【正文】 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)動電路、 圖像采集電路、限位信號采集電路和通信電路等?？刂破鞑捎玫退偬幚砥鲗?shí)現(xiàn)了對太陽光斑的采集及定位 ,可應(yīng)用于各種太陽能設(shè)備 ,提高太陽能的利用率。先對串行口進(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。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。//顯示位圖 (amp。lRect)。 (GetDC())。//裝載圖像傳感器拍攝的太陽圖像 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。 Cstatic*pStaic。程序首先判斷定時器設(shè)置時間（即動態(tài)顯示時間間隔）是否結(jié)束，在定時器響應(yīng)函數(shù)中執(zhí)行動態(tài)顯示太陽圖像的程序。在控件中顯示位圖分為靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。 Command[6]=(unsigned char)0。(unsigned char)0x1f。//調(diào)用 SendAdjCommand(CommandID)函數(shù) nAzimuthCal=10。此時 “校準(zhǔn) ”過程結(jié)束。 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(jī)控制平臺中 “手動調(diào)整 ”部分進(jìn)行調(diào)整。該部分功能為系統(tǒng)在復(fù)位結(jié)束狀態(tài)下，點(diǎn)擊太陽位置按鈕實(shí)現(xiàn)太陽的一次跟蹤。串口和其他通信設(shè)備都是作為文件進(jìn)行處理的。 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 是一個事件驅(qū)動的并與設(shè)備無關(guān)的多用戶操作系統(tǒng)。0xff00)8)。0xff00)8)。(unsigned char)0x1f。 } 拼裝控制包送單片機(jī)驅(qū)動部分代碼如下： void CTimertestDlg::AssembleData() { char Command[7]。fInteger)。 //nAzimuth0 保存電機(jī)已運(yùn)行步數(shù) uA_Step=GetInteger(amp。 //AzimuthRatio=(),HeightRatio=() //fCurrentSunAzimuth 為當(dāng)前太陽方位角角度 //fCurrentSunHeight 為當(dāng)前太陽高度角角度 fA_Step=nAzimuth0。最后拼裝控制包送單片機(jī)驅(qū)動。函數(shù)采用國際編法，不但對太陽運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行年度修訂，而且通過對章動、歲差旋轉(zhuǎn)矩陣的計(jì)算得到太陽的真赤經(jīng)與真赤緯，從而獲取更加精確的太陽位置參數(shù)。圖 42 所示的是主控制界面下 “設(shè)置 ”按鈕的對話框。同時，在視日運(yùn)動軌跡跟蹤完畢后，調(diào)用MATLAB 編譯生成的 DLL 文件，控制攝像頭采集太陽圖片，根 據(jù)太陽光斑質(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)動步進(jìn)電機(jī)反饋校正跟蹤系統(tǒng)。 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 太陽跟蹤控制器軟件部分設(shè)計(jì) 根據(jù)太陽跟蹤控制器實(shí)現(xiàn)的功能要求，本章主要介紹以下幾個模塊：主函數(shù)模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、太陽角度計(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。其中 RO和 DI 端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機(jī)連接時只需分別與單片機(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，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng) DE 為邏輯 1 時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)?MAX485 工作在半雙工狀態(tài)，所以只需要一個信號控制 MAX485 的接收和發(fā)送即可； A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當(dāng) A 引腳的電平高于 B 時 ，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1；當(dāng) A 的電平低于 B 端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0。 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，停在正確的位置，防止電機(jī)過位運(yùn)轉(zhuǎn)。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 176。仍以二相步進(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)、 B 相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子將停在、 B 相磁極中間。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 時電流下凹的問題，使電機(jī)在低頻段力矩增大。使用 L298N 芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(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；而且電路簡單，使用比較方便。圖 31 所示為太陽跟蹤控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖。 太陽光斑質(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 太陽光斑質(zhì)心在第 II 象限 圖 29 為太陽光斑在第 II 象限，光斑圖像坐標(biāo) (237， 61)，光斑個 數(shù)為 1，對應(yīng) FYP 校正步數(shù)為 25， FWP 校正步數(shù)為 77。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 ()。采用圖像坐標(biāo)表示時，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)。 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)域的個數(shù)，在進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)時，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 斑個數(shù)將會作為是否存在干擾的判斷依據(jù)。regionprops 函數(shù)是用來度量圖像區(qū)域?qū)傩缘暮瘮?shù)。波門跟蹤算法可分為兩種，即邊緣跟蹤和形心跟蹤。算出每個灰度出現(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 , =?；谶@種面向最終分析目的的思想，可選擇相對形狀測度、相對均勻測度和錯分概率作為評估算法優(yōu)劣的準(zhǔn)則。在一維情形下，中值濾波器是一個含有奇數(shù)個像素的滑動窗口，窗口正中 間那個像素的值用窗口內(nèi)各像素值的中值代替。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。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。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。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。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 ,從而避免了對無效數(shù)據(jù)的采集 ,減小存儲空間。與傳統(tǒng)的 CCD 圖像傳感器相比，把整個圖像系統(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格低的優(yōu)點(diǎn)。而限位裝置可保證電機(jī)運(yùn)行時，停在正確的位置，防止電機(jī)過位運(yùn)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） 5 2 太陽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。 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。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。 就現(xiàn)階段國內(nèi)對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，普遍采用半自動單軸跟蹤方式。 20xx 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，整個設(shè)施由 400 個太陽跟蹤托盤， 14400 個電池板組成。 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跟蹤，但南北方向通過手動調(diào)節(jié)，接收器的熱接收率提高了 15%。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。解決這一問題應(yīng)從兩個方面入手，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。中國太陽能輻射主要特點(diǎn)西部高于東部、北方高于南方。中國擁有豐富的太陽輻射能資源，太陽能的年輻射總量超過 102kw通過光合作用收集與儲存太陽能。這也是利用太陽能的一個途徑。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。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 ”。光熱轉(zhuǎn)換提供的熱能一般溫度都較低，小于或等于 100℃ 。為克服夜間沒有太陽直接輻射，就需要研制和配備儲能設(shè)備，以便在晴天時把太陽能收集并存儲起來，供夜晚或陰雨天便用。當(dāng)太陽高度角越大，或者說太陽輻射入射角越小，也就是越接近于正射時．地面上同一水平面內(nèi)所接收到的太陽能就越多。 不穩(wěn)定性。因此太陽能資源是可替代能源中最引人注目、開發(fā)研究最多、應(yīng)用最廣的清潔能源。這在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天顯得尤為重要。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的 “無限性 ”，取之不盡，用之不竭。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。 VC++ 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 摘 要 .............................................................................................................................................. I Abstract ........................................................................................................................................... II 1 緒論 ............................................................................................................................................. 1 課題研究的背景及意義 .......................................................................................................... 1 國內(nèi)外太陽跟蹤的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 現(xiàn)狀 .............................................................................. 2 本課題的主要內(nèi)容及章節(jié)安排 .............................................................................................. 3 2 太陽跟蹤控制器整體方案設(shè)計(jì)及圖像采集 ............................................................................. 5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ........................................................................................................................... 5 CMOS 圖像采集 ............................................................................................