基于CMOS的图像传感器的太阳跟踪控制器设计论文

1、基于CMOS图像传感器的太阳跟踪控制器设计摘要为解决能源危机，实现可持续发展，建设绿色环保社会，世界各国都在积极开发利用太阳能资源。太阳能的利用已经渗透到社会的方方面面，但是太阳能利用效率低的问题一直影响和阻碍着太阳能技术的推广和发展。研究太阳能自动跟踪控制器对提高太阳能的利用效率具有重大而深远的意义。在分析比较了国外常用的几种跟踪方法后，设计了一种基于COMS图像传感器的自动太阳跟踪控制器。得到光斑质心坐标与像心坐标的偏差，换算成步进电机在水平和俯仰上调整的步数，然后平面镜跟踪装置实时调整，使光点始终位于图像的中心。实验结果表明，该装置达到了太阳自动跟踪的目的，具有较高的跟踪精度。本课题完成

2、了跟踪控制器的硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括：跟踪器控制电路、步进电机驱动电路、图像采集电路、限位信号采集电路和串行通信电路。软件设计主要包括：用Visual C+编写人机交互控制平台，设计MATLAB图像处理和获取跟踪偏差算法，基于MCC实现VC+和MATLAB联合编程。实测数据分析表明：在本系统中，高度跟踪的绝对误差和方位跟踪的绝对误差均在要求的范围内。使用图像传感器跟踪太阳后，获得了较高的精度和可靠性。实验结果表明，该跟踪控制器在可靠性、跟踪精度和抗干扰性等方面都得到了有效的提高。Finally, the work summary of this subject and the d

3、irection of further research are given.关键词: 太阳自动跟踪;CMOS图像传感器;步进电机; VC+目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc244 摘要 PAGEREF _Toc244 我 HYPERLINK l _Toc10900 摘要 PAGEREF _Toc10900 二 HYPERLINK l _Toc17055 1 简介 PAGEREF _Toc17055 1 HYPERLINK l _Toc15545 1.1 课题研究背景及意义 PAGEREF _Toc15545 1 HYPERLINK l _Toc6956 1.2

4、国外太阳能跟踪研究现状与发展现状 PAGEREF _Toc6956 2 HYPERLINK l _Toc17279 1.3 本课题主要内容及章节安排 PAGEREF _Toc17279 3 HYPERLINK l _Toc16820 2 太阳跟踪控制器总体方案设计及图像采集 PAGEREF _Toc16820 5 HYPERLINK l _Toc23286 2.1 整体系统设计 PAGEREF _Toc23286 5 HYPERLINK l _Toc10046 2.2 CMOS图像采集 PAGEREF _Toc10046 5 HYPERLINK l _Toc16175 2.2.1 图像传感器选

5、择 PAGEREF _Toc16175 5 HYPERLINK l _Toc29230 2.2.2 图像采集方案选择 PAGEREF _Toc29230 5 HYPERLINK l _Toc21807 2.2.3 图像预处理 PAGEREF _Toc21807 6 HYPERLINK l _Toc13023 2.2.4 光斑质心定位 PAGEREF _Toc13023 8 HYPERLINK l _Toc21926 2.2.5 获取步进电机校准步数 PAGEREF _Toc21926 10 HYPERLINK l _Toc2556 2.2.6 图像处理结果分析 PAGEREF _Toc2556

6、 11 HYPERLINK l _Toc26211 3 太阳跟踪控制器硬件设计 PAGEREF _Toc26211 14 HYPERLINK l _Toc13989 3.1 整体硬件设计方案 PAGEREF _Toc13989 14 HYPERLINK l _Toc24684 3.2 控制器电路 PAGEREF _Toc24684 14 HYPERLINK l _Toc29341 3.3 步进电机驱动器 PAGEREF _Toc29341 15 HYPERLINK l _Toc12265 3.4 限位装置 PAGEREF _Toc12265 16 HYPERLINK l _Toc29977 3

7、.5 串行通信电路 PAGEREF _Toc29977 17 HYPERLINK l _Toc25660 4 太阳跟踪控制器软件部分的设计 PAGEREF _Toc25660 18 HYPERLINK l _Toc30957 4.1 主要功能模块 PAGEREF _Toc30957 18 HYPERLINK l _Toc31226 4.2 参数设置模块 PAGEREF _Toc31226 19 HYPERLINK l _Toc18723 4.3 太阳角计算与数据处理模块 PAGEREF _Toc18723 20 HYPERLINK l _Toc30123 4.3.1 太阳角计算模块 PAGER

