太阳光定向照射系统的研究与实现

摘要

能源的持续消耗给各个地区的社会发展都带来了一定的问题，因此研究可再生能源是未来的趋势。太阳能是众多绿色能源的一种，但其利用率不高，有时无法达到使用需求，因此本文研究了一款太阳光定向照射系统，该系统能够把外部低亮度、不同方向的太阳光汇聚并定向地照射在指定区域，以达到高效率利用太阳光以及定向照射的目的。
　　本文首先通过太阳光照射的要求，选择聚调光结构和导光结构;在此基础上为了使得上述结构完成跟踪太阳和定向照射的任务，设计太阳光信息采集装置并确定跟踪控制方案:采用视日运动轨迹跟踪与图像传感器跟踪的混合方式。
　　接着通过跟踪控制方案搭建跟踪系统硬件平台:以STM32F407作为信息处理的芯片、OV7670和LCD作为太阳采集和显示部分、电机驱动模块作为相应结构的控制负载。
　　在软件程序方面，本课题在研究视日运动轨迹跟踪算法的基础上，通过对太阳光斑图像进行一系列图像处理仿真（灰度化处理、滤波处理、二值化处理），得出两种质心计算方法（质心法和带阈值质心法），并由此得到电机驱动参数。最后根据以上分析编写相应的跟踪程序。
　　实验结果表明:本系统可以成功地在硬件平台上对太阳光斑进行图像处理和质心坐标的获取（质心法和带阈值质心法）;在使用这两种方法进行定向照射实验时，均可在不同时间段内稳定有效地达到指定区域照射的标准，它们的跟踪精度分别0.52(±0.09)°～0.58(±0.09)°和0.52(±0.04)°～0.59(士0.04)°，都达到了预期跟踪精度的目标（0.5°左右）;通过定向照射区域光斑的偏移量也可计算出两种方法的跟踪精度都在0°～0.6°之内。由以上实验可知该系统达到了预期的设计目标。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 世界能耗现状

1．1．2 太阳能的优点和不足

1．2 太阳能利用方式和场合

1．3 太阳能技术的国内外现状

1．3．1 太阳照射技术的国内外现状

1．3．2 跟踪技术的国内外现状

1．4 课题的主要工作目标

1．4．1 系统实现的功能

1．4．2 本文的内容安排

2 太阳光定向照射系统整体设计

2．1 聚调光结构选择

2．1．1 聚调光装置

2．1．2 跟踪驱动装置

2．2 导光结构选择

2．3 太阳光信息采集装置选择

2．4 太阳跟踪系统整体方案设计

2．4．1 开环跟踪系统

2．4．2 闭环跟踪系统

2．4．3 混合式跟踪方案设计

2．5 本章小结

3 跟踪控制系统硬件平台搭建

3．1 核心板的芯片选择

3．2 太阳光信息采集显示模块

3．2．1 图像传感器的选型

3．2．2 图像采集和传输设计

3．2．3 LCD硬件选型

3．3 电机驱动模块

3．3．1 电机的选型

3．3．2 电机驱动器的选择

3．4 本章小结

4 跟踪控制系统算法研究与程序设计

4．1．2 相应太阳角度的计算

4．1．3 跟踪程序设计

4．2 图像传感器定位跟踪算法研究与程序设计

4．2．1 灰度化

4．2．2 滤波

4．2．3 二值化

4．2．4 光斑质心坐标检测

4．2．5 相应电机参数的计算

4．2．6 跟踪程序设计

4．3 跟踪控制系统整体程序设计

4．4 本章小结

5 实验

5．1 硬件平台实验

5．2 定向照射实验

5．2．1 跟踪精度结果与分析

5．2．2 室内照射结果与分析

5．2．3 定向照射区域光斑偏移量与分析

5．3 本章小结

6．1 课题研究工作和结论

6．1．1 课题研究工作

6．1．2 实验结论

6．2 不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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