本科毕业设计论文--云图采集设备控制系统设计及优化

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1、全套设计 CAD 图纸 加 194535455-I-云图采集设备控制系统设计及优化云图采集设备控制系统设计及优化摘摘要要云图可实时反映大气状况，通过气象的动态分析可以为气象预报提供重要参考数据。我国的地面气象观测技术比较落后，主要通过相机对天空的直接拍摄获得云图。现有的云图采集装置无法小面积准确地为镜头遮挡阳光，镜头受阳光直射，大大缩短了其使用寿命，而且云图由于阳光直射受到光晕的影响，成像质量差，影响云图分析。本论文在对地面云图采集设备进行大量的调研后，在现有的地面云图采集设备的基础上对云图采集设备进行设计及优化。针对阳光直射镜头的问题，采用高度角-方位角追踪方式实现对太阳方位的追踪，利用万年

2、历算法与电子罗盘、加速度计相结合的方法，通过单片机控制机械结构为镜头遮挡阳光，提高云图的质量及采集设备的自动化程度。同时，本文对于云图采集设备所存在磁场载体误差进行优化分析，提出校正、数据校准以及倾角补偿等算法优化，提高了云图采集设备的工作精度。该系统经过实际验证，在云图采集过程中实现了对阳光进行有效的遮挡，精度高，试运行稳定。关键词关键词云图采集；自动控制；高度角；方位角全套设计 CAD 图纸 加 194535455-II-Design and optimization of the control system ofthe cloud atlas acquisition equipment

3、AbstractThe cloud atlas can reflect the atmospheric conditions in real time.Thedynamic analysis of the weather can provide important reference data for theweather forecast.Chinas ground meteorological observation technology isrelatively backward,mainly through the camera directly to the sky to get a

4、picture of the sky.The existing image acquisition device to small area accuratelyfor the lens to block the sun,shot by direct sunlight,greatly shorten the servicelife,and cloud due to direct sunlight by the halo effect,the imaging quality ispoor,the impact of image analysis.In this paper,a lot of re

5、search on the ground image acquisition equipment,based on the existing ground image acquisition equipment on the basis of thecloud atlas acquisition equipment,design and optimization.Aiming at theproblems of direct sunlight lens,the elevation angle and azimuth angle trackingmode to realize the solar

6、 azimuth tracking,using calendar algorithm and theelectronic compass,acceleration meter combination method,through the MCUcontrol mechanical structure for the lens to block the sun,improve the degree ofautomation of image quality and acquisition equipment.At the same time,thispaper analyzes the erro

7、r of magnetic field carrier in the cloud atlas acquisitionequipment,and puts forward the algorithm optimization of correction,datacalibration and angle compensation,which improves the working accuracy of全套设计 CAD 图纸 加 194535455-III-the cloud atlas acquisition equipment.The system has been verified in

8、 practice,in the process of cloud atlasacquisition to achieve the effective shielding of the sun,high precision,stableoperation of the test.Keywordscloud atlas acquisition,automatic control,high angle,azimuth angle全套设计 CAD 图纸 加 194535455-IV-目目录录摘要.IAbstract.II第 1 章 绪论.11.1 课题背景.11.2 云图采集设备的国内外研究现状.2

9、1.3 课题研究的目的和意义.51.4 本课题的主要研究内容.51.5 本章小结.6第 2 章 云图采集设备方案设计.72.1 追踪方式的选择.72.2 云图采集设备的系统构成.122.3 云图采集设备的结构设计.122.4 本章小结.13第 3 章 云图采集设备控制系统设计.143.1 云台通讯方式的选择.153.2 云台高度角和方位角的确定.173.3 太阳实时高度角和方位角的计算.183.4 阳光追踪控制系统设计.203.4.1 阳光追踪系统的硬件设计.203.4.2 阳光追踪系统的软件设计.253.5 本章小结.29第 4 章 实验及控制算法优化.304.1 试验及误差分析.304.2

10、 控制程序的优化.324.2.1 HMC5883L 数据校准.324.2.2 HMC5883L 倾角补偿.344.3 实验结果.344.4 本章小结.36结论.37致谢.38全套设计 CAD 图纸 加 194535455-V-参考文献.39附录.41全套设计 CAD 图纸 加 194535455-1-第第 1 章章 绪论绪论1.1 课题背景课题背景云是反映当时大气状况的重要证据，从云图可以得到大气的动力特性及热力特性，从而可以推断此时的水循环状况。另外，云在地面辐射和大气辐射方面也发挥着重要作用，对当时的气候模式和气候推测方面影响巨大。水循环和大气循环受云场信息如云的形状、特性、分布以及组成等