8、EF _Toc30123 20 HYPERLINK l _Toc12095 4.3.2 数据处理模块 PAGEREF _Toc12095 21 HYPERLINK l _Toc23920 4.4 图像处理模块 PAGEREF _Toc23920 22 HYPERLINK l _Toc14530 4.5 PC 与微控制器之间的通信模块 PAGEREF _Toc14530 23 HYPERLINK l _Toc20746 4.5.1 使用Windows API函数实现串口操作 PAGEREF _Toc20746 23 HYPERLINK l _Toc13739 4.5.2 PC 与微控制器之间的通

9、信协议 PAGEREF _Toc13739 23 HYPERLINK l _Toc15053 4.6 控制平台手动调节模块 PAGEREF _Toc15053 24 HYPERLINK l _Toc8192 4.7 控制平台太阳图像动态显示模块 PAGEREF _Toc8192 26 HYPERLINK l _Toc10636 4.8 VC与MATLAB联合编程模块 PAGEREF _Toc10636 29 HYPERLINK l _Toc23722 4.9 微控制器通信与控制第 PAGEREF _Toc23722 29节 HYPERLINK l _Toc8831 结论 PAGEREF _To

10、c8831 31 HYPERLINK l _Toc2086 参考文献 PAGEREF _Toc2086 33 HYPERLINK l _Toc29612 至 PAGEREF _Toc29612 351 简介1.1研究背景及意义能源是人类生存和发展的物质基础。几十年来，能源问题一直是举世瞩目的重大问题之一。目前，世界消耗的主要能源是吸收太阳能的植物经过亿万年的进化和积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等，这些都是非化石能源。可再生资源。地球上的资源是有限的，但它们正在以不断增长的速度被消耗。能源短缺、化石燃料减少和污染加剧相互关联，威胁着人类的正常生活和可持续发展。常规能源逐渐枯竭，危机不

11、容小觑。因此，寻找和开发新能源是一项紧迫的任务。在众多可再生清洁能源中，太阳能是一种理想的替代能源。太阳每秒发出的能量约为161023KW。一年内到达地球表面的太阳能总量约为189210130亿吨标准煤，是世界主要已探明能源储量的1万倍。与常规能源的有限性相比，太阳能具有储量的“无限”，取之不尽，用之不竭。这决定了太阳能资源的开发利用将是人类解决常规能源短缺和枯竭的有效途径之一。其次，太阳能不像其他能源那样分布。到处都可以使用，有利于缓解能源供需矛盾，缓解交通压力，解决交通不便的边远地区、农村、海岛的能源供应问题。 ，优势明显。而太阳能与风能、潮汐能等清洁能源一样，开发利用几乎不产生污染。这在

12、当今环境污染日益严重的情况下尤为重要。随着太阳能利用技术的发展，太阳能利用成本大大降低。利用太阳能发电不会污染环境，取之不尽，用之不竭，无处不在。因此，从长远来看，发电成本要低得多。专家预测和研究一致认为，21世纪人类最清洁、最便宜的能源是太阳能。因此，太阳能是替代能源中最具吸引力、研究最广泛、应用最广泛的清洁能源。但是，太阳能也不可避免地存在一些不足，以至于没有得到大面积的广泛应用。 1、实力较弱。到达地球大气层上限并到达地球表面的太阳能总量虽然巨大，但其强度却相当微弱。 2. 不稳定。同一天同一地点，日出日落时的太阳辐射强度远低于中午左右。在同一地点的不同季节，冬季的太阳辐射强度明显远低于

13、夏季。一个原因是由于太阳的仰角不同，入射到同一水平面的角度自然不同。当太阳仰角较大，或太阳辐射的入射角较小时，即更接近正射影像。地面同一水平面接收的太阳能越多。 3. 间歇性。太阳到达地面的直接辐射能随着昼夜交替而变化。这使得大多数太阳能设备在夜间无法使用。为了克服夜间太阳直接辐射不足的问题，需要研制和装备储能设备，在晴天收集和储存太阳能，供夜间或雨天使用。目前，太阳能利用的基本方法主要有：1. 光热转换。它通过吸收太阳辐射的光能直接转化为热能。这种方式虽然历史最悠久，但发展最成熟，普及最广，产业化程度最高。光热转换提供的热能一般温度较低，小于或等于100。更高的只有几百摄氏度。显然，其能量等

