毕业设计基于CMOS图像传感器的太阳跟踪控制器的设计 精品.docx

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毕业设计基于CMOS图像传感器的太阳跟踪控制器的设计精品

毕业设计（论文）

题目基于CMOS图像传感器的太阳跟踪

控制器的设计

系别

动力工程系

专业班级

测控技术与仪器专业08K1班

学生姓名

Xxx

指导教师

xx

2012年6月

基于CMOS图像传感器的太阳跟踪

控制器的设计

摘要

为了解决能源危机问题、实现可持续发展、构建绿色环保社会，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各方面，但太阳能利用效率低这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及和发展。

为提高太阳能利用效率而进行太阳自动跟踪控制器的研究，有着重大而深远的意义。

在分析比较了国内外常用的几种跟踪方式后，设计了一种基于COMS图像传感器的太阳自动跟踪控制器,上位机实现VC++与Matlab联合编程,实时控制图像传感器获取太阳光斑图像，经Matlab计算,得到太阳光斑质心坐标与图像中心坐标的偏差,转化为水平和俯仰的步进电机需调整的步数,进而实时调整平面镜跟踪装置,使太阳光斑始终在图像中心位置。

实验结果表明,该装置实现了太阳自动跟踪的目的,具有较高的跟踪精度。

本课题完成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口通讯电路等。

软件设计主要包括：

采用VisualC++编写人机交互控制平台、设计MATLAB算法进行图像处理并获取跟踪偏差、基于MCC实现VC++与MATLAB联合编程。

通过对实测数据的分析表明:

在该系统中,高度角跟踪绝对误差和方位角跟踪绝对误差均在要求范围内,采用图像传感器对太阳进行跟踪后,得到了很高的精度,且可靠性提高。

实验结果表明，跟踪控制器在可靠性、跟踪精度、抗干扰性等方面均得到了有效的提高。

最后，给出了本课题的工作总结和进一步研究的方向。

关键词:

太阳自动跟踪;CMOS图像传感器;步进电机;VC++

THEDESIGNINGOFAUTO-TRACKINGCONTROLLERBASEDONCMOSIMAGINESENSOR

Abstract

DesignandRealizationofSolarAuto-trackingControllerBasedonCMOSImageSensorInordertosolvetheenergycrisis,achievesustainabledevelopmentandbuildingagreencommunity,countriesintheworldareactivelydevelopingtheuseofsolarenergyresources.Theuseofsolarenergyhaspenetratedintoallaspectsofsociety,butthesolarenergyutilizationefficiencyislowimpactandthisissuehasbeenhinderingthepopularizationofsolarenergytechnology.Toimprovetheefficiencyofsolarenergyutilization,theresearchofautomaticsun-trackingcontrollerhasimportantandfar-reachingsignificance.

Intheanalysisandcomparisonofseveralcommonlyusedathomeandabroadtrackingmode,AsolarautomatictrackingcontrollerbasedonCMOSimagesensorisdesigned.ItshostcomputerachievesajointprogrammingofVC++andMatlab,andobtainsthesunspotimagebyreal-timelycontrollingtheimagesensor.Thedeviationbetweensun′smasscentercoordinatesandimagecentercoordinatesiscalculatedbyMatlab.Thecalculationisconvertedintothestepsofthelevelandpitchsteppermotortobeadjusted.Real-timeadjustmentofplanemirrortrackingdeviceisachieved,sothatsunspothasalwaysbeingthecenteroftheimage.Theexperimentalresultsshowthatthedeviceautomaticallytracksthesun,andhashightrackingaccuracy.

Thesubjectcompletedatrackingcontrollerhardwareandsoftwaredesign.Hardwaredesignincluding:

trackingcontrolcircuit,steppingmotordrivecircuit,imageacquisitioncircuit,limitthesignalacquisitioncircuitandtheserialcommunicationcircuit.SoftwaredesignincludingthedesignofVisualC++controlplatformforthepreparationofhuman-computerinteraction,designMATLABalgorithmsforimageprocessingandacquisitiontrackbias,VCandMATLABbasedMCCjointprogramming.Measuredbytheexperimentalanalysisofthedatashowsthat:

Inthissystem,theaverageerrorofheightdegreetrackingandtheaverageerrorofazimuthdegreetrackingcanmeettherequirementsofthesystem.Theresultsandanalysisoftheexperimentshowthat,sun-trackingcontrollerachievedthedesiredresultsinreliability,trackingaccuracyandinterferenceimmunity.

