21所示。圖21系統(tǒng)的總體框圖太陽跟蹤控制器工作過程為：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Sun Position函數(shù)，獲取太陽的高度角與方位角，并轉(zhuǎn)化為俯仰和水平電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，通過RS485總線與單片機(jī)通信，驅(qū)動(dòng)水平、俯仰兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)太陽的跟蹤。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤結(jié)束后，VC調(diào)用MATLAB函數(shù)，控制圖像傳感器拍攝太陽圖片，經(jīng)圖像處理后輸出。而限位裝置可保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)，停在正確的位置，防止電機(jī)過位運(yùn)轉(zhuǎn)。 CMOS圖像采集 圖像傳感器選型圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD,CMOS以及CIS傳感器三種。CMOS工藝是超大規(guī)模集成電路的主流工藝，集成度高，可以根據(jù)需要將多種功能集成在一塊芯片上。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)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器相比，把整個(gè)圖像系統(tǒng)集成一塊芯片上，不僅降低了功耗，而且具有重量輕、空間占有小以及總體價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。目前CMOS型不僅價(jià)格低廉,而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出,軟件可編程控制,大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度,提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、抗干擾性和穩(wěn)定性。CMOS圖像傳感器滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。本課題采用羅技公司的QuickCam系列網(wǎng)絡(luò)攝像頭,具有功耗小、成本低、單一電源驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)集成等特點(diǎn)。其開窗特征可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置有效圖像數(shù)據(jù)窗口的大小,從而避免了對(duì)無效數(shù)據(jù)的采集,減小存儲(chǔ)空間。由于太陽光十分強(qiáng)烈,因此在圖像采集時(shí),需要給攝像頭加上巴德膜濾波片。實(shí)驗(yàn)表明加兩層濾波片后,所得到的圖像效果較佳。傳統(tǒng)的方法是使用中性灰濾光鏡。但從節(jié)約成本考慮，本課題采用的是更加新型的濾光方式，選用來自德國的發(fā)明專利——巴德太陽觀察保護(hù)膜AstroSolar TM。巴德膜是一種鍍了金屬的樹脂膜，可以用于目視和拍照。它很薄，光學(xué)質(zhì)量優(yōu)異，目前可以買到的巴德膜有兩種密度，(目視)(拍照)。用于天文觀測太陽，一般很難透光，只有在強(qiáng)光條件下才可以看到光。圖22和圖23分別為攝像頭加單層濾波片和雙層濾波片所拍攝的太陽位置圖片。（a）原始圖像 （b）二值圖像圖22攝像頭加單層巴德膜拍攝的太陽照片（a）原始圖像 （b）二值圖像圖23攝像頭加雙層巴德膜拍攝的太陽照片 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、圖像分割。 彩色圖像轉(zhuǎn)灰度圖像。通常，用攝像頭獲取的圖像是彩色圖像，它由R, G ,B3個(gè)單色調(diào)配而成，各種單色都人為地從0255分成了256個(gè)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=16777216種顏色。通常數(shù)字圖像的處理是先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后再對(duì)灰度圖像進(jìn)行處理。彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像的公式如下： Y = + + (21)中值濾波圖像在拍攝或者傳輸過程中總會(huì)添加一些噪聲，這樣就影響了圖像的質(zhì)量。進(jìn)行中值濾波可以有效消除這些噪聲，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了圖像的平滑。中值濾波是一種去除噪聲的非線性處理方法，是由Turky在1971年提出的。基本原理是：把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替。中值的定義如下：一組數(shù)把n個(gè)數(shù)的大小順序排列如下： Y=Med= (22)y稱為序列的中值。把一個(gè)點(diǎn)的特定長度或形狀的領(lǐng)域稱作窗口。在一維情形下，中值濾波器是一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)像素的滑動(dòng)窗口，窗口正中間那個(gè)像素的值用窗口內(nèi)各像素值的中值代替。設(shè)輸入序列為, I為自然數(shù)集合或子集，窗口長度為n，則濾波器的輸出為： (23)其中：i在二維情形下，可以用某種形式的二維窗口。設(shè), 表示數(shù)字圖像各點(diǎn)的灰度值，濾波窗口為A的二維中值濾波可定義為： = Med=Med (24)圖像分割處理圖像分割技術(shù)是把圖像分成各具特性的區(qū)域并提取出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過程，它是由圖像處理躍入圖像分析的關(guān)鍵步驟。其目的是將目標(biāo)和背景分離，為目標(biāo)識(shí)別、精確定位等后續(xù)處理提供依據(jù)?；谶@種面向最終分析目的的思想，可選擇相對(duì)形狀測度、相對(duì)均勻測度和錯(cuò)分概率作