基于COMS圖像傳感器的太陽自動跟蹤控制器設計與實現

　　太陽跟蹤的方法很多，主要可以分為兩種方式，即光電跟蹤和根據視日運動軌跡跟蹤。光電跟蹤裝置優點是靈敏度高，結構設計簡單，能通過反饋消除累計誤差，具有較大的優勢。其關鍵部件是光電傳感器，常用的是光敏電阻。由于光敏電阻安放位置的不連續和環境散射光的影響，系統不能連續跟蹤太陽，精度有限。

　　因此需對光敏電阻的結構進行優化，而通過增加光敏電阻個數的方法則會造成裝置結構復雜，成本提高。通過分析，采用圖像傳感器代替了光敏電阻檢測太陽位置的變化，可以準確、快速地獲得太陽位置信息，從而提高了跟蹤精度。同時其結構簡化，成本降低。

　　1 系統總體設計

　　該系統主要由平面鏡跟蹤裝置、控制和驅動電路、方位限位電路、CMOS圖像傳感器(附巴德膜濾波片)等部分組成。系統總體設計框圖如圖1所示。跟蹤裝置實物圖如圖2所示，圖像傳感器固定在平面鏡中心。圖像傳感器產品主要分為CCD，CMOS以及CIS傳感器三種。目前CMOS型不僅價格低廉，而且已經實現數字化輸出，軟件可編程控制，大大降低系統設計的難度，提高系統設計的靈活性、抗干擾性和穩定性。

　　CMOS圖像傳感器滿足系統設計要求。跟蹤控制器采用羅技公司的QuickCam系列網絡攝像頭，具有功耗小、成本低、單一電源驅動、易于實現片上系統集成等特點。其開窗特征可以根據實際需要設置有效圖像數據窗口的大小，從而避免了對無效數據的采集，減小存儲空間。

　　由于太陽光十分強烈，因此在圖像采集時，需要給攝像頭加上巴德膜濾波片。實驗表明加兩層濾波片后，所得到的圖像效果較佳。

　　系統工作過程為：啟動時，上位機VC++調用視日運動規律中的sun函數，獲取太陽的高度角與方位角，并轉化為俯仰和水平步進電機的運行步數，通過RS 485總線與單片機通信，驅動跟蹤裝置運轉，確保太陽光斑裝入CMOS圖像傳感器視角內。

　　通過MCC實現VC++與Matlab聯合編程，實時控制圖像傳感器采集太陽光斑圖像。VC++程序設置為每隔5 min自動調用傳感器拍一次照，傳回的圖像經Matlab處理，計算出太陽光斑質心坐標與圖像中心坐標的偏差，轉化為水平和俯仰電機需調整的步數，返回給 VC++，再次送給單片機，驅動步進電機動作，進而細微調整平面鏡跟蹤裝置，使太陽光斑始終在圖像中心位置。

　　當厚云層擋住太陽時，或者由于其他原因太陽光斑無法出現在傳感器視角內，則VC++調用時鐘跟蹤算法，繼續跟蹤，直到云層過去后，再重新使用圖像傳感器跟蹤。

　　2 圖像傳感器實時跟蹤太陽的設計

　　2.1跟蹤控制器的首次定位

　　啟動時，上位機中VC++程序首先調用視日運動規律中的sun函數(此后跟蹤過程中無需再調用)，返回此時的太陽高度角和方位角，換算成俯仰和方位步進電機所需的步數，數據送給單片機，驅動跟蹤裝置運轉，確保太陽光斑裝入圖像傳感器視角內。子程序得到所需要運行的步數，列出部分代碼：

　　sun()函數中各個變量的含義：

　　而PC與單片機通信協議如下：

　　狀態各位定義如下：

　　其中：6，5必須同時為1時，系統復位。