14、级较低，适合直接利用。2.光电转换。太阳辐射的光能按照“光电转换”的原理转化为电能，也就是常说的“光伏转换”。这是近几十年才发明和发展的。由于电能品位高，应用领域最广，周界最广，产业化程度最高，发展最快，前景十分看好。3、太进口。目前，美、日、英、德等国联合重点引进安全应用技术，已成功将进口产品引入民用消费市场。利用这项技术，可以直接引入室内，适用于各种需要采集自然光的场合。4. 光化学转化。通过光化学作用转化为电能或氢气。这也是利用太阳能的一种方式。二十、三十年前，很多人在这方面做了大量的研究。光化学转化技术仍处于研发阶段。5. 光生物转化。太阳能通过光合作用收集和储存。最近这方面的研究有所

15、增加，有望取得突破。中国地处北半球，幅员辽阔，大部分位于北纬45以南。中国拥有丰富的太阳辐射能源资源。太阳能年总辐射量超过16.3102kwh/m2a，相当于1.2104亿吨标准煤。我国大部分地区年平均日辐射剂量在每平方米4千瓦时以上，发展潜力巨大。中国太阳辐射的主要特点是西高东、北高南。这样一来，如何最大限度地利用太阳能，在当今社会就显得尤为重要。太阳能作为一种清洁、无污染的能源，有着非常广阔的发展前景。太阳能发电已成为未来解决全球能源危机的重要方式，具有最独特的优势。就目前的太阳能设备而言，如何最大限度地提高太阳能的利用效率仍是国外学者的研究热点。要解决这个问题，应该从两个方面入手，一是提

16、高太阳能设备的能量转换率，二是提高设备的能量接收效率。前者属于能量转换领域，需要研究，后者可以利用现有技术解决。大学建筑系的KPCheng和SCMHui教授研究了太阳辐射角度与太阳能接收率的关系。理论分析表明，太阳能线路运动的跟踪和不跟踪对太阳能设备的能量接收率有37.7%的差异。可见，对太阳的准确跟踪可以使太阳能设备的能源利用率大大提高。每年约有 350,000,000 太瓦时的太阳能撞击地球表面。使用直接太阳辐射的效率大约是燃烧化石燃料的 1015 倍，而且太阳能不会危及维持生命的地球的存在。因此，从解决能源危机和节能环保的角度看，太阳能具有无可比拟的优势，但从实际工程实践的角度看，需要通

17、过各种手段和途径，在计算机中发挥重要作用，将自动跟踪系统与太阳能集成。与发电设备相结合，大大增强了自身发电能力，提高了设备的经济效益。本课题的太阳能跟踪控制器的研究，是为了提高太阳能的利用率，对于我们面临的日益严峻的能源问题，以及在大围推广太阳能应用具有重大而深远的意义。1.2 国外太阳能跟踪研究现状及发展现状1980年代后期，美国桑迪亚国家光伏实验室的Alex Maish开始研制太阳能跟踪器（Solar Track）。关心的话题。国外一直比较重视太阳跟踪的研究。 1994年，捷克科学院物理研究所通过阳光温度的变化，实现了基于形状记忆合金调节器的单轴被动太阳跟踪。 1997年，美国Blacka

18、ce公司研制出单轴跟踪器。该跟踪装置根据太阳在赤道坐标系中的运动原理，完成东西方向的自动跟踪。 1998年美国加州成功研究ATM双轴太阳能跟踪器，进一步提高了受热率。 Joel.H.Goodman 开发了主动式太阳方位角跟踪装置，使太阳能接收器通过一个大直径转盘从东向西跟踪太阳。 2002年2月，美国亚利桑那大学推出新型太阳能跟踪装置，采用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了太阳能跟踪的应用领域。跟踪器。 2006年2月，由Acciona Solar建造的西班牙最大的太阳能发电厂设施投入使用。整个设施由 400 个太阳跟踪托盘和 14,400 个面板组成。这些太阳

19、跟踪托盘旨在跟踪一年中每天的不同位置，与通常的固定平板系统相比，可将能量输出提高 35%。 2007年，日本大成建设公司开发了一种名为“T-Soleil”的新产品。 T-Soleil系统安装在高层建筑和屋顶，由一个太阳自动跟踪平面镜和多个反射器组成。自动追日平面镜置于天井上方，由电机驱动，可随机芯同步旋转。多个反射器的反射使高层建筑的部分区域像室外一样明亮。就目前太阳能跟踪控制器的研究现状而言，由于太阳能应用系统成本的影响，一般采用半自动单轴跟踪方式。随着科学技术的不断发展和光伏转换效率的提高，太阳跟踪装置的研究将朝着全自动太阳跟踪的方向发展。全自动太阳跟踪装置基于水平坐标和双轴跟踪原理，采用

