太阳跟踪课程设计

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1、滨江学院课程设计论文题 目： 太阳跟踪仪系统设计 院 系： 自动控制系 专业班级： 自动化 组 长： 组 员：孔维斌（02）、金城（18）、刘阳（06）、陶恒（22）、 姜小龙（21）、赵伟（20）、陈骏（09）、潘佳笛（30）、方超（01）、童波（27）、徐宏武（23）、韩卫（26）、俞家伟（20）、蔡一正（29）、张润科（15）、王璐（31）、焦彬（实验班45）指导教师： 周旺平 二一三 年 一 月 十三 日太阳跟踪仪系统设计 南京信息工程大学滨江学院自动化专业，江苏 南京 210044摘要：本论设计的是一个太阳方位全自动跟踪仪，实现了利用摄像头来始终跟踪太阳。实验以单片机89系列芯片ST

2、C89C51作为主控芯片来设计高精度的太阳跟踪仪，分别通过高精度的永磁力矩直流电机精确控制其角位移。跟踪仪利用摄像头采集信息，根据得到的图像灰度值，设定一个阀值进行二值化，确定两个方向的偏差，接着用PID算法来分别控制x和y两个方向的偏差最终实现摄像头实时精确地跟踪太阳。 关键词：太阳跟踪，单片机89C51 ，摄像头，二值化 ，PID算法引言太阳跟踪仪是使得摄像头能够跟踪上太阳中心，如果可以实现这一功能，则在实际应用中，可以改进使得太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，采用太阳能跟踪仪能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。所以本文是实现太阳能高效率利用的前提

3、实验。1. 硬件介绍1.1单片机模块单片机又称单片微控制器， 是在一块芯片中集成了CPU（ 中央处理器）、RAM（ 数据存储器）、ROM（ 程序存储器）、定时器/ 计数器和多种功能的I/O（ 输入/ 输出） 接口等一台计算机所需要的基本功能部件，从而可以完成复杂的运算、逻辑控制、通信等功能。在简单了解了什么是单片机之后，然后我们来构建单片机的最小系统，单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51 系列单片机来说， 最小系统一般应该包括： 单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等。STC89C52单片机的引

4、脚图1-1-1所示：图1-1-1 STC89C52单片机引脚图1.1.1 单片机最小系统 单片机的最小系统框图如图1-1-2所示，单片机的最小系统的仿真图如图1-1-3所示：图1-1-2 单片机最小系统框图图1-1-3 单片机最小系统仿真电路图1.1.2 单片机复位电路复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。在系统中，为了实现上述的两项功能，采用常用的按键电平复位电路，这样复位键有复位和停止两个功能，如图1-1-4所示

5、：图1-1-4 复位电路从图中可以看出，当系统得到工作电压的时候，复位电路工作在上电自动复位状态，通过外部复位电路的电容充电来实现，只要Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位功能。在本系统中，采用10uF的电容和100k的电阻来实现复位电路。当系统出错时，直接按开关实现模拟系统上电复位的功能，从而实现系统重新复位启动。1.1.3 时钟电路时钟电路是用于产生单片机工作时所必需的时钟信号。时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地一拍一拍地工作。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。在本系统中采用外部时钟方式的电路，

6、如图1-1-5所示：图1-1-5 系统时钟电路在本设计中的电容C1、C2典型值为30±10 pF。外接代内容的值虽然没有严格的要求，但是电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振的快速性。同时，在系统中采用12MHz的晶体振荡器来产生时钟脉冲。这样可以满足系统在设计时的机器周期的需要。1.2图像采集模块1.2.1 摄像头ov7620的介绍 OV7620 是美国OmniVision 公司开发的CMOS 彩色图像传感器芯片, 该芯片将CMOS 传感器技术与数字接口组合, 用于视频图像应用。OV7620 芯片的基本参数为:1) 单片1/ 3 英寸彩色/ 黑白数字图像传感器, 48 引脚。2) 隔

7、行扫描或逐行扫描。3) 图像尺寸: 4. 86* 3. 64 mm。像素尺寸:7. 6 um ×7. 6 um4) 有效像素: 664* 492, 默认值: 640* 480;5) 内部10 bit 双通道A/ D 转换, 8/ 10b it 输出。6) 曝光设定500: 1;7) 信噪比> 48 dB; OV7620 是高性能的数字图像传感器, 可提供彩色/ 黑白多种格式的输出, 且支持8/ 16 Bit 60H Z YCrCb 4: 2: 2格式, 8/ 16 Bit RGB RAW 数据, 和CCIR601/ CCIR656 格式。并可用SCCB 进行内部寄存器编程。在输

8、出数字视频流的同时还提供像素时钟PCLK、水平参考信号HREF、垂直同步信号VSYNC 便于外部电路读取图像, 并可编程设置HREF、V SYNC 在图像局部开窗, 输出窗口图像。它被广泛应用在网络摄像头、摄像手机等产品中。由它组成的图像采集系统，比较常见的设计方法为OV7620搭配OV5ll+或CPLDFPGA。OV7620有4个同步信号，VSYNC（垂直同步信号）、FODD（奇数场同步信号）、HSYNC（水平同步信号）和PCLK（像素同步信号）。采用连续扫描方式时，只使用VSYNC和HSYNC、PCLK三个同步信号，为检测OV7620扫描窗口的有效大小，还引入HREF水平参考信号。ARM的

9、三个外部中断引脚分别作为3个同步信号的输入，在内存中定义一个二维数组存储图像数据，一维用于水平同步信号计数，二维用于像素同步信号计数。图像采集的流程为：初始化好OV7620后，使能VSYNC对应的中端，在中断服务程序中判断是否已取得一帧数据，接收到则进行数据处理。1.2.2 工作原理图像传感器即摄像头，是组成机器视觉系统的非常重要的元器件。根据其原理不同分摄像头主要分为两种：CCD(Charge Coupled Device)摄像头，CMOS摄像头。CCD也称电耦合器件，其工作原理是：被摄物体反射光线到摄像头上，经过镜头聚焦到CCD感光芯片上，感光芯片根据光线的强弱积聚相应电荷，经周期性放电而

10、产生表示图像的电信号。CMOS摄像头其实跟CCD差不多，也是将光转换成电信号的器件。它们的差异之处就是图像的扫描方式不同，CCD是采用连续扫描方式，即它只有等到最后一个像素扫描完成后才进行放大；CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷放大为电信号的转换器。 CMOS传感器的图像采集方式为主动式， 感光二极管所产生的电荷直接由晶体管放大输出，不需要外加电压，5V的电压就可以工作，所以CMOS的功耗比CCD要小。由于CMOS功耗小，较CCD要便宜，而且图像质量满足要求。 本次设计采用的OV7620这一款摄像头。1.2.3 工作时序 OV7620的同步信号时序如下：场同步信号VSYN为两个正脉冲之间扫

11、描一帧的定时，即完整的一帧图像在两个正脉冲之间；行同步信号HREF扫描该帧图像中各行像素的定时，即高电平时为扫描一行像素的有效时间；像素同步信号PCLK为读取有效像素值提供同步信号，高电平时输出有效图像数据。VYNSC 是判断是否一幅图像开始，周期是 20ms, 其中高电平持续时间很短；HREF 是判断是否一行图像的开始，周期是 63us 左右，其中高电平持续时间为 40US，低电平持续时间 23US.摄像头实物图如图1-2-1所示： 图1-2-1 摄像头实物图PIN1-PIN8 灰度信号输出接口 Y0-Y7PIN11 SCCB数据接口 SDAPIN12 奇偶场同步信号 PODDPIN13 S