太阳自动跟踪系统的研究

（ Institute of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Technology，Huainan 232001，China）
Abstract： This paper designs the automatic tracking system of the sun based on the image sensor． It detects the
图 2 图像传感器电路连接
因为系统在调试时将图像传感器采集到的图像存 入 DSP 外部的 ＲAM 中，而 OV7171 不是三态输出且无 片选信号，所以在 OV7171 和 DSP 之间采用 Philips 公 司的 74LVCH16245 芯片来防止 数 据 线 的 总 线 竞 争。 该数据隔离芯片 74LVCH16245A 的供电范围为 1． 2 ～ 3． 6 V，并可耐受 5 V 电压，可以作为一个 16 位或两个 8 位的三态双向缓冲器。
收稿日期： 2013 － 08 作者简介： 欧阳名三（ 1967—） ，男，博士，教授，从事自动化控制方面的教学和研究工作。
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仪表技术
2013 年第 11 期
OV7171。DSP 的基本外围电路的设计在此就不做具 体叙述，下面主要给出图像传感器和电机与 DSP 的电 路连接图。
如图 2 所示，CMOS 图像传感器 OV7171，数据缓 冲隔离器 74LVCH16245A 以及 DSP TMS320LF2407A 三个芯片组成了图像采集系统。
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当然，本文还有许多不完善的地方，例如可以使用 更加精确的图像跟踪算法，使对太阳的定位更加准确。 实验时只测试了步进电机在空载条件下的运行控制， 整个系统工作时还要合理控制，要避免失步，以提高整 个装置的跟踪精度。
参考文献：
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then it simplifies the locating and tracking algorithm according to features of the images collected． The driven parts rotate
an angle in two corresponding directions to achieve tracking．
为了使 CMOS 图像传感器可以采集到图像，按照 小孔成像原理设计了一次传感器，将发散的太阳光线 投影在接收屏上，出现图像传感器可以采集的光斑图 像信息，同时输出图像信号。
图 1 为跟踪系统的总体控制框图。
2 跟踪系统控制策略
DSP 处理器对采集到的图像进行处理，根据光斑 图像的亮度特征来确定光斑的中心，并计算得到光斑 中心的坐标，然后通过计算得到太阳光线相对于接收
图 3 电机控制电路连线图
4 自动跟踪系统软件设计 为了更好地发挥系统的硬件资源并最终达到设计
指标，软件设计是系统必不可少的一部分。系统的主
2013 年第 11 期 程序流程图如图 4 所示。
仪表技术
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图 4 主程序流程图
由前文介绍，通过比较整个图像各位置像素点的 灰度，能够得出光斑中心的位置，跟踪算法简单。程序 流程图如图 5 所示。
5 结论
图 5 光斑定位程序流程图
不同位置光源入射后光斑位置示意图如图 6 所 示。
根据太阳高度角和方位角的原理可以计算出光源 的偏移角度，由步进电机驱动器的细分数可以得到步 距角，按步距角可以将上面检测得的角度转换成步进
图 6 光斑在各个象限的位置
电机应该转过的步数，控制电机在水平和俯仰方向上 各转动相应的步数，使光伏阵列的受光面垂直于入射 光线，从而完成跟踪过程。通过实验，可以实现对光线 位置的连续检测，步进电机的运行也比较平稳，有较好 的跟踪精度。
3 自动跟踪系统硬件组成
TMS320LF2407A 是一种高性能的数字信号处理 器（ Digital Signal Processing） ，是 一 款 定 点 DSP 控 制 器，它采用了高性能静态 CMOS 技术，使得供电电压降 为 3． 3 V，减小了控制器的功耗，具有强大的指令系 统、高速处理能力和改进型的哈佛结构 （ 即数据存储 器和程序存储器都有其各自的总线） ，还具有多级流 水线、灵活方便的接口、集成片内外设以及片内存储器 等优点，适合于本文中的系统。本文系统俯仰和方位 转轴的电机均使用 57 型混合式步进电机，图像传感器 采用 OMNIVISION 公司生产的 30 万像素图像传感器
