【導讀】太陽能的利用已經(jīng)滲透到社會各方面，但太陽能利用效率低這一問題。一直影響和阻礙著太陽能技術的普及和發(fā)展。為提高太陽能利用效率而進行太陽自動跟蹤。控制器的研究，有著重大而深遠的意義。實驗結(jié)果表明,該裝置實現(xiàn)了太陽自動跟蹤的目的,具有較高的跟蹤精度。本課題完成了跟蹤控制器的硬件設計和軟件設計。硬件設計主要包括：跟蹤器控制電。路、步進電機驅(qū)動電路、圖像采集電路、限位信號采集電路和串口通訊電路等。取跟蹤偏差、基于MCC實現(xiàn)VC++與MATLAB聯(lián)合編程。通過對實測數(shù)據(jù)的分析表明:. 實驗結(jié)果表明，跟蹤控制器在可靠。性、跟蹤精度、抗干擾性等方面均得到了有效的提高。最后，給出了本課題的工作總結(jié)和進一步研究的方向。

　　

【正文】 ]=(unsigned char)((uA_Stepamp。0xff00)8)。 Command[5]=(unsigned char)(uH_Stepamp。0xff)。 Command[6]=(unsigned char)((uH_Stepamp。0xff00)8)。 } 圖像處理模塊 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 23 圖像處理部分算法采用 軟件編寫。針對攝像頭采集太陽圖像的特點，本課題設計的 MATLAB 的 M 文件函數(shù)流程圖如圖 44 所示。 圖 像 傳 感 器 初 始 化 采 集 一 幀 圖 像 圖 像 灰 度 變 換圖 像 增 強（ G a m m a 校 正 + 中 值 濾 波 ）利 用 O T S U 算法 轉(zhuǎn) 化 為 二值 圖 像進 行 圖 像B L O B 分 析獲 取 光 斑 信 息獲 取 跟 蹤 誤 差轉(zhuǎn) 為 校 正 步 數(shù)保 存 相 關 信 息 圖 44 M 文件函數(shù)流程圖 PC 機與單片機通信模塊 VC 通過調(diào)用 Windows API 函數(shù)實現(xiàn)與單片機間數(shù)據(jù)的傳遞，實現(xiàn)太陽的實時跟蹤。 利用 Windows API 函數(shù)實現(xiàn)串口操作 Windows 串口通信的工作機理 Windows 是一個事件驅(qū)動的并與設備無關的多用戶操作系統(tǒng)。同時 Windows 禁止應用程序直接和硬件交互，程序員只能通過 Windows 提供的驅(qū)動程序管理硬件。 Windows 系統(tǒng)充當了應用程序與硬件之間的中介。 Windows 系統(tǒng)為每個通信設備 開辟了用戶定義的輸入 /輸出緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)進出通信口均由系統(tǒng)后臺完成。串口和其他通信設備都是作為文件進行處理的。串口的打開、關閉、讀取和寫入所用的函數(shù)與操作文件的函數(shù)完全一樣。 通常以下面的步驟來實現(xiàn)通信控制： (1)設置串口號碼； (2)使用 Create File()函數(shù)打開串口； (3)設置通信協(xié)議； (4)設置傳輸速度等參數(shù)； (5)設置其他參數(shù)； (6)送出字符串或讀入字符串，使用 Read File()及 Write File()函數(shù)； (7)使用完畢后用 Close Handle()函數(shù)將串口關閉； PC 機與單片機通信協(xié)議 本課題的 PC 機與單片機通信共為 7 個字節(jié)，具體格式如下： Struct Package { unsigned char uPackHead1； //包頭 1，固定為 0xAA unsigned char uPackHead2； //包頭 2，固定為 0x55 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 24 unsigned char uMotorStatus； //狀態(tài)字節(jié) unsigned char uAzimuthH； //水平運行步數(shù)低位字節(jié) unsigned char uAzimuthL； //水平運行步數(shù)高位字節(jié)，高位為 1 則電機反轉(zhuǎn) unsigned char uHeightH； //俯仰運行步數(shù)低位字節(jié) unsigned char uHeightL； //俯仰運行步數(shù)高位字節(jié)，高位為 1 則電機反轉(zhuǎn) } 其中狀態(tài)位各位定義為：當 6 兩位同時為 1 時，系統(tǒng)復位；復位成功返回 AA，錯誤返回 55。 表 41 通信狀態(tài)位定義 7 6 5 4 3 2 1 0 保留 0:正常； 1：水平復位 0:正常； 1：俯仰復位 地址 控制平臺手動調(diào)整模塊 上位機控制平臺的手動調(diào)整部分分為三部 分： 太陽位置按鈕和校準按鈕。該部分功能為系統(tǒng)在復位結(jié)束狀態(tài)下，點擊太陽位置按鈕實現(xiàn)太陽的一次跟蹤。系統(tǒng)在初次安裝或更換位置時需要運行太陽位置按鈕和校準按鈕實現(xiàn)系統(tǒng)的校準。 復位按鈕，此按鈕用于系統(tǒng)復位。 