20、光学、机械、电气、图像处理等技术，通过对太强或形状的检测，实现对太阳的自动跟踪，可以实现同步无偏差。它跟踪太阳，大大提高了太阳能的接收效率。近年来，中央气象局、交通大学、大学、航空航天大学等单位对太阳跟踪算法进行了研究，并取得了一定的成果。但总的来说，在我国，太阳跟踪技术还不是很成熟，从事太阳跟踪研究的人也不多，而且大多处于理论研究阶段，实际产品还很少。1.3 本课题主要内容及章节安排本文完成了基于CMOS图像传感器的太阳跟踪控制器的设计。采用CMOS图像传感器采集太阳图像，经过数字图像处理后得到跟踪偏差。改进后的太阳跟踪控制器具有更高的跟踪精度和可靠性。基于本课题的研究内容和主要工作，本文结

21、构如下：第一章主要介绍选题的背景、目的和意义，以便与国外太阳追踪的研究现状和发展进行比较。第二章介绍了基于CMOS图像传感器的太阳跟踪控制器的总体方案设计、CMOS图像采集方案和图像分析计算。第三章介绍了太阳跟踪控制器硬件部分的设计，包括单片机驱动接口电路、步进电机驱动电路、限位器和通讯电路。第四章介绍了太阳跟踪控制器软件部分的设计，主要包括使用Visual C+6.0编写人机交互控制平台、跟踪控制器主程序设计、太阳跟踪控制器的软件算法。太阳高度和方位角，以及跟踪控制器。标定原理、基于MCC的VC与MATLAB联合编程的实现、部分单片机软件设计等。第五章总结了本课题的主要研究成果，并对下一步工

22、作进行了展望。2 、太阳跟踪控制器整体方案设计及图像采集2.1 整体系统设计该系统主要由平面镜跟踪装置、控制与驱动电路、方位限位电路、CMOS图像传感器（带巴德膜滤光片）等部分组成。系统总体设计框图如图2-1所示。图 2-1 系统整体框图太阳跟踪控制器的工作过程如下：上位机根据当地的经纬度和当前时间调用太阳位置函数，获取太阳的高度和方位角，并将其转换为太阳的运行步数。俯仰和水平电机。经过数据处理后，通过RS485总线与单片机通讯，驱动水平和俯仰两个步进电机实现对太阳的跟踪。太阳运动轨迹跟踪完成后，VC调用MATLAB函数控制图像传感器对太阳进行拍照，图像处理后输出。限位装置能保证电机在运行时停

23、在正确的位置，防止电机超速运行。2.2 CMOS图像采集2.2.1图像传感器选择图像传感器产品主要分为CCD、CMOS和CIS传感器。 CMOS工艺是VLSI的主流工艺，集成度高，可以根据需要在一个芯片上集成各种功能。 CMOS 图像传感器包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器的整个系统。与传统的CCD图像传感器相比，将整个图像系统集成在一个芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量轻、占用空间小、整体价格低廉等优点。目前CMOS型不仅价格便宜，而且实现了数字输出和软件可编程控制，大大降低了系统设计的难度，提高了系统设计的灵活性、抗干扰性和稳定性。 CMOS 图像传感器满足系统设计要求

24、。本课题采用罗技QuickCam系列网络摄像机，具有低功耗、低成本、单电源、易于实现片上系统集成等特点。其开窗功能可以根据实际需要设置有效图像数据窗口的大小，从而避免收集无效数据，减少存储空间。2.2.2图像采集方案选择因为太强了，所以需要在图像采集的时候给相机加一个Budd膜滤光片。实验表明，添加两层滤镜后，得到的图像效果更好。传统的方法是使用中性灰色滤镜。但考虑到节约成本，本项目采用了较新的过滤方式，选用了德国的发明专利巴德太阳观测保护膜AstroSolar TM。 Budd膜是一种金属化树脂膜，可用于目视检查和摄影。它很薄并且具有出色的光学质量，Budd 胶片目前有两种密度，5.0（视觉

25、）和 3.8（拍照）。对于太阳的天文观测，一般很难透光，只有在强光条件下才能看到光。图 2-2 和图 2-3 分别是单层滤镜和双层滤镜相机拍摄的太阳位置照片。(a) 原始图像 (b) 二值图像图2-2 相机拍摄的太阳照片加上单层布德胶卷(a) 原始图像 (b) 二值图像图 2-3 相机拍摄的太阳照片和双层巴德胶卷2.2.3图像预处理图像预处理部分主要包括灰度图像转换、中值滤波和图像分割。将彩色图像转换为灰度图像。通常，摄像头得到的图像是彩色图像，由R、G、B3个单色组成，每个单色被人为地划分为0-255的256个等级。根据R、G、B的不同组合，获取的彩色图像可以表示256256256=1677