Finally,thisthesissumminguptheworkandgivesthedirectionoffurtherstudy.

KeyWords:

solarautomatictracking;CMOSimagesensor;steppermotor;VC++

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

能源是人类赖以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由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等，这些都属于不可再生资源。

地球上的资源是有限的，但却以不断增长的速度在消耗。

能源短缺，矿物燃料减少和污染增加，彼此互相关联，威胁着人类的正常生活和持续发展。

常规能源逐渐枯竭，形势危机不容低估，所以寻找和开发新能源是一项刻不容缓的任务。

在众多可再生清洁能源中，太阳能是较理想的替代能源。

太阳每秒钟放射的能量大约是16×1023KW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1892×1013千亿吨，是目前世界主要探明能源储量的一万倍。

相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。

这就决定了开发利用太阳能资源将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的有效途径之一。

其次，太阳能不像其它的能源那样具有分布的偏集性，它处处都可就地利用，有利于缓解能源供需矛盾，缓解运输压力，对解决偏僻边远地区及交通不便的农村，海岛的能源供应，更有其明显的优越性。

并且太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染。

这在环境污染日趋严重的今天显得尤为重要。

随着太阳能利用技术的发展，太阳能利用的成本已经大大下降。

利用太阳能发电，既不会污染环境，又取之不尽，无处不在。

因此从长期来看，其发电成本要小的多，专家们的预测和研究一致认为21世纪人类最清洁，最廉价的能源就是太阳能。

因此太阳能资源是可替代能源中最引人注目、开发研究最多、应用最广的清洁能源。

但是，太阳能也不可避免地存在一些缺点，致使它未能迅速的大面积推广应用。

1、强度弱。

虽然到达地球大气上界和到达地球表面的太阳能总量都十分巨大，但它的强度却是相当弱的。

2、不稳定性。

同一个地点在同一天内，日出和日落时的太阳辐射强度远远不如正午前后。

而在同一个地点的不同季节里，冬季的太阳辐射强度显然又远远比不上夏季。

一个原因是，由于太阳的高度角不同，因此对同一个水平面的入射角自然不同。

当太阳高度角越大，或者说太阳辐射入射角越小，也就是越接近于正射时．地面上同一水平面内所接收到的太阳能就越多。

3、间歇性。

到达地面的太阳直接辐射能，随昼夜交替的变化。

这就使大多数太阳能设备在夜间无法工作。

为克服夜间没有太阳直接辐射，就需要研制和配备储能设备，以便在晴天时把太阳能收集并存储起来，供夜晚或阴雨天便用。

而目前太阳能利用的基本方式主要有：

1、光热转换。

它是靠吸收太阳辐射的光能直接转换为热能的。

这种途径虽最古老，但发展的最成熟、普及性最广、工业化程度最高。

光热转换提供的热能一般温度都较低，小于或等于100℃。

较高一些的也只有几百摄氏度。

显然，它的能源品位较低，适合于直接利用。

2、光电转换。

将太阳辐射的光能根据“光电转换”原理把光能变成电能再加以利用，常称“光伏转换”。

这是近几十年才发明和发展起来的。

由于电能的品位相当高，所以它的应用领域最宽、范围最广、工业化程度最高、发展最快且前景十分乐观。

3、太阳光导入。

目前，美、日、英、德等国联合主攻太阳光安全导入应用技术，已成功地将阳光导入产品推向民用消费市场。

运用该技术可直接将太阳光导入室内，适用于各种需要采集自然光的场合。

4、光化学转换。

通过光化学作用转换成电能或制氢。

这也是利用太阳能的一个途径。

二三十年前有不少人对此做了许多研究。

光化学转换技术目前仍处于研究、开发阶段。

5、光生物转换。

通过光合作用收集与储存太阳能。

近来在这方面的研究有所增加，人们期盼出现突破性的进展。

