基于DSP的太阳光检测装置电路设计

李瑜

摘要：该文研究一种基于DSP的太阳光检测装置电路设计。根据小孔成像原理，采用CMOS图像传感器OV7670采集太阳光斑，经DSPTMS320LF2407A处理控制，并控制执行机构适时调整成像机构所在平面与太阳光线的夹角使得太阳能充分采集，实现自动跟踪。

关键词：太阳光；图像传感器；数字信号处理器（DSP）

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：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）

随着不可再生资源的逐渐减少，造成全球能源危机，新能源的开发应运而生。如太阳能以其具有储量的无限性，存在的普遍性，利用的清洁性，利用的经济性等特点成为研究的热点[1]。

但由于太阳能的能源具有不连续性、密度低、空间分布不均的特点，使得收集和利用不方便。为提高设备对太阳能能量的接收效率，太阳光自动跟踪装置应运而生。装置设计原理主要可分为：时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置几种[2]。

其中，时钟式和程序控制式的跟踪装置电路简单，时钟累计误差大且不能自动消除，跟踪精度较低；压差式和控放式的跟踪装置原理结构较复杂，设计难度大，只能用于单轴跟踪，控制精度低；光电式跟踪装置具有较高的灵敏度，具有相应速度快、噪声低、小型轻量及耐震性的特点容易实现，但不能进行连续跟踪。因此，设计一种全新的太阳光跟踪装置，使之能够兼具电路原理结构简单，跟踪范围广、精度高，且能实时自动跟踪的特点。从而广泛推动太阳能的普及利用。

本文设计了一种基于视觉的太阳光检测装置，与现有的其它方法相比具有直观，方便的优点。根据小孔成像原理，采用CMOS图像传感器OV7670采集太阳光斑，经DSPTMS320LF2407A核心处理器控制相关参数设置寄存器变量来实现，并可通过串行通信实现远程监控。对太阳光斑定位的同时控制执行机构适时调整成像机构所在平面与太阳光线的夹角使得太阳能充分采集，实现自动跟踪。该装置对全方位监控系统也有一定的借鉴意义，有着重要的使用价值和良好的应用前景。

1 装置组成的工作原理

该装置主要由成像机构、采集控制机构和执行机构组成，工作原理如图1所示。

2 装置的成像机构

成像机构：主要包括光学系统、图像传感器部分。

采集太阳光时，利用小孔成像原理，通过小孔及下方的成像机构，将太阳光投影至接收屏上形成光斑图像。接收屏下方另设有图像传感器，常用的有三种：CCD图像传感器、CMOS图像传感器及CIS接触式图像传感器。

CMOS图像传感器以其高集成度、高速、小体积、低成本、低功耗、且单一电源即可驱动等特点在市场占据了大量的份额。虽然它处理的图像质量，如噪声比、分辨率、灵敏度不高，但对于本系统对图像质量要求并不高的环境，再兼顾CMOS图像传感器具有软件可编程控制，可实现直接数字化输出，能够大大降低系统设计的难度，提高系统设计的稳定性和灵活性的优势，最终选用了OmniVission公司生产的数字式彩色CMOS图像传感器OV7670。

CMOS图像传感器OV7670初始化流程图如图2所示。

3 装置的采集控制与执行机构

采集控制机构：选用TI公司生产的型号为TMS320LF2407A的专用于控制的DSP数字信号处理器作为系统的核心处理器。

本系统由DSP控制，主要完成图像的采集和处理部分。接收屏上的太阳光斑图像信息，通过CMOS图像传感器输出为数字信号，DSP采集这些数字信息进行处理，得到太阳光斑在接收屏上的位置坐标，并保存接收屏的图像数据，通过串口与PC机通信，将接受屏的太阳光斑图像、此时的太阳高度角、方位角在显示器上全部显示出来。

3.1图像采集系统

图像采集系统如图3所示，是由CMOS图像传感器OV7670，数据隔离器74LVCH16245及DSP数字信号处理器TMS320LF2407A三部分组成。由于OV7670没有片选端，且不具有三态输出，因此在将OV7670采集到的太阳光斑图像存入到DSP外部RAM时，容易产生数据线的总线竞争，为了避免这个问题，在OV7670与DSP之间加了一个数据隔离芯片，型号是Philips公司生产的74LVCH16245。

3.2图像处理系统

图像处理系统如图4所示，由DSP外围电路和DSP存储空间设计两部分组成。

1）DSP外围电路

DSP外围电路的设计主要包括复位电路、PLL锁相环电路、电源管理电路、信号隔离电路、JTAG扫描仿真口、外扩存储器电路及SCI通信模块电路。

具体电路连接图如图5所示。

本装置的执行机构主要由控制机构控制电机的转动进行太阳光线的跟踪。

4 结论

由DSP采集、处理、识别检测到的太阳的高度角和方位角判断成像机构所在平面是否与太阳光线始终保持垂直夹角，若有偏差，系统控制电路发出控制信号给步进电机，由步进电机带动整个执行机构调整偏转角度，实现成像机构对太阳高度角和方位角的实时跟踪。

参考文献：

[1] 郑飞.碟式太阳能热发电跟踪机构电路优化设计和实现[D].北京：中国科学院，2003.

[2] 孙茵茵，鲍剑斌，王凡.太阳自动跟踪器的研究[J].机械设计与制造，2005，7（7）：157-159.

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