26、7216种颜色。通常数字图像处理是先将彩色图像转换为灰度图像，再对灰度图像进行处理。将彩色图像转换为灰度图像的公式如下：Y =0.299R +0.587G +0.114B (2-1)2. 中值滤波器图像在拍摄或传输过程中总会加入一些噪点，影响图像质量。中值滤波可以有效去除这些噪声，也可以实现图像平滑。中值滤波是一种去除噪声的非线性处理方法，由Turky于1971年提出。其基本原理是：将数字图像或数字序列中某个点的值替换为邻域内每个点值的中值。点。中位数的定义如下：一组数排列n个数的大小如下：Y=医学= (2-2)y称为序列的中位数。具有特定长度或形状的点称为窗口。在一维情况下，中值滤波器是一个

27、具有奇数个像素的滑动窗口，将窗口中间像素的值替换为窗口中像素值的中值。假设输入序列为， I为自然数的集合或子集，窗口长度为n ，则滤波器的输出为：(2-3)其中：我在二维情况下，可以使用某种形式的二维窗口。设 , 表示数字图像中每个点的灰度值，具有滤波窗口 A 的二维中值滤波可以定义为：= 中 = 中(2-4)3.图像分割处理图像分割技术是将图像划分为具有不同特征的区域并提取感兴趣对象的技术和过程。这是从图像处理到图像分析的关键步骤。其目的是将目标与背景分离，为目标识别、精确定位等后续处理提供依据。基于这一思想，最终分析的目的，可以选择相对形状度量、相对均匀度度量和误分类概率作为评价算法优劣的

28、标准。常用的阈值选择方法有9种最小点阈值选择法、最优阈值选择法、迭代阈值选择法、灰度统计直方图凹分析阈值选择法、最大熵法。 、模糊阈值选择方法、基于最大类间方差法的阈值选择方法、基于图像视差的阈值选择方法、基于矩保存的阈值选择方法。鉴于本课题采集的太阳图像的特殊性，采用最大类间方差法计算图像阈值。最大类间方差法也称为 OTSU 算法。求解阈值的过程如下：(1)首先选择一个近似值作为图像f(x,y)的初始阈值= (2-5)是最小和最大灰度值。计算每个灰度出现的概率(2) 根据阈值将图像划分为目标区域和背景区域：= , = (2-6)计算这两个区域出现的概率，以及平均值，, (2-7)(3) 计算

29、，方差，=;= (2-8)(4)计算类方差、类间方差、总体方差=+, , =+ (2-9)计算新的阈值= sum, k=k+1 ，回到（2-9）迭代计算，直到迭代结束，此时的阈值就是最优解。2.2.4点质心位置在基于图像传感器的闭环太阳跟踪系统中，能否准确检测太阳光斑的质心位置是实现跟踪校正的关键，决定了系统的精度和可靠性。总则图像处理系统在定位和跟踪目标时，确定目标位置的方法可以分为两类，即门控跟踪算法和相关跟踪算法。门跟踪算法有两种类型，即边缘跟踪和质心跟踪。质心跟踪可分为双边中心跟踪、区域平衡法跟踪、质心跟踪和亮度中心跟踪。在本课题中，使用质心跟踪的方法来定位点目标。在二值图像中，设某个

30、待确定区域内所有像素（非零像素）的坐标为：(2-10)那么该区域的质心坐标可以表示为：总和（x）=，总和（y）= （2-11）, (2-12)在 MATLAB 7.0 图像处理工具箱中，提供了 regionprops 函数来帮助找到图形区域的质心。 regionprops 函数是用于测量图像区域属性的函数。在调用 regionprops 之前，必须将二值图像转换为标签矩阵。图 2-4 显示了寻找一个区域的质心的示意图。绿色方框代表要查找的某个区域，白色方块代表该区域中的一个像素，红色原点代表该区域的质心。图 2-5 显示了几种不同形状的质心位置的检测结果。图2-4 面积质心计算示意图(a) 圆

31、形质心 (b) 椭圆形质心(c) 正方形质心 (d) 三角形质心(e) 不规则形状质心（区域） (f) 不规则形状质心（区域外）图 2-5 几种不同形状的图形质心检测结果根据标注矩阵，可以很容易地给出二值图像中的亮点个数。在抗干扰设计中，会以亮点的数量作为判断是否存在干扰的依据。图 2-6 为二值化后光斑图案的质心检测结果。图 2-6 点质心检测结果2.2.5获取步进电机校正的步数图2-7 太阳图像中光斑位置及校正步骤示意图图 2-7 为采集到的太阳图像中的光斑位置及校正步骤示意图。图像格式为 320*240 RGB 格式，即包含水平方向 320 个像素，垂直方向 240 个像素。用图像坐标表