中国地处北半球，幅员辽阔，绝大部分地区位于北纬45°以南。

中国拥有丰富的太阳辐射能资源，太阳能的年辐射总量超过16.3×102kw·h/m2·a，约相当于1.2×104亿吨标准煤。

我国大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，有巨大的开发潜能。

中国太阳能辐射主要特点西部高于东部、北方高于南方。

这样来说，如何最大限度的提高太阳能利用率在当今社会显得尤为重要。

太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，太阳能发电已成为未来全球解决能源危机的最具独特优势的重要途径。

就目前的太阳能设备而言，如何最大限度的提高太阳能利用效率，仍为国内外学者的研究热点。

解决这一问题应从两个方面入手，一是提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，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。

香港大学建筑系的KPCheng和SCMHui教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，太阳能设备能量的接收率相差37.7%，可见精确的跟踪太阳可使太阳能设备的能量利用率大大提高。

太阳能每年有约350000000万亿瓦小时照射到地球表面。

使用直接的太阳能辐射，其效率比燃烧化石燃料要高出约1015倍，而且太阳能不会危及支撑生命的地球存在。

因此，从解决能源危机和节能绿色环保的角度上看太阳能具有无以比拟的优势，但从实际工程实践来看，有必要通过各种手段和途径发挥计算机的重要作用，把自动跟踪系统与太阳能发电设备相结合，使之大大提升自身的发电能力，提高设备的经济效益。

本课题为提高利用太阳能效率而进行太阳跟踪控制器的研究，对我们面临的日益严峻的能源问题、对大范围推广太阳能应用具有重大而深远的意义。

1.2国内外太阳跟踪的研究现状及发展现状

20世纪80年代后期，美国Sandia国家光伏实验室的AlexMaish开始着手开发太阳跟踪器（SolarTrack），在这之后的二十年里，高效率太阳跟踪控制器的研发也成为国内外许多科研机构所关注的课题。

国外对太阳跟踪的研究历来比较重视，1994年捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪。

1997年美国Blackace研制了单轴跟踪器，这种跟踪装置根据赤道坐标系下太阳运行的原理完成东西方向的自动跟踪，但南北方向通过手动调节，接收器的热接收率提高了15%。

1998年美国加州成功的研究了ATM两轴太阳跟踪器，使热接收率进一步提高。

Joel.H.Goodman研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳。

2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利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，大大拓宽了跟踪器的应用领域。

2006年2月，Acciona太阳能公司建立的被称为西班牙最大的太阳能电站设施开始投入使用，整个设施由400个太阳跟踪托盘，14400个电池板组成。

这些太阳跟踪托盘设计结构为全年每天根据太阳不同的位置跟踪阳光，与通常固定的平面系统相比，这种托盘设计可以增加35%的能源产出量。

2007年日本大成建设公司开发出了一种叫“T-Soleil”的新产品，T-Soleil系统设置在高楼内部和屋顶，由太阳自动跟踪型平面镜和多块反光镜组成。

太阳自动跟踪型平面镜安置在屋顶天井上方，由马达驱动，可以随着阳光移动同步进行旋转，通过多块反光镜反射太阳光让高楼的内部各处变得如同室外一样明亮。

就现阶段国内对太阳跟踪控制器的研究情况来看，由于受太阳能应用系统成本的影响，普遍采用半自动单轴跟踪方式。

随着科学技术的不断发展，光伏转换效率的提高，太阳跟踪装置的研究会朝着全自动太阳跟踪的方向发展。

全自动跟踪太阳装置是根据地平坐标、双轴跟踪原理，采用光、机、电、图像处理等技术，通过对太阳光强或形状的检测，实现对太阳的全自动跟踪，能做到同步无偏差地跟踪太阳，大大提高了太阳能的接收效率。