四方向手動調(diào)整按鈕，系統(tǒng)運行出現(xiàn)偏差或進行校準時采用四方向手動調(diào)整按鈕，俯仰按鈕對應調(diào)整（ 18/52）、方位按鈕對應調(diào)整（ 18/100）。 跟蹤裝置初次安裝或更換位置以及跟蹤過程出現(xiàn)偏差時需要上位機控制平臺中 “手動調(diào)整 ”部分進行調(diào)整。其中四個方位按鈕控制步進電機在對應方向上的單步運行，同時程序保 存調(diào)整后的相關參數(shù)，跟蹤系統(tǒng)出現(xiàn)誤差時可以手動調(diào)整此部分消除偏差。 跟蹤裝置初次安裝或更換位置時需要進行 “校準 ”設置。 “校準 ”設置過程如下：首先運行 “太陽位置 ”按鈕，跟蹤裝置根據(jù)上位機計算出的太陽高度角與方位角，自動運轉(zhuǎn)至理論的跟蹤位置，此時一般存有偏差，當手動按鈕微調(diào)使光斑處于圖像中心時，按下 “校準 ”按鈕，系統(tǒng)會自動生成一個 的系統(tǒng)配置文件，文件內(nèi)保存校準后的基準比較值。此時 “校準 ”過程結(jié)束。該文件在程序初始化時調(diào)用，用來消除跟蹤裝置本身存在的誤差。系統(tǒng)校準流程如圖 45 所示。 以 “方位 +”按鈕為例，其 ID 號為： IDC_AZIMUTHP，程序響應過程如下： void CTimertestDlg::OnAzimuthp()//“方位 +”按鈕按下時的消息響應函數(shù) { SendAdjCommand(AZIMUTH_F)。//調(diào)用 SendAdjCommand(CommandID)函數(shù) nAzimuthCal=10。 //nAzimuthCal 用于配置 系統(tǒng)文件 } 其中 SendAdjCommand(unsigned int CommandID)函數(shù)如下： 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 25 開 始太 陽 跟 蹤光 斑 處 于 圖 像 中 心 ？手 動 調(diào) 整N光 斑 處 于 圖 像 中 心 ？校 準保 存 文 件Y復 位結(jié) 束YN 圖 45 系統(tǒng)校準流程圖 void CTimertestDlg::SendAdjCommand(unsigned int CommandID) { Command[0]=(unsigned char)0xAA。 Command[1]=(unsigned char)0x55。 Command[2]=(unsigned char)Addramp。(unsigned char)0x1f。 switch(CommandID) { case +”對應的 CommandID Command[3]=(unsigned char)10。 Command[4]=(unsigned char)0。 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 26 Command[5]=(unsigned char)0。 Command[6]=(unsigned char)0。 break。 case ”對應的 CommandID … case +”對應的 CommandID … case ”對應的 CommandID … } SendByte(hComm,Command,7)。//PC 機將控制字節(jié)打包后送單片機執(zhí)行 } 控制平臺太陽圖像動態(tài)顯示模塊 為了使控制平臺具有較好的人機交互界面，同時能夠方便的對太陽運行狀態(tài)及系統(tǒng)跟蹤誤差進行觀察，在控制平臺中增加顯示控件，使其實時將圖像傳感器采集到的太陽圖像動態(tài)的顯示出來。在控件中顯示位圖分為靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。靜態(tài)法就是用 的資源器，需要先在資源視圖中引入一張所要顯示的位圖。這種方法有一個明顯的缺點，就是位圖必須先存在并且程序運行時此 位圖禁止改變。顯然靜態(tài)法無法滿足需要，本小節(jié)介紹如何將圖像傳感器采集的太陽圖像動態(tài)的顯示在控制平臺中。程序首先判斷定時器設置時間（即動態(tài)顯示時間間隔）是否結(jié)束，在定時器響應函數(shù)中執(zhí)行動態(tài)顯示太陽圖像的程序。控制平臺中動態(tài)顯示太陽圖像的流程如圖 46 所示，其中顯示太陽圖像部分的流程圖如圖47 所示。 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 27 開 始時 間 到 ？裝 載 太 陽 圖 像Y顯 示 太 陽 圖 像結(jié) 束N 圖 46 太陽圖像動態(tài)顯示流程圖 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 28 開 始定 義 類 的 對 象裝 載 位 圖 資 源調(diào) 用 L o a d I m a g i n e 函 數(shù)獲 取 位 圖 格 式調(diào) 用 G e t B i t m a p 函 數(shù)創(chuàng) 建 內(nèi) 存 D C調(diào) 用 C r e a t C o m p a t i b l e D C 函 數(shù)將 位 圖 導 入 內(nèi) 存 D C調(diào) 用 函 數(shù) S e l e c t O b j e c t 函 數(shù)顯 示 位 圖調(diào) 用 S r e t c h B l t 函 數(shù)結(jié) 束 圖 47 VC 顯示位圖流程圖 太陽圖像動態(tài)顯示模塊部分代碼如下： void CTimertestDlg::OnTimer(UINT nIDEvent) { Cbitmap hbmp。 