32、示时，以图片的左上顶点为坐标原点，所以图像中心的坐标为(160,120)。其中，FYP、FYM、FWP、FWM分别对应上位机控制平台“pitch+”、“pitch-”、“azimuth+”、“azimuth-”的运行步骤。并且有FYP+FYM=0，FWP+FWM=0。为了减少程序中变量处理的数量，所有的FYM和FWM都用FYP和FWP的相反数来表示。在跟踪装置中，方位步进电机每一步实际走动（1.8/100），俯仰步进电机每一步实际走动（1.8/52）。跟踪设备运行时，若光点在图像中心坐标处，则图像下移50步FYP；将图像 FWP 向左移动需要 160 步。校正步长（FYP，FWP）与光斑图像坐

33、标（X，Y）的关系为：FYP= (2-13)FWP= (2-14)由公式2-13和2-14可知：当光斑在第三、四象限时，Y120，可以得出FYP为负值，实际代表FYM运行步数；当光斑在第一和第三象限时，X8);命令5=(无符号字符)(uH_Step&0 xff);命令6=(无符号字符)(uH_Step&0 xff00)8);4.4 图像处理模块图像处理算法由MATLAB7.0软件编写。根据相机采集太阳图像的特点，本课题设计的MATLAB M文件函数流程图如图4-4所示。图4-4 M文件功能流程图4.5 PC与MCU之间的通信模块VC通过调用Windows API函数与单片机传输数据，实现对太阳

34、的实时跟踪。4.5.1使用Windows API函数实现串口操作一、Windows串口通信的工作机制Windows 是一个事件驱动且与设备无关的多用户操作系统。同时，Windows 禁止应用程序直接与硬件交互，程序员只能通过 Windows 提供的驱动程序来管理硬件。 Windows 系统充当应用程序和硬件之间的中介。 Windows系统为每个通讯设备开辟了用户自定义的输入/输出缓冲区，通讯口的数据进出由系统后台完成。串行端口和其他通信设备作为文件处理。用于打开、关闭、读取和写入串行端口的功能与用于操作文件的功能完全相同。2、通信控制通常按以下步骤实现：(1)设置串口；(2)使用Create

35、File()函数打开串口；(3) 设置通讯协议；(4)设置传输速度等参数；(5) 设置其他参数；(6) 要致字符串或读取字符串，请使用 Read File() 和 Write File() 函数；(7)使用Close Handle()函数关闭串口使用后；4.5.2 PC计算机与单片机通信协议本课题中PC与单片机的通信共7个字节，具体格式如下：结构包无符号字符 uPackHead1； /1，固定为0 xAA无符号字符 uPackHead2; /2、固定为0 x55无符号字符 uMotorStatus; / 状态字节无符号字符 uAzimuthH; /水平运行步数的低位字节无符号字符 uAzimu

36、thL; /水平运行步骤的高位字节，如果高位为1，电机反转无符号字符 uHeightH; /投球步数的低位字节无符号字符 uHeightL; /俯仰运行步数的高位字节，如果高位为1，则电机反转状态位定义为：当第5位和第6位同时为1时，系统复位；复位成功返回AA，错误返回55。表 4-1 通讯状态位定义76543210预订0：正常； 1：水平复位0：正常； 1：音高复位地址4.6 控制平台手动调节模块上位机控制平台的手动调节部分分为三个部分： 1、太阳位置按钮和校准按钮。这部分功能是在系统处于复位状态时，点击太阳位置按钮，实现对太阳的跟踪。首次安装系统或改变位置时，需要操作太阳位置按钮和校准按钮

37、来实现系统的校准。 2. 复位键，该键用于系统复位。 3、四向手动调节按钮，四向手动调节按钮在系统运行出现偏差或校准时使用，俯仰按钮对应调节（18/52），方位按钮对应调节（18/100） ）。首次安装跟踪装置或改变位置偏离跟踪过程时，需要在上位机控制平台的“手动调整”部分进行调整。四个方位按钮控制步进电机在相应方向的单步运行。同时，程序保存调整后的相关参数。当跟踪系统出现误差时，可以手动调整这部分以消除偏差。首次安装或重新定位跟踪单元时，需要进行“校准”设置。 “校准”设置过程如下：首先，运行“太阳位置”按钮，跟踪仪将根据上位机计算的太阳高度和方位角自动运行到理论跟踪位置。当光点在图像中心时

