【正文】 個(gè)設(shè)施由 400 個(gè)太陽(yáng)跟蹤托盤， 14400 個(gè)電池板組成。但總體來說，在我國(guó)，太陽(yáng)跟蹤技術(shù)仍不是十分成熟，從事太陽(yáng)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。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 太陽(yáng)跟蹤控制器整體方案設(shè)計(jì)及圖像采集 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 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。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)。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(guó)的發(fā)明專利 ——巴德太陽(yáng)觀察保護(hù)膜 AstroSolar TM。根據(jù) R, G ,B 的不同組合，獲取的彩色圖像可以表示華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 256256256=16777216 種顏色。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。算出每個(gè)灰度出現(xiàn)的概率 (2)根據(jù)閾值把圖像分成目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域 : =, = (26) 計(jì)算這兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的概率 ,及平均值 , , (27) 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 (3)計(jì)算的 ,方 差 , =。regionprops 函數(shù)是用來度量圖像區(qū)域?qū)傩缘暮瘮?shù)。采用圖像坐標(biāo)表示時(shí)，以圖片左上頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，故圖像中心坐標(biāo)為 (160,120)。 太陽(yáng)光斑質(zhì)心在第 II 象限 程序執(zhí)行結(jié)果如下： 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 （ a）原始圖像 (b)二值化圖像 （ c）原始圖像加質(zhì)心標(biāo)記 圖 29 太陽(yáng)光斑質(zhì)心在第 II 象限 圖 29 為太陽(yáng)光斑在第 II 象限，光斑圖像坐標(biāo) (237， 61)，光斑個(gè) 數(shù)為 1，對(duì)應(yīng) FYP 校正步數(shù)為 25， FWP 校正步數(shù)為 77。使用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；并可以直接用單片機(jī)的 I/O 接口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。仍以二相步進(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)、 B 相繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將停在、 B 相磁極中間。 a) b) c) d) 圖 34 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理圖 限位裝置 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)。 圖 36 MAX485 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 37 串口通訊電路接口圖 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 4 太陽(yáng)跟蹤控制器軟件部分設(shè)計(jì) 根據(jù)太陽(yáng)跟蹤控制器實(shí)現(xiàn)的功能要求，本章主要介紹以下幾個(gè)模塊：主函數(shù)模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、太陽(yáng)角度計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖像處理模塊、聯(lián)合編程模塊、通信模塊、其他功能模塊。圖 42 所示的是主控制界面下 “設(shè)置 ”按鈕的對(duì)話框。最后拼裝控制包送單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。 //nAzimuth0 保存電機(jī)已運(yùn)行步數(shù) uA_Step=GetInteger(amp。 } 拼裝控制包送單片機(jī)驅(qū)動(dòng)部分代碼如下： void CTimertestDlg::AssembleData() { char Command[7]。0xff00)8)。 利用 Windows API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口操作 Windows 串口通信的工作機(jī)理 Windows 是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的并與設(shè)備無(wú)關(guān)的多用戶操作系統(tǒng)。該部分功能為系統(tǒng)在復(fù)位結(jié)束狀態(tài)下，點(diǎn)擊太陽(yáng)位置按鈕實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)的一次跟蹤。此時(shí) “校準(zhǔn) ”過程結(jié)束。(unsigned char)0x1f。在控件中顯示位圖分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。 Cstatic*pStaic。 (GetDC())。//顯示位圖 (amp。先對(duì)串行口進(jìn)行初始化，進(jìn)而步進(jìn)電機(jī)相位初始化，然后將控制字及步進(jìn)電機(jī)步數(shù)送到單片機(jī)執(zhí)行。 根據(jù)跟蹤系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)完成硬件部分設(shè)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)采集電路和通信電路等?？刂破鞑捎玫退偬幚砥鲗?shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)光斑的采集及定位 ,可應(yīng)用于各種太陽(yáng)能設(shè)備 ,提高太陽(yáng)能的利用率。