HBITMAP hbitmap。 Cstatic*pStaic。//定義類 pStaic=(CStatic*)GetDlgItem(IDC_IMAGE)。//將 pStatic 指向要顯示的地方 hbitmap=(HBITMAP)::LoadImage(::AfxGetInstanceHandle(), ,IMAGE_BITMAP,0,0,LR_LOADFROMFILE|LR_CREATEDIBSECT ION)。(hbitmap)。//裝載圖像傳感器拍攝的太陽圖像 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 29 BITMAP bm。 (amp。bm)。//獲取圖片格式 CDC dcMem。 (GetDC())。//創(chuàng)建內(nèi)存 DC Cbitmap*poldBitmap=(CBitmap*)(hbmp)。 Crect lRect。 pStaicGetClientRect(amp。lRect)。 ()。 pStaicGetDC()StretchBlt(,(),(),amp。d cMem,0,0,SRCCOPY)。//顯示位圖 (amp。poldBitmap)。 } VC 與 MATLAB 聯(lián)合編程模塊 Visual C++是由 Microsoft 公司推出的可視化編程語言，是目前綜合性最高、最強大的軟件開發(fā)工具之一。 Matlab 是一個集科學計算、圖像處理、聲音處理于一體的高度集成系統(tǒng)，利用豐富的函數(shù)資源，以其強大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的工具箱使編程極為簡單，可大幅縮短應用程序開發(fā)周期，提高編程效率。在實際中如果能夠把 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)提供更強大的技術支持。 單片機通信及控制部分 太陽跟蹤控制器的軟件分為兩部分，一是上位機部 分程序設計，前面已經(jīng)介紹，另一部分為控制器程序設計?？刂破鬈浖O計采用模塊化設計的方法，主要分為如下幾個軟件模塊：主程序模塊、串行口中斷處理模塊、正常跟蹤處理模塊、串行口中斷復位處理模塊等。圖 48 所示的是單片機部分跟蹤控制主程序模塊流程圖。先對串行口進行初始化，進而步進電機相位初始化，然后將控制字及步進電機步數(shù)送到單片機執(zhí)行。 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 30 開 始串 行 口 初 始化步 進 電 機 相 位 初 始 化讀 入 控 制 字讀 入 步 進 電 機 運 行 步 數(shù)判 斷 復 位 否等 待 P C 機 命 令Y水 平 復 位俯 仰 復 位N執(zhí) 行 P C 機 命令 圖 48 單片機部分程序流程圖 華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文） 31 結(jié) 論 針對 本課題研究了基于 CMOS 圖像傳感 器的太陽能跟蹤控制器，該跟蹤控制器可以連續(xù)跟蹤太陽的角度變化 ,更準確實現(xiàn)對太陽運動的跟蹤。當出現(xiàn)陰天或多云情況下 ,系統(tǒng)調(diào)用時鐘算法 ,使得裝置連續(xù)跟蹤。經(jīng)過實驗測試 ,各項指標均達到了設計要求?？刂破鞑捎玫退偬幚砥鲗崿F(xiàn)了對太陽光斑的采集及定位 ,可應用于各種太陽能設備 ,提高太陽能的利用率。如果使用步進電動機的微步距控制技術 ,即用細分技術實現(xiàn)將步進電動機一個整步均分為若干個更細的微步 ,可以使整個控制系統(tǒng)更加精準 ,可用來實現(xiàn)對各種點光源的檢測。論文的主要研究工作和取得的成果總結(jié)如下： 詳細研究當前國內(nèi)外太陽能利用 現(xiàn)狀和幾種太陽自動跟蹤方式，在分析比較常用的跟蹤方式后，設計一種基于 COMS 圖像傳感器的太陽自動跟蹤控制器 ,該裝置實現(xiàn)了太陽自動跟蹤的目的 ,具有較高的跟蹤精度 上位機通過 MCC 實現(xiàn) VC++與 Matlab 聯(lián)合編程 ,實時控制圖像傳感器獲取太陽光斑圖像。經(jīng) Matlab 計算 ,得到太陽光斑質(zhì)心坐標與圖像中心坐標的偏差 ,轉(zhuǎn)化為水平和俯仰的步進電機需調(diào)整的步數(shù) ,進而實時調(diào)整平面鏡跟蹤裝置 ,使太陽光斑始終在圖像中心位置。 根據(jù)跟蹤系統(tǒng)總體方案的設計完成硬件部分設計，主要工作包括：跟蹤器控制電路、步進電機驅(qū)動電路、 圖像采集電路、限位信號采集電路和通信電路等。 根據(jù)跟蹤系統(tǒng)總體方案的設計完成軟件部分設計，主要工作包括：采用 VC 編寫人機交互控制平臺、設計 MATLAB 算法進行圖像處理并獲取跟蹤偏差、基于 MCC 實現(xiàn) VC 與MATLAB 聯(lián)合編程。