38、，按下“校准”按钮，系统会自动生成系统配置文件calibrate.ini，保存校准后的基准比较值。至此，“校准”过程结束。该文件在程序初始化时调用，以消除跟踪设备本身存在的错误。系统校准流程如图 4-5 所示。以“方位角+”按钮为例，其ID号为：IDC_AZIMUTHP，程序响应流程如下：void CTimertestDlg:OnAzimuthp()/“方位角+”按钮按下时的消息响应函数SendAdjCommand(AZIMUTH_F);/调用SendAdjCommand(CommandID)函数nAzimuthCal-=10； /nAzimuthCal用于配置calibrate.ini系统文

39、件SendAdjCommand(unsigned int CommandID) 函数如下：图 4-5 系统校准流程图void CTimertestDlg:SendAdjCommand(unsigned int CommandID)命令0=（无符号字符）0 xAA；命令1=(无符号字符)0 x55;命令2=(unsigned char)Addr&(unsigned char)0 x1f;开关（命令 ID）case AZIMUTH_F:/CommandID 对应“azimuth+”命令3=(无符号字符)10;命令4=(无符号字符)0;命令5=(无符号字符)0;命令6=(无符号字符)0;休息;cas

40、e AZIMUTH_B:/CommandID 对应“azimuth-”case HEIGHT_F:/CommandID 对应“pitch+”case HEIGHT_B:/CommandID 对应“pitch-”SendByte(hComm,Command,7);/PC将控制字节打包后致给单片机执行4.7 控制平台太阳影像动态显示模块为了使控制平台具有更好的人机交互界面，同时便于观察太阳的运行状态和系统跟踪误差，在控制平台上增加了显示控件，动态显示太阳图像采集到的太阳图像。实时图像传感器。出来。在控件中显示位图分为静态和动态两种方法。静态方法是使用VC6.0的资源，需要先引入一个位图在资源视图中

41、显示。这种方法有一个明显的缺点，就是位图必须先存在，并且在程序运行时不能改变位图。显然，静态方法不能满足需要。本节介绍如何在控制平台中动态显示图像传感器采集的太阳图像。程序首先判断定时器设置时间（即动态显示时间间隔）是否结束，执行定时器响应函数中动态显示太阳图像的程序。控制平台中动态显示太阳图像的流程如图4-6所示，显示太阳图像部分的流程图如图4-7所示。图4-6 太阳影像动态显示流程图图4-7 VC显示位图流程图太阳图动态展示模块部分代码如下：无效 CTimertestDlg:OnTimer(UINT nIDEvent)Cbitmap hbmp;HBITMAP hbitmap;Cstatic

42、*pStaic;/定义类pStaic=(CStatic*)GetDlgItem(IDC_IMAGE);/将pStatic指向要显示的地方hbitmap=(HBITMAP):LoadImage(:AfxGetInstanceHandle(),D:/Test/imagine_阈值.bmp,IMAGE_BITMAP,0,0,LR_LOADFROMFILE|LR_CREATEDIBSECTION);hbmp.Attach(hbitmap);/加载图像传感器拍摄的太阳图像位图 bm;hbmp.GetBitmap(&bm);/获取图片格式疾病预防控制中心 dcMem；dcMem.CreateCompati

43、bleDC(GetDC();/创建存储DCCbitmap*poldBitmap=(CBitmap*)dcMem.SelectObject(hbmp);矩形 lRect;pStaic-GetClientRect(&lRect);lRect.NormalizeRect();pStaic-GetDC()-StretchBlt(lRect.left,lRect.top,lRect.Width(),lRect.Height(),&dcMem,0,0,bm.bmWidth,bm.bmHeight,SRCCOPY);/显示位图dcMem.SelectObject(&poldBitmap);4.8 VC与MA

44、TLAB联合编程模块Visual C+是微软推出的一种可视化编程语言，是目前最全面、最强大的软件开发工具之一。 Matlab是集科学计算、图像处理、声音处理于一体的高度集成系统。它利用丰富的功能资源，强大的数据处理能力和丰富的工具箱，让编程变得极其简单，可以大大缩短应用程序的开发周期。提高编程效率。在实践中，如果能将Matlab和VC+编程混合使用，将大大减少编程工作量，并继承良好的用户界面，为科研和工程开发提供更强大的技术支持。4.9 单片机的通讯与控制部分太阳跟踪控制器的软件分为两部分，一是上位机的编程，前面已经介绍过了，二是控制器的编程。控制器软件设计采用模块化设计的方法，主要分为以下软