在實(shí)際中如果能夠把 Matlab 與 VC++混合編程，將大大減少編程的工作量，并且繼承良好的用戶界面，為科研工作和工程開發(fā)提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持。lRect)。//裝載圖像傳感器拍攝的太陽(yáng)圖像 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 BITMAP bm。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，在定時(shí)器響應(yīng)函數(shù)中執(zhí)行動(dòng)態(tài)顯示太陽(yáng)圖像的程序。 Command[6]=(unsigned char)0。//調(diào)用 SendAdjCommand(CommandID)函數(shù) nAzimuthCal=10。 跟蹤裝置初次安裝或更換位置以及跟蹤過程出現(xiàn)偏差時(shí)需要上位機(jī)控制平臺(tái)中 “手動(dòng)調(diào)整 ”部分進(jìn)行調(diào)整。串口和其他通信設(shè)備都是作為文件進(jìn)行處理的。0xff00)8)。(unsigned char)0x1f。fInteger)。 //AzimuthRatio=(),HeightRatio=() //fCurrentSunAzimuth 為當(dāng)前太陽(yáng)方位角角度 //fCurrentSunHeight 為當(dāng)前太陽(yáng)高度角角度 fA_Step=nAzimuth0。函數(shù)采用國(guó)際編法，不但對(duì)太陽(yáng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行年度修訂，而且通過對(duì)章動(dòng)、歲差旋轉(zhuǎn)矩陣的計(jì)算得到太陽(yáng)的真赤經(jīng)與真赤緯，從而獲取更加精確的太陽(yáng)位置參數(shù)。同時(shí)，在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤完畢后，調(diào)用MATLAB 編譯生成的 DLL 文件，控制攝像頭采集太陽(yáng)圖片，根 據(jù)太陽(yáng)光斑質(zhì)心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)的偏差轉(zhuǎn)化為 FYP 和 FWP 校正步數(shù)，再次送給單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)反饋校正跟蹤系統(tǒng)。其中 RO和 DI 端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD 和 TXD 相連即可； /RE 和 DE 端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng) /RE 為邏輯 0 時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng) DE 為邏輯 1 時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)?MAX485 工作在半雙工狀態(tài)，所以只需要一個(gè)信號(hào)控制 MAX485 的接收和發(fā)送即可； A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng) A 引腳的電平高于 B 時(shí) ，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1；當(dāng) A 的電平低于 B 端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0。細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)步距角按下列方法計(jì)算：步距角 =電機(jī)固有步距角 /細(xì)分?jǐn)?shù)例如：一臺(tái) 176。重復(fù)上述過程，使繞組電流的平均值恒定，電流波形的波頂維持在預(yù)定數(shù)值上，解決了高低壓電路在低頻段工作 時(shí)電流下凹的問題，使電機(jī)在低頻段力矩增大。圖 31 所示為太陽(yáng)跟蹤控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖。跟蹤裝置中方位步進(jìn)電機(jī)每走一步實(shí)際走過 ()，俯仰步進(jìn)電機(jī)每走一步實(shí)際走過 ()。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 24 區(qū)域質(zhì)心求取示意圖 （ a）圓形質(zhì)心 （ b）橢圓質(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)域內(nèi)） （ f）不規(guī)則形狀質(zhì)心（區(qū)域外） 圖 25 幾種不同形狀的圖形質(zhì)心檢測(cè)結(jié)果 根據(jù)標(biāo)注矩陣可以方便的給出二值圖像中亮斑區(qū)域的個(gè)數(shù)，在進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，亮華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 斑個(gè)數(shù)將會(huì)作為是否存在干擾的判斷依據(jù)。波門跟蹤算法可分為兩種，即邊緣跟蹤和形心跟蹤?；谶@種面向最終分析目的的思想，可選擇相對(duì)形狀測(cè)度、相對(duì)均勻測(cè)度和錯(cuò)分概率作為評(píng)估算法優(yōu)劣的準(zhǔn)則。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。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(yáng)位置圖片。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(wú)效數(shù)據(jù)的采集 ,減小存儲(chǔ)空間。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)。 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 圖像采集方案及圖像分析計(jì)算。 就現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)跟蹤控制器的研究情況來看，由于受太陽(yáng)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。 