近年来，中央气象局、上海交通大学、重庆大学、南京航空航天大学等单位分别对太阳跟踪的算法进行了研究，并且都取得了一定的成果。

但总体来说，在我国，太阳跟踪技术仍不是十分成熟，从事太阳跟踪研究的人还不多，而且大部分处于理论研究阶段，实际产品还很少见。

1.3本课题的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，利用CMOS图像传感器采集太阳图像，经过数字图像处理后获取跟踪偏差。

改进后的太阳跟踪控制器具有较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，本文的结构如下：

第一章主要介绍了选题背景、目的和意义，以及国内外太阳跟踪的研究现状及发展。

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图像采集方案及图像分析计算。

第三章介绍了太阳跟踪控制器的硬件部分设计，主要包括单片机驱动接口电路、步进电机驱动电路、限位装置和通信电路等。

第四章介绍了太阳跟踪控制器的软件部分设计，主要包括采用VisualC++6.0编写人机交互控制平台、跟踪控制器的主程序设计、太阳高度角与方位角的软件算法、跟踪控制器校准原理、基于MCC实现VC与MATLAB联合编程以及单片机部分软件设计等。

第五章对课题的主要研究成果进行总结，给出下一步工作的展望。

2太阳跟踪控制器整体方案设计及图像采集

2.1系统总体设计

该系统主要由平面镜跟踪装置、控制和驱动电路、方位限位电路、CMOS图像传感器（附巴德膜滤波片）等部分组成。

系统总体设计框图如图2-1所示。

图2-1系统的总体框图

太阳跟踪控制器工作过程为：

上位机根据当地的经纬度和当前时间，调用SunPosition函数，获取太阳的高度角与方位角，并转化为俯仰和水平电机的运行步数，经数据处理后，通过RS485总线与单片机通信，驱动水平、俯仰两个步进电机动作实现太阳的跟踪。

