基于DSP的太陽光檢測裝置電路設(shè)計

李瑜

摘要：該文研究一種基于DSP的太陽光檢測裝置電路設(shè)計。根據(jù)小孔成像原理，采用CMOS圖像傳感器OV7670采集太陽光斑，經(jīng)DSPTMS320LF2407A處理控制，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)適時調(diào)整成像機(jī)構(gòu)所在平面與太陽光線的夾角使得太陽能充分采集，實(shí)現(xiàn)自動跟蹤。

關(guān)鍵詞：太陽光；圖像傳感器；數(shù)字信號處理器（DSP）

中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）16-3933-04

Abstract： A sunlight detecting equipment circuit is designed based on DSP in this paper. According pinhole imaging principle， using CMOS image sensor OV7670 capture the sun spot by DSP TMS320LF2407A process control， it can control actuators to adjust the angle between the plane of the imaging mechanism and the sun's rays. So it canmake solar full collection， and achieve the automatic tracking.

Key words： Sunlight； Image sensor； Digital signal processor （DSP）

隨著不可再生資源的逐漸減少，造成全球能源危機(jī)，新能源的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。如太陽能以其具有儲量的無限性，存在的普遍性，利用的清潔性，利用的經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)[1]。

但由于太陽能的能源具有不連續(xù)性、密度低、空間分布不均的特點(diǎn)，使得收集和利用不方便。為提高設(shè)備對太陽能能量的接收效率，太陽光自動跟蹤裝置應(yīng)運(yùn)而生。裝置設(shè)計原理主要可分為：時鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置幾種[2]。

其中，時鐘式和程序控制式的跟蹤裝置電路簡單，時鐘累計誤差大且不能自動消除，跟蹤精度較低；壓差式和控放式的跟蹤裝置原理結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)計難度大，只能用于單軸跟蹤，控制精度低；光電式跟蹤裝置具有較高的靈敏度，具有相應(yīng)速度快、噪聲低、小型輕量及耐震性的特點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)，但不能進(jìn)行連續(xù)跟蹤。因此，設(shè)計一種全新的太陽光跟蹤裝置，使之能夠兼具電路原理結(jié)構(gòu)簡單，跟蹤范圍廣、精度高，且能實(shí)時自動跟蹤的特點(diǎn)。從而廣泛推動太陽能的普及利用。

本文設(shè)計了一種基于視覺的太陽光檢測裝置，與現(xiàn)有的其它方法相比具有直觀，方便的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)小孔成像原理，采用CMOS圖像傳感器OV7670采集太陽光斑，經(jīng)DSPTMS320LF2407A核心處理器控制相關(guān)參數(shù)設(shè)置寄存器變量來實(shí)現(xiàn)，并可通過串行通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。對太陽光斑定位的同時控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)適時調(diào)整成像機(jī)構(gòu)所在平面與太陽光線的夾角使得太陽能充分采集，實(shí)現(xiàn)自動跟蹤。該裝置對全方位監(jiān)控系統(tǒng)也有一定的借鑒意義，有著重要的使用價值和良好的應(yīng)用前景。

1 裝置組成的工作原理

該裝置主要由成像機(jī)構(gòu)、采集控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，工作原理如圖1所示。

2 裝置的成像機(jī)構(gòu)

成像機(jī)構(gòu)：主要包括光學(xué)系統(tǒng)、圖像傳感器部分。

采集太陽光時，利用小孔成像原理，通過小孔及下方的成像機(jī)構(gòu)，將太陽光投影至接收屏上形成光斑圖像。接收屏下方另設(shè)有圖像傳感器，常用的有三種：CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器及CIS接觸式圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器以其高集成度、高速、小體積、低成本、低功耗、且單一電源即可驅(qū)動等特點(diǎn)在市場占據(jù)了大量的份額。雖然它處理的圖像質(zhì)量，如噪聲比、分辨率、靈敏度不高，但對于本系統(tǒng)對圖像質(zhì)量要求并不高的環(huán)境，再兼顧C(jī)MOS圖像傳感器具有軟件可編程控制，可實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字化輸出，能夠大大降低系統(tǒng)設(shè)計的難度，提高系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性和靈活性的優(yōu)勢，最終選用了OmniVission公司生產(chǎn)的數(shù)字式彩色CMOS圖像傳感器OV7670。

CMOS圖像傳感器OV7670初始化流程圖如圖2所示。

3 裝置的采集控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)

采集控制機(jī)構(gòu)：選用TI公司生產(chǎn)的型號為TMS320LF2407A的專用于控制的DSP數(shù)字信號處理器作為系統(tǒng)的核心處理器。

本系統(tǒng)由DSP控制，主要完成圖像的采集和處理部分。接收屏上的太陽光斑圖像信息，通過CMOS圖像傳感器輸出為數(shù)字信號，DSP采集這些數(shù)字信息進(jìn)行處理，得到太陽光斑在接收屏上的位置坐標(biāo)，并保存接收屏的圖像數(shù)據(jù)，通過串口與PC機(jī)通信，將接受屏的太陽光斑圖像、此時的太陽高度角、方位角在顯示器上全部顯示出來。

3.1圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)如圖3所示，是由CMOS圖像傳感器OV7670，數(shù)據(jù)隔離器74LVCH16245及DSP數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A三部分組成。由于OV7670沒有片選端，且不具有三態(tài)輸出，因此在將OV7670采集到的太陽光斑圖像存入到DSP外部RAM時，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)線的總線競爭，為了避免這個問題，在OV7670與DSP之間加了一個數(shù)據(jù)隔離芯片，型號是Philips公司生產(chǎn)的74LVCH16245。

3.2圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)如圖4所示，由DSP外圍電路和DSP存儲空間設(shè)計兩部分組成。

1）DSP外圍電路

DSP外圍電路的設(shè)計主要包括復(fù)位電路、PLL鎖相環(huán)電路、電源管理電路、信號隔離電路、JTAG掃描仿真口、外擴(kuò)存儲器電路及SCI通信模塊電路。

具體電路連接圖如圖5所示。

本裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由控制機(jī)構(gòu)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動進(jìn)行太陽光線的跟蹤。

4 結(jié)論

由DSP采集、處理、識別檢測到的太陽的高度角和方位角判斷成像機(jī)構(gòu)所在平面是否與太陽光線始終保持垂直夾角，若有偏差，系統(tǒng)控制電路發(fā)出控制信號給步進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)帶動整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)成像機(jī)構(gòu)對太陽高度角和方位角的實(shí)時跟蹤。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭飛.碟式太陽能熱發(fā)電跟蹤機(jī)構(gòu)電路優(yōu)化設(shè)計和實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國科學(xué)院，2003.

[2] 孫茵茵，鮑劍斌，王凡.太陽自動跟蹤器的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2005，7（7）：157-159.

[3] TMS320LF2407A.DSP CONTROLLERS.SPRS145K，JULY 2000，REVISED AUGUST 2005.www.ti.com.