【正文】 （ 214） 由式 21 214 可知：光斑處于第三、第四象限時(shí) Y120，可得出 FYP 為負(fù)值，實(shí)際表示 FYM 運(yùn)行步數(shù)；光斑處于第一、第三象限時(shí) X160，可得出 FWP 為負(fù)值，實(shí)際表示 FWM 運(yùn)行步數(shù)。 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(gè) 數(shù)為 1，對應(yīng) FYP 校正步數(shù)為 25， FWP 校正步數(shù)為 77。 太陽光斑質(zhì)心在第 IV 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 211 太陽光斑質(zhì)心在第 IV 象限 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 211 為太陽光斑在第 IV 象限，光斑圖像坐標(biāo) (281， 155)，光斑個(gè)數(shù)為 1，對應(yīng) FYP 校正步數(shù)為 15， FWP 校正步數(shù)為 121。圖 31 所示為太陽跟蹤控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖。該芯片采用 15 腳封裝。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)；而且電路簡單，使用比較方便。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率放大電路由單電壓電路、高低壓電路發(fā)展到現(xiàn)在的斬波電路。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。 在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用要求時(shí)，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。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。它的步距角小了一半。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。/4= 176。 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)。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 35 限位開關(guān)電路 串口通訊電路 PC 機(jī)通過 RS485 通訊接口，發(fā)送命令給控制器，同時(shí)通過該串行接口獲得控制器的狀態(tài)信息。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。同時(shí)將 A 和 B 端之間加匹配電阻，一般可選 100Ω 的電阻。 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(gè)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。 主函數(shù)模塊 主函數(shù)模塊的主要功能是提供程序入口、前期環(huán)境設(shè)置、設(shè)計(jì)控制策略、調(diào)用主要執(zhí)行函數(shù)和程序運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)處理等。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(dòng)步進(jìn)電機(jī)反饋校正跟蹤系統(tǒng)。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 開 始讀 取 “ 設(shè) 置 ” 對 話 框 中 各 設(shè) 置 參數(shù)調(diào) 整 時(shí) 間 間 隔 到 ？調(diào) 用 S u n P o s i t i o n 函 數(shù) ， 計(jì) 算 太 陽 高 度 角 與方 位 角Y轉(zhuǎn) 化 為 俯 仰 、 水 平 兩 電 機(jī) 運(yùn) 行 步 數(shù)數(shù) 據(jù) 處 理 ， 此 次 計(jì) 算 加 上 次 小 數(shù) 部 分 減 去 已 經(jīng) 運(yùn) 行 步 數(shù) （ 整 數(shù) 部 分 取出 ， 小 數(shù) 部 分 保 存 ）控 制 字 打 包 后 送 單 片 機(jī) 執(zhí) 行延 時(shí) 時(shí) 間 到 ？（ 等 待 電 機(jī) 運(yùn) 轉(zhuǎn) 到 位 ）控 制 攝 像 頭 拍 照 ， 由 數(shù) 字 圖 像 處 理 后 后 去 跟 蹤 偏 差偏 差 大 于 設(shè) 定 閾 值 ？轉(zhuǎn) 為 校 正 步 數(shù) 送 單 片 機(jī) 執(zhí) 行Y跟 蹤 結(jié) 束NNNYYY 圖 41 太陽跟蹤主程序流程圖 參數(shù)設(shè)置模塊 上位機(jī)控制平臺(tái)中的設(shè)置選項(xiàng)可進(jìn)行系統(tǒng)的各參數(shù)設(shè)置。圖 42 所示的是主控制界面下 “設(shè)置 ”按鈕的對話框。 Sun Position 函數(shù)的輸入?yún)?shù)為：公歷的年、月、日、分?jǐn)?shù)的一天（幾小時(shí)幾分幾秒）、當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度。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(dòng)、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)。函數(shù)流程圖如圖 43。最后拼裝控制包送單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。//參數(shù)聲明 fA_Step=fCurrentSunAzimuth/double(AzimuthRatio)。 //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。fInteger)。 //nAzimuth0 保存電機(jī)已運(yùn)行步數(shù) uA_Step=GetInteger(amp。//返回 fInteger 整數(shù)部分，同時(shí)將尾數(shù)保存 fH_Step=nHeight0。fInteger)。 uH_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]。 Command[1]=(unsigned char)0x55。(unsigned char)0x1f。0xff)。0xff00)8)。0xff)。