视日运动轨迹跟踪结束后，VC调用MATLAB函数，控制图像传感器拍摄太阳图片，经图像处理后输出。

而限位装置可保证电机运行时，停在正确的位置，防止电机过位运转。

2.2CMOS图像采集

2.2.1图像传感器选型

图像传感器产品主要分为CCD,CMOS以及CIS传感器三种。

CMOS工艺是超大规模集成电路的主流工艺，集成度高，可以根据需要将多种功能集成在一块芯片上。

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在内的全部系统。

与传统的CCD图像传感器相比，把整个图像系统集成一块芯片上，不仅降低了功耗，而且具有重量轻、空间占有小以及总体价格低的优点。

目前CMOS型不仅价格低廉,而且已经实现数字化输出,软件可编程控制,大大降低系统设计的难度,提高系统设计的灵活性、抗干扰性和稳定性。

CMOS图像传感器满足系统设计要求。

本课题采用罗技公司的QuickCam系列网络摄像头,具有功耗小、成本低、单一电源驱动、易于实现片上系统集成等特点。

其开窗特征可以根据实际需要设置有效图像数据窗口的大小,从而避免了对无效数据的采集,减小存储空间。

2.2.2图像采集方案选择

由于太阳光十分强烈,因此在图像采集时,需要给摄像头加上巴德膜滤波片。

实验表明加两层滤波片后,所得到的图像效果较佳。

传统的方法是使用中性灰滤光镜。

但从节约成本考虑，本课题采用的是更加新型的滤光方式，选用来自德国的发明专利——巴德太阳观察保护膜AstroSolarTM。

巴德膜是一种镀了金属的树脂膜，可以用于目视和拍照。

它很薄，光学质量优异，目前可以买到的巴德膜有两种密度，分别为5.0（目视）和3.8（拍照）。

用于天文观测太阳，一般很难透光，只有在强光条件下才可以看到光。

图2-2和图2-3分别为摄像头加单层滤波片和双层滤波片所拍摄的太阳位置图片。

（a）原始图像（b）二值图像

图2-2摄像头加单层巴德膜拍摄的太阳照片

（a）原始图像（b）二值图像

图2-3摄像头加双层巴德膜拍摄的太阳照片

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、图像分割。

1、彩色图像转灰度图像。

通常，用摄像头获取的图像是彩色图像，它由R,G,B3个单色调配而成，各种单色都人为地从0-255分成了256个级。

根据R,G,B的不同组合，获取的彩色图像可以表示256×256×256=16777216种颜色。

通常数字图像的处理是先将彩色图像转换为灰度图像，然后再对灰度图像进行处理。

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

图像在拍摄或者传输过程中总会添加一些噪声，这样就影响了图像的质量。

进行中值滤波可以有效消除这些噪声，同时还实现了图像的平滑。

中值滤波是一种去除噪声的非线性处理方法，是由Turky在1971年提出的。

基本原理是：

把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替。

中值的定义如下：

一组数把n个数的大小顺序排列如下：

Y=Med=（2-2）

y称为序列的中值。

把一个点的特定长度或形状的领域称作窗口。

在一维情形下，中值滤波器是一个含有奇数个像素的滑动窗口，窗口正中间那个像素的值用窗口内各像素值的中值代替。

设输入序列为,I为自然数集合或子集，窗口长度为n，则滤波器的输出为：

（2-3）

其中：

i

在二维情形下，可以用某种形式的二维窗口。

设,表示数字图像各点的灰度值，滤波窗口为A的二维中值滤波可定义为：

=Med=Med（2-4）

3、图像分割处理

图像分割技术是把图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣目标的技术和过程，它是由图像处理跃入图像分析的关键步骤。

其目的是将目标和背景分离，为目标识别、精确定位等后续处理提供依据。

基于这种面向最终分析目的的思想，可选择相对形状测度、相对均匀测度和错分概率作为评估算法优劣的准则。

常用的有9中比较经典的阈值选取方法——极小值点阈值选取方法、最优阈值选取方法、迭代阈值选取方法、利用灰度统计直方图的凹性分析的阈值选取方法、最大熵法、模糊阈值选取方法、基于最大类间方差法求阈值、基于图像差距量的阈值选取方法、基于矩量保持的阈值选取方法。

鉴于本课题采集到太阳图像的特殊性，采用基于最大类间方差法求取图像阈值。

最大类间方差法又叫OTSU算法，其求解阈值过程如下：

（1）首先选择一个近似值作为图像f（x,y）的初始阈值

=（2-5）

为最小、最大灰度值。

算出每个灰度出现的概率

（2）根据阈值把图像分成目标区域和背景区域:

=,=（2-6）

计算这两个区域出现的概率,及平均值,

（2-7）

（3）计算的,方差,

=;=（2-8）

（4）计算类内方差、类间方差、总体方差

=+,,=+（2-9）

计算新阈值=和，k=k+1,回到（2-9）迭代计算，直到时迭代结束，此时的阈值即为最优解。

2.2.4光斑质心定位

在基于图像传感器构成的闭环式太阳跟踪系统中能否准确检测出太阳光斑质心位置是实现跟踪校正的关键，决定着系统的精度与可靠性。

一般图象处理系统对目标定位、跟踪时，确定目标位置的方法可分为两类，即波门跟踪和相关跟踪算法。

波门跟踪算法可分为两种，即边缘跟踪和形心跟踪。

形心跟踪又可分为双边缘中心跟踪、面积平衡法跟踪、质心跟踪和亮度中心跟踪等。

本课题采用质心跟踪的方法实现对太阳光斑目标的定位。

在二值图像中，设某一待求区域内所有像素（非零像素）的坐标记为:

（2-10）

则该区域质心坐标可表示为：

Sum（x）=,Sum（y）=（2-11）

（2-12）

在MATLAB7.0图像处理工具箱中的，提供了regionprops函数帮助求取图形区域质心。

regionprops函数是用来度量图像区域属性的函数。

在调用regionprops之前必须将二值图像转变为标注矩阵。

如图2-4所示一个区域求取质心示意图，绿色的方框代表某一待求区域，白色正方形代表该区域内的一个像素，红色原点代表该区域的质心。

图2-5给出几种不同形状的图形质心位置检测结果。

图2-4区域质心求取示意图

（a）圆形质心（b）椭圆质心

（c）正方形质心