11、方面的影响，可以形成各种天气。云场信息是云重要的宏观参数，若能正确分析云图，得到正确的云场信息，便可以推测出准确的大气动态特性，如自然界水循环特性、大气的稳定性及大气含水量的动态变化特性等，进而可以获得未来的大气变化走向，推测出正确的天气预报。正确的气象预报在人民的日常生活和出行、社会的正常运行以及国家的安全维护等方面具有重要的意义。我国地面气象观测总体上朝着遥感遥测、自动化、高精度、高时空分辨率方向发展，气象观测技术发展迅速，观测手段向观测自动化发展1。云观测的主要内容是对云高、云量、云形等的观测，这是分析大气变化时的重要资料2。近几年，世界各国对地面气象仪的重视使地面气象仪快速发展，得到了

12、优秀的气象观测仪。虽然近几年国内也大力发展对云图采集设备的研究，但总体水平仍旧处于初级阶段，我国对大气变化分析处理的资料仍旧主要来源于气象卫星。现有的地面云图采集设备通过云台直接拍摄天空，气象观测设备的自动化程度较低，云图采集技术不成熟，且不能在相机采集云图时对阳光直射进行有效的遮挡，导致阳光直射相机，从而使拍摄到的云图成像质量较差，在阳光的照射下云图出现光晕，图片整体亮度分布不均匀，并出现光环，这些都严重影响了对云量的分析，同时也严重影响了相机的寿命。本项目所设计的云图采集设备，计划编写单片机程序自动追踪太阳的实时位置，采用遮挡的方式，控制遮阳杆自动遮挡阳光，避免阳光对镜头的直射，从而极大地

13、改善云图的成像问题，提高相机寿命，有效记录大气信息并尽量减少地遮挡有效信息。进行实验检测设备是否满足工作要求，就出现的问题进行进一步的优化，使云图采集设备能够在提高云图采集的准确率的同时提高设备的自动化程度，同时延长相机的使用寿命。全套设计 CAD 图纸 加 194535455-2-1.2 云图采集设备云图采集设备的国内外研究现状的国内外研究现状目前，我国的绝多数气象观测站利用云台采用直接拍摄天空得到全天空气象图。如图 1-1 所示，为我国的全天空气象仪，利用单反相机上的鱼眼镜头直接对准天空拍摄。如图 1-2 所示，为全天空相机拍摄所得云图，得到的照片进行裁剪和一系列的图像处理，最终得到可以利

14、用的云图资料并从中获取有效信息，然后进行下一步分析研究。这种气象仪结构简单，成本较低，为保护镜头，一般在不使用镜头时，使用遮光板覆盖镜头。这种镜头保护方式成本低，降低镜头的损耗。但拍摄时镜头仍旧会被阳光直射，镜头仍旧会受到损害，并且所拍摄云图仍旧存在光晕问题，云图质量并没有得到提高。图 1-1 全天空气象仪图 1-2 无遮挡下采集的云图在世界各国经济、科技迅猛发展的今天，全天空气象观测仪得到了十全套设计 CAD 图纸 加 194535455-3-分迅速的发展。国外出现了很多优秀的地基测云仪，可以高质量完成多种观测任务。如图 1-3 所示，TSI-440 全天空成像仪的示意图，全天空成像仪主要由

15、照相机、遮光带、半球镜面、电子设备及支撑架组成3。全天空气象仪最重要的部分是电子设备，电子设备在半球镜面内，是一台小型计算机。电子设备对照相机拍摄的照片进行储存、处理和计算，并且控制半球镜面的转动是遮光带遮挡阳光，以免阳光反射镜头，对镜头造成伤害。但微型计算机的储存空间小，若不及时导出数据，新采集的数据会覆盖新的数据，造成数据的丢失；并且微型计算机的处理和计算能力较差，主要是对云图灰度图的分析，在云量较少或较多的情况下的分析都不准确，云图继续分析的难度较大。半球镜面在电子设备的上方，将天空的情况反射给照相机，采用镜面反射的方法采集云图可以保护镜头不被阳光直射，但反射镜面是凸面镜，导致照相机所拍

