基于视觉的太阳光线自动跟踪装置

论文摘要

随着社会经济的发展,能源和资源的消耗速度越来越快。节约能源、保护环境已经成为人类可持续发展的必要条件。人们的注意力正转向再生能源的利用和开发,而太阳能是未来人类最安全、最绿色、最理想的替代能源。但由于太阳能空间分布不断变化,使其利用的效率不高,太阳光线自动跟踪装置为解决这一问题提供了条件。本文正是在这一背景下,提出并完成了基于视觉的太阳光线自动跟踪装置的研究。论文分析了国内外太阳跟踪装置的特点,比较理想的光电式跟踪装置能通过反馈消除累积误差,但由于选用光敏电阻,造成其不能连续检测太阳光线的变化。在综合考虑这些特点的基础上,提出了基于图像传感器和数字信号处理器实现跟踪的方案。根据小孔成像原理设计光学成像机构,将发散的太阳光在接收屏上投影为太阳光斑;安置在接收屏下方的图像传感器采集光斑图像,并输出数字图像信号;DSP对该数字图像进行处理,依据提取到的光斑亮度特征,定位光斑在接收屏上的位置坐标以及太阳光相对接收屏的高度角和方位角;采用异步串口实现与PC的数据通信,并在PC机上显示检测结果。当成像机构与太阳光线不垂直时,DSP根据上述两个角度通过步进电机控制执行机构,调整成像机构的位置达到跟踪的目的。基于视觉的太阳光线跟踪装置,根据系统的控制要求,选用了OV7670图像传感器和TMS320LF2407A DSP作为核心部件,设计了相应的控制系统,完成了电路板的制作调试并对其进行了结果仿真。根据系统特点和所要实现的功能,论文主要完成了前端光学成像机构的设计,采集电路及DSP外围电路的设计,实现跟踪的相应软件设计及其整个装置的机械结构的设计。实验结果表明,该装置满足测量要求,达到了研究的预期目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外研究动态及发展现状
• 1.4 目前存在的问题
• 1.5 课题的主要工作及要达到的目标
• 1.6 论文的安排
• 第二章 系统的整体设计方案
• 2.1 跟踪方案的选择
• 2.1.1 检测方式的选择
• 2.1.2 跟踪方式的选择
• 2.2 装置的组成及工作原理
• 2.3 系统的设计要点
• 2.4 小结
• 第三章 系统硬件电路的设计
• 3.1 成像结构设计
• 3.1.1 图像传感器的选择
• 3.1.2 镜头选择及尺寸设计
• 3.1.3 角度调整原理
• 3.2 图像采集电路设计
• 3.2.1 图像采集硬件电路设计
• 3.2.2 时序的匹配
• 3.3 DSP电路设计
• 3.3.1 微处理器的选择
• 3.3.2 辅助电路设计
• 3.3.3 存储器空间设计
• 3.3.4 存储器选择
• 3.3.5 外部RAM与DSP接口电路
• 3.3.6 存储空间的分配
• 3.4 通讯接口设计
• 3.4.1 SCI简介
• 3.4.2 硬件电路设计
• 3.5 小结
• 第四章 跟踪系统的设计
• 4.1 步进电机的选择
• 4.2 步进电机驱动器选择
• 4.3 步进电机的DSP控制电路
• 4.3.1 39BYG411型步进电机
• 4.3.2 CW230型驱动器
• 4.3.3 DSP与驱动器的连接
• 4.4 机械执行机构
• 4.5 小结
• 第五章 软件设计
• 5.1 集成开发环境CCS简介
• 5.2 系统软件程序设计
• 5.2.1 DSP初始化
• 5.2.2 图像采集程序
• 5.2.3 光斑定位程序
• 5.2.4 串行通讯程序
• 5.2.5 步进电机驱动程序
• 5.3 小结
• 第六章 实验结果
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录A 电路原理图
• 在学研究成果
• 致谢