45、件模块：主程序模块、串口中断处理模块、正常跟踪处理模块、串口中断复位处理模块等。如图4-8所示单片机跟踪控制部分主程序模块流程图。先初始化串口，再初始化步进电机的相位，然后将步进电机的控制字和步数致给单片机执行。图 4-8 部分单片机程序流程图结论针对这一课题，研究了一种基于CMOS图像传感器的太阳跟踪控制器。跟踪控制器可以连续跟踪太阳的角度变化，更准确地跟踪太阳的运动。阴天或阴天时，系统调用时钟算法使设备连续跟踪。经过实验测试，各项指标均达到设计要求。控制器采用低速处理器实现太阳能光斑的采集和定位，可应用于各种太阳能设备，提高太阳能的利用率。如果采用步进电机的微步控制技术，即采用细分技术，将

46、步进电机的一个整体步分成几个更精细的微步，可以使整个控制系统更加精确，并且可以用于实现各种点光源的检测。论文的主要研究工作和成果总结如下：1、详细研究国外太阳能利用现状及几种自动太阳能跟踪方法。在分析了比较常用的跟踪方法后，设计了一种基于COMS图像传感器的太阳能自动跟踪控制器。该装置实现了自动太阳跟踪的目的。跟踪精度高2、上位机通过MCC实现VC+与Matlab联合编程，实时控制图像传感器获取光斑图像。通过Matlab计算，得到光斑质心坐标与图像中心坐标的偏差，换算成步进电机在水平和俯仰上调整的步数，然后平面镜跟踪装置实时调整，使光斑始终位于图像中心。3、根据跟踪系统整体方案的设计完成硬件设

47、计。主要工作包括：跟踪器控制电路、步进电机驱动电路、图像采集电路、限位信号采集电路和通讯电路。4、根据跟踪系统总体方案的设计完成软件部分设计。主要工作包括：利用VC编写人机交互控制平台，设计MATLAB图像处理和获取跟踪偏差算法，基于MCC实现VC与MATLAB联合编程。5、为保证系统工作的可靠性，将可靠性设计融入硬件设计和软件设计，有效提高了跟踪精度和可靠性。本论文致力于太阳能跟踪控制器的研究与开发，取得了预期的效果。目前，国外对自动太阳跟踪技术的研究较多，但实际应用太阳跟踪技术的地方却很少，尤其是在我国。本课题研究的新型跟踪方法不仅提高了跟踪精度，降低了成本，而且大大提高了系统的可靠性。将

48、太阳跟踪技术投入实际应用，对于实现绿色社会、减少污染、应对能源危机具有重要意义。下一步工作可以从以下几个方面进行：1、选择细分精度更高的步进电机。目前，步进电机的细分技术发展迅速。如果可以选择细分精度更高的步进电机，对提高跟踪精度会有更好的效果。为进一步提高系统的控制精度，可采用步进电机开环控制新技术之一的微步控制技术，即采用细分技术将一个全步进电机的步进分成几个更精细的微步。 ，可以大大提高步进电机的步长精细度，使整个控制系统更加精确。2、采用高端微处理器构成嵌入式系统。本课题选择PC作为主控制器。如果可以使用ARM、DSP等小型且价格相对低廉的高端微处理器，就可以开发出价格低廉的跟踪系统，

49、将其应用于需要太阳跟踪的设备时，就可以形成嵌入式跟踪系统。3.智能设计。理论上，任何一天太阳的日出日落时间都是确定的。如果可以对软件进行改进，实现日出日落时间的计算和应用，就可以使跟踪器智能化，无需人工干预，即可以实现日出日落时间的自动计算。开始运行，日落自动复位停止。4.实现远程控制。太阳跟踪设备通常放置在“偏远”的地方，例如屋顶和沙漠。如果能实现遥控，就更人性化了。参考1 袁伟奇，李伟。基于视觉的太阳方位检测装置研究J.计算机测控, 2008, 16(7): 911-913.2 吴京.太阳自动跟踪系统研究D. ：大学，2008 年。3 傅忠良.图像阈值选择方法大津法的扩展J计算机应用，2000，20(5)：37-39。4 景成，任松林，闵，等一种智能双轴太阳跟踪控制系统的设计J.传感器和微系统，2008，27（9）：69-71。5 魏，王志超，袁，等太阳自动跟踪系统的研究与设计J.水电与能源科学，2009（27）：215-218。6 卢文华，何晓磊，于和军，等。太阳能自动跟踪仪