行部分在两个方向上各旋转相应的角度实现跟踪。
关键词： 自动跟踪； 图像传感器； 数字信号处理器
中图分类号： TP273
文献标识码： A
文章编号： 1006 － 2394（ 2013） 11 － 0021 － 03
Design of Sun-tracking System
ห้องสมุดไป่ตู้
OUYANG Ming-san，XU Ｒui
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（ 许雪军编发）
1 跟踪系统的总体控制框图
屏偏转的角度，即高度角和方位角； DSP 控制驱动机构 转动步进电机来调整跟踪装置，使成像机构的受光面 垂直于太阳光线，从而可以完成跟踪。其中图像的采 集处理和电机控制均通过 DSP 处理器完成。
在图像处理的过程中先进行阈值分割，把图像二 值化，二值化图像阈值分割是利用同一区域具有某种 共同的灰度特性进行图像的分割，其基本原理就是将 图像中的每个像素与选取一个合适的灰度阈的阈值进 行比较，分别指定一个灰度值为灰度值超过和低于阈 值的点，此时目标与背景已经被分割，出现分割后的二 值化图像。其基本数学描述形式为： 假设图像 f（ x，y） 的灰度范围是［f1 ，f2 ］，阈值分割法就是在 f1 和 f2 之间 选择一个灰度值 T 作为阈值，分割图像形成了二值化图 像。若 f（ x，y） ≥T，则 fT（ x，y） = 1； 否则 fT（ x，y） = 0。
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太阳自动跟踪系统的研究
欧阳名三，徐 锐 （ 安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）
摘要： 研究了基于图像传感器的太阳自动跟踪系统，采用图像传感器检测太阳位置变化，按照小孔成像原理设计一次传感器， 将太阳投影为可采集的光斑图像。通过对光斑定位得到太阳的偏转角度，针对所采集图像的特点来简化跟踪定位算法，最终使执
俯仰轴和方位轴的步进电机的 PWM 脉冲信号， 分别由电机接口的第 7 脚（ XPWM1） 、11 脚（ XPWM4） 引出接至两电机驱动器的脉冲信号 PUL 端，俯仰轴和 方位轴步进电机的方向信号，分别由电机接口的第 9 脚以及 13 脚提供，本系统步进电机不使用使能信号， 故不接该线。电机控制电路连线图如图 3 所示。
changing position of the sun． Imaging body is designed by the principle of pinhole imaging． Then the sun projection into
the spot image can be collected by the image sensor． The deflection angle of the sun is got by locating the spot． And
1 太阳自动跟踪系统的原理
目前国内外采用的太阳跟踪方式有很多，主要有
太阳运行轨迹跟踪即时钟跟踪，传感器跟踪等方式，传 感器跟踪又有光电传感器跟踪和图像跟踪两种，跟踪 太阳运行轨迹和光敏传感器跟踪都存在局限性。故本 文采用图像传感器代替光电式跟踪的光敏电阻实现对 太阳位置变化的检测，克服光敏电阻检测时不连续的 缺点，对太阳光线较小或者较大的角度变化作出及时 反应，提高跟踪精度，并采用双轴跟踪的方式对太阳的 方位角和高度角两个方向上进行跟踪。太阳光线发 散、光强太强，以及图像传感器自身的限制，这使得无 法用传感器直接拍摄天空中的太阳。
Key words： automatic tracking； image sensor； DSP
0 引言
现今，随着经济的发展和工业化程度的上升，人们 利用能源的水平逐渐得到提高，使得人类社会对于能源 的需求量在逐渐增加。但是一些常规的能源储量无法 满足人类对能源的需求，正面临枯竭，能源危机显得不 可避免。各个国家一直在努力开发利用可再生能源和 绿色能源以实现人类社会的可持续发展。基于综合储 量稳定性等各种因素，太阳能是最有发展潜力的可靠的 绿色能源之一，可以成为最符合可持续发展战略的理想 的新型的可再生绿色能源。由于太阳能光伏发电目前 的成本较高，而成本问题也是光伏产业一直没有取得迅 速发展的原因，之前专家都想通过改进太阳能电池的生 产工艺来降低成本，但效果并不明显，而采用聚光光伏 发电技术能在一定程度上降低光伏发电成本。而太阳 自动跟踪系统则是聚光光伏发电技术中最为重要的一 部分，本文就针对太阳自动跟踪系统进行了研究。