1997 年美國(guó) 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(yáng)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%。解決這一問題應(yīng)從兩個(gè)方面入手，一是提高太陽(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，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。中國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)輻射能資源，太陽(yáng)能的年輻射總量超過 102kw這也是利用太陽(yáng)能的一個(gè)途徑。將太陽(yáng)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 ”。為克服夜間沒有太陽(yáng)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(yáng)能收集并存儲(chǔ)起來，供夜晚或陰雨天便用。 不穩(wěn)定性。這在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天顯得尤為重要。能源短缺，礦物燃料減少和污染增加，彼此互相關(guān)聯(lián)，威脅著人類的正常生活和持續(xù)發(fā)展。步進(jìn)電機(jī) 。 本課題完成了跟蹤控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。為提高太陽(yáng)能利用效率而進(jìn)行太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制器的研究，有著重大而深遠(yuǎn)的意義。 最后，給出了本課題的工作總結(jié)和進(jìn)一步研究的方向。幾十年來，能源問題一直是舉世矚目的重大問題之一。這就決定了開發(fā)利用太陽(yáng)能資源將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的有效途徑之一。 但是，太陽(yáng)能也不可避免地存在一些缺點(diǎn)，致使它未能迅速的大面積推廣應(yīng)用。 間歇性。較高一些的也只有幾百攝氏度。運(yùn)用該技術(shù)可直接將太陽(yáng)光導(dǎo)入室 內(nèi)，適用于各種需要采集自然光的場(chǎng)合。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。這樣來說，如何最大限度的提高太陽(yáng)能利用率在當(dāng)今社會(huì)顯得尤為重要。本課題為提高利用太陽(yáng)能效率而進(jìn)行太陽(yáng)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(yáng)能應(yīng)用具有重大而深遠(yuǎn)的意義。這些太陽(yáng)跟蹤托盤設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為全年每天根據(jù)太陽(yáng)不同的位置跟蹤陽(yáng)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。 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(yáng)跟蹤控制器的設(shè)計(jì)，利用 CMOS 圖像傳感器采集太陽(yáng)圖像，經(jīng)過數(shù)字圖像處理后獲取跟蹤偏差。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 21 所示。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。巴德膜是一種鍍了金屬的樹脂膜，可以用于目視和拍照。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。設(shè)輸入序列為 , I 為自然數(shù)集合或子集，窗口長(zhǎng)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。= (28) (4)計(jì)算類內(nèi)方差、類間方差、總體方差 =+, , =+ (29) 計(jì)算新閾值 = 和 ， k=k+1, 回到 (29)迭代計(jì)算，直到 時(shí)迭代結(jié)束，此時(shí)的閾值即為最優(yōu)解。在調(diào)用 regionprops 之前必須將二值圖像轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)注矩陣。其中 FYP、 FYM 、 FWP、 FWM華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 分別對(duì)應(yīng)上位機(jī)控制平臺(tái)中 “俯仰 +”、 “俯仰 ”、 “方位 +”、 “方位 ”運(yùn)行步數(shù)。 太陽(yáng)光斑質(zhì)心在第 III 象限 程序執(zhí)行結(jié)果如下： （ a）原始圖像 (b)二值化圖像 （ c）原始圖像加質(zhì)心標(biāo)記 圖 210 太陽(yáng)光斑質(zhì)心在第 III 象限 圖 210 為太陽(yáng)光斑在第 III 象限，光斑圖像坐標(biāo) (151， 159)，光斑個(gè)數(shù)為 1，對(duì)應(yīng) FYP 校正步數(shù)為 16， FWP 校正步數(shù)為 10。 圖 33 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 以兩相步進(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖信號(hào)和一個(gè)正方向信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后，給電機(jī)繞組通電的順序?yàn)?A， B, A， B 其四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；若方向信號(hào)變?yōu)樨?fù)時(shí)，通電時(shí)序就變?yōu)?A， B， A， B,電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若通電方向順序按 A A， BB BB， AA AA， AA， BB BB， BB， AA ,BB8 個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步，為 45 度， 8 個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 一周。采用限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，限位開關(guān)是 一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器