畢業設計--基于cmos圖像傳感器的太陽跟蹤控制器的設計-資料下載頁

【導讀】太陽能的利用已經滲透到社會各方面，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。實驗結果表明,該裝置實現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VC++與MATLAB聯合編程。通過對實測數據的分析表明:. 實驗結果表明，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 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 為 校 正 步 數保 存 相 關 信 息 圖 44 M 文件函數流程圖 PC 機與單片機通信模塊 VC 通過調用 Windows API 函數實現與單片機間數據的傳遞，實現太陽的實時跟蹤。 利用 Windows API 函數實現串口操作 Windows 串口通信的工作機理 Windows 是一個事件驅動的并與設備無關的多用戶操作系統。同時 Windows 禁止應用程序直接和硬件交互，程序員只能通過 Windows 提供的驅動程序管理硬件。 Windows 系統充當了應用程序與硬件之間的中介。 Windows 系統為每個通信設備 開辟了用戶定義的輸入 /輸出緩沖區，數據進出通信口均由系統后臺完成。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與操作文件的函數完全一樣。 通常以下面的步驟來實現通信控制： (1)設置串口號碼； (2)使用 Create File()函數打開串口； (3)設置通信協議； (4)設置傳輸速度等參數； (5)設置其他參數； (6)送出字符串或讀入字符串，使用 Read File()及 Write File()函數； (7)使用完畢后用 Close Handle()函數將串口關閉； PC 機與單片機通信協議 本課題的 PC 機與單片機通信共為 7 個字節，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設計（論文） 24 unsigned char uMotorStatus； //狀態字節 unsigned char uAzimuthH； //水平運行步數低位字節 unsigned char uAzimuthL； //水平運行步數高位字節，高位為 1 則電機反轉 unsigned char uHeightH； //俯仰運行步數低位字節 unsigned char uHeightL； //俯仰運行步數高位字節，高位為 1 則電機反轉 } 其中狀態位各位定義為：當 6 兩位同時為 1 時，系統復位；復位成功返回 AA，錯誤返回 55。 表 41 通信狀態位定義 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 控制平臺手動調整模塊 上位機控制平臺的手動調整部分分為三部 分： 太陽位置按鈕和校準按鈕。該部分功能為系統在復位結束狀態下，點擊太陽位置按鈕實現太陽的一次跟蹤。系統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系統的校準。 復位按鈕，此按鈕用于系統復位。 四方向手動調整按鈕，系統運行出現偏差或進行校準時采用四方向手動調整按鈕，俯仰按鈕對應調整（ 18/52）、方位按鈕對應調整（ 18/100）。 跟蹤裝置初次安裝或更換位置以及跟蹤過程出現偏差時需要上位機控制平臺中 “手動調整 ”部分進行調整。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 存調整后的相關參數，跟蹤系統出現誤差時可以手動調整此部分消除偏差。 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，跟蹤裝置根據上位機計算出的太陽高度角與方位角，自動運轉至理論的跟蹤位置，此時一般存有偏差，當手動按鈕微調使光斑處于圖像中心時，按下 “校準 ”按鈕，系統會自動生成一個 的系統配置文件，文件內保存校準后的基準比較值。此時 “校準 ”過程結束。該文件在程序初始化時調用，用來消除跟蹤裝置本身存在的誤差。系統校準流程如圖 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 { SendAdjCommand(AZIMUTH_F)。//調用 SendAdjCommand(CommandID)函數 nAzimuthCal=10。 //nAzimuthCal 用于配置 系統文件 } 其中 SendAdjCommand(unsigned int CommandID)函數如下： 華北電力大學科技學院本科畢業設計（論文） 25 開 始太 陽 跟 蹤光 斑 處 于 圖 像 中 心 ？手 動 調 整N光 斑 處 于 圖 像 中 心 ？校 準保 存 文 件Y復 位結 束YN 圖 45 系統校準流程圖 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 機將控制字節打包后送單片機執行 } 控制平臺太陽圖像動態顯示模塊 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及系統跟蹤誤差進行觀察，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的顯示出來。在控件中顯示位圖分為靜態和動態兩種方法。靜態法就是用 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。顯然靜態法無法滿足需要，本小節介紹如何將圖像傳感器采集的太陽圖像動態的顯示在控制平臺中。程序首先判斷定時器設置時間（即動態顯示時間間隔）是否結束，在定時器響應函數中執行動態顯示太陽圖像的程序。控制平臺中動態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設計（論文） 27 開 始時 間 到 ？裝 載 太 陽 圖 像Y顯 示 太 陽 圖 像結 束N 圖 46 太陽圖像動態顯示流程圖 華北電力大學科技學院本科畢業設計（論文） 28 開 始定 義 類 的 對 象裝 載 位 圖 資 源調 用 L o a d I m a g i n e 函 數獲 取 位 圖 格 式調 用 G e t B i t m a p 函 數創 建 內 存 D C調 用 C r e a t C o m p a t i b l e D C 函 數將 位 圖 導 入 內 存 D C調 用 函 數 S e l e c t O b j e c t 函 數顯 示 位 圖調 用 S r e t c h B l t 函 數結 束 圖 47 VC 顯示位圖流程圖 太陽圖像動態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設計（論文） 29 BITMAP bm。 (amp。bm)。//獲取圖片格式 CDC dcMem。 (GetDC())。//創建內存 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，利用豐富的函數資源，以其強大的數據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，前面已經介紹，另一部分為控制器程序設計。控制器軟件設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送到單片機執行。 華北電力大學科技學院本科畢業設計（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 數判 斷 復 位 否等 待 P C 機 命 令Y水 平 復 位俯 仰 復 位N執 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設計（論文） 31 結 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跟蹤太陽的角度變化 ,更準確實現對太陽運動的跟蹤。當出現陰天或多云情況下 ,系統調用時鐘算法 ,使得裝置連續跟蹤。經過實驗測試 ,各項指標均達到了設計要求。控制器采用低速處理器實現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更加精準 ,可用來實現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如下： 詳細研究當前國內外太陽能利用 現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 VC++與 Matlab 聯合編程 ,實時控制圖像傳感器獲取太陽光斑圖像。經 Matlab 計算 ,得到太陽光斑質心坐標與圖像中心坐標的偏差 ,轉化為水平和俯仰的步進電機需調整的步數 ,進而實時調整平面鏡跟蹤裝置 ,使太陽光斑始終在圖像中心位置。 根據跟蹤系統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。 根據跟蹤系統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 VC 與MATLAB 聯合編程。