0xff00)8)。針對攝像頭采集太陽圖像的特點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)的 MATLAB 的 M 文件函數(shù)流程圖如圖 44 所示。 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)備無關(guān)的多用戶操作系統(tǒng)。 Windows 系統(tǒng)充當(dāng)了應(yīng)用程序與硬件之間的中介。串口和其他通信設(shè)備都是作為文件進(jìn)行處理的。 通常以下面的步驟來實(shí)現(xiàn)通信控制： (1)設(shè)置串口號(hào)碼； (2)使用 Create File()函數(shù)打開串口； (3)設(shè)置通信協(xié)議； (4)設(shè)置傳輸速度等參數(shù)； (5)設(shè)置其他參數(shù)； (6)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(guān)閉； PC 機(jī)與單片機(jī)通信協(xié)議 本課題的 PC 機(jī)與單片機(jī)通信共為 7 個(gè)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(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 unsigned char uMotorStatus； //狀態(tài)字節(jié) unsigned char uAzimuthH； //水平運(yùn)行步數(shù)低位字節(jié) unsigned char uAzimuthL； //水平運(yùn)行步數(shù)高位字節(jié)，高位為 1 則電機(jī)反轉(zhuǎn) unsigned char uHeightH； //俯仰運(yùn)行步數(shù)低位字節(jié) unsigned char uHeightL； //俯仰運(yùn)行步數(shù)高位字節(jié)，高位為 1 則電機(jī)反轉(zhuǎn) } 其中狀態(tài)位各位定義為：當(dāng) 6 兩位同時(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。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。 復(fù)位按鈕，此按鈕用于系統(tǒng)復(fù)位。 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。 跟蹤裝置初次安裝或更換位置時(shí)需要進(jìn)行 “校準(zhǔn) ”設(shè)置。此時(shí) “校準(zhǔn) ”過程結(jié)束。系統(tǒng)校準(zhǔn)流程如圖 45 所示。//調(diào)用 SendAdjCommand(CommandID)函數(shù) nAzimuthCal=10。 Command[1]=(unsigned char)0x55。(unsigned char)0x1f。 Command[4]=(unsigned char)0。 Command[6]=(unsigned char)0。 case ”對應(yīng)的 CommandID … case +”對應(yīng)的 CommandID … case ”對應(yīng)的 CommandID … } SendByte(hComm,Command,7)。在控件中顯示位圖分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。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程序運(yùn)行時(shí)此 位圖禁止改變。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)顯示太陽圖像的程序。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 開 始時(shí) 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(dòng)態(tài)顯示流程圖 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dǎo) 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(dòng)態(tài)顯示模塊部分代碼如下： void CTimertestDlg::OnTimer(UINT nIDEvent) { Cbitmap hbmp。 Cstatic*pStaic。//將 pStatic 指向要顯示的地方 hbitmap=(HBITMAP)::LoadImage(::AfxGetInstanceHandle(), ,IMAGE_BITMAP,0,0,LR_LOADFROMFILE|LR_CREATEDIBSECT ION)。//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。bm)。 (GetDC())。 Crect lRect。lRect)。 pStaicGetDC()StretchBlt(,(),(),amp。//顯示位圖 (amp。 } 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(qiáng)大的軟件開發(fā)工具之一。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?？刂破鬈浖O(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，主要分為如下幾個(gè)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(fù)位處理模塊等。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。當(dāng)出現(xiàn)陰天或多云情況下 ,系統(tǒng)調(diào)用時(shí)鐘算法 ,使得裝置連續(xù)跟蹤。控制器采用低速處理器實(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。論文的主要研究工作和取得的成果總結(jié)如下： 詳細(xì)研究當(dāng)前國內(nèi)外太陽能利用 現(xiàn)狀和幾種太陽自動(dòng)跟蹤方式，在分析比較常用的跟蹤方式后，設(shè)計(jì)一種基于 COMS 圖像傳感器的太陽自動(dòng)跟蹤控制器 ,該裝置實(shí)現(xiàn)了太陽自動(dòng)跟蹤的目的 ,具有較高的跟蹤精度 上位機(jī)通過 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太陽光斑圖像。 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。 為了保