16、摄的云图变形失真，影响云图的分析。又因为气象仪在室外工作，难免会存在雷雨霜雪的恶劣天气，为使气象仪即使在恶劣的天气下也可正常工作，在反射镜面内置发热装置，可蒸发落在反射镜面上的雾雨霜雪等，保证气象仪的正常工作。照相机密封被固定在半球镜面的正上方的盒子中，这种设计不仅可以使镜头不被太阳照射，起到了保护镜头的作用，而且防止照相机其他的损害，并且在盒子上方装有防止鸟虫等破坏气象仪的网罩。照相机与电子设备依靠支撑架里的电缆联系，支撑架的安装有明确规定：若气象仪在南半球使用，支撑架安装在气象仪的正南方；若气象仪在北半球使用，支撑架安装在气象仪的正北方。这样的设计不仅可以调整相机始终处于半圆镜面的正上方，

17、并且可以作为调节遮光带的依据。图 1-3 全天空成像仪示意图全天空成像仪是采用工业鱼眼镜头，直接对天空进行拍摄，从而获得全天空云图，这种全天空成像仪可以一次性得到全天空图像，但是由鱼眼全套设计 CAD 图纸 加 194535455-4-镜头获得的云图会发生变形，造成获得云图存在一定程度上的失真，不能作为很好的云图资料进行分析4。以上介绍的均为全天空可见光成像系统，国内外研究者根据云体的成像特征，还研制开发了近红外全天空测云仪5。如图 1-4 所示，为 LAGEO 实验室的全天空成像仪。LAGEO 实验室的全天空成像仪分为两部分组成：控制装置和遮阳装置。控制装置主要控制气象仪对天空云图的获取、数

18、据的分析处理以及遮阳部分的运动，遮阳装置主要受控制部分发出指令，为镜头遮挡阳光，防止阳光直接照射镜头，起到保护镜头和图像处理器的作用6。图 1-4 LAGEO 实验室的 ASI在这款全天空成像仪中，采集图像使用的是工业鱼眼相机，可以最大程度地采集云图信息，遮光部分使用的是密度滤光片。在镜头上方的半圆杆上安装密度滤光片，密度滤光片是太阳追踪装置中最重要的部分。半圆杆受控制装置控制，密度滤光片随半圆杆转动而转动，完成对太阳的追踪，从而为镜头遮挡阳光1。全天空成像仪完全依靠程序控制，从太阳升起开始对天空进行云图拍摄、数据采集、云图分析及太阳的追踪和遮挡到太阳落下后气象仪停止工作进入休眠状态，提高了气

19、象仪的自动化程度。并且，为了适应野外的环境，设计者给气象仪加入一套热敏系统，使气象仪内部的工作温度始终处于零度到四十度之间7。虽然 LAGEO 实验室的全天空成像仪优点很多，但由于各方面要求较高，得到的图像分辨率也高，费用相应也较高。并且气象仪采集到的数据是彩色图像。波段相对较宽，这种数据无法直接应用于有关辐射的大气研究中，需要进行后期图像处理，工作量大8。全套设计 CAD 图纸 加 194535455-5-1.31.3课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义进入 21 世纪之后，全球渐渐进入工业化时代，各个方面都被要求向自动化发展，气象观测也不例外。目前，我国地面观测中绝大多数气象观测站通过

20、云台实时拍摄天空云图、记录云况，用云图检索的方法判断云况信息。但是，目前采用的气象观测设备因不能在相机采集云图时对阳光直射进行有效的遮挡，导致阳光直射相机，从而使拍摄到的云图成像质量较差，在阳光的照射下云图出现光晕，图片整体亮度分布不均匀，并可能出现光环，这些都严重影响了对云量的分析，同时也严重影响了相机的寿命。本文所研究的云图采集设备拟设计一款基于单片机的太阳光追踪系统，该系统可以自动调节遮光杆与太阳光的角度，时刻保持遮光杆的垂直面始终与太阳光线平行，实现对太阳的追踪。用遮挡方式，避免了阳光对镜头的直射，从而极大地改善了云图的成像问题，提高相机寿命，并尽量避免遮挡有效信息成像效果如图 1-4

21、 所示。图 1-4 云图采集设备人工遮挡后成像效果1.4 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容本文主要设计内容为对云图采集设备控制系统进行设计及优化。国内地面观测技术比较落后，气象观测的自动化成的较低，主要是依靠单反相机上的鱼眼镜头对天空直接进行拍摄，获得全天空云图后利用现有的技术进行图像处理和裁剪，收集有效的信息，进而利用计算机的气象数据库进行搜索，完成云图信息的获取。因为地面气象观测仪在室外甚至恶劣的野外工作，所获得的信息也必全套设计 CAD 图纸 加 194535455-6-须尽可能准确，为满足需求气象仪的机构必须以下要求：首先，仪器要有足够的强度和刚度，以抵抗野外大风、暴雨、高温、

22、暴晒等恶劣天气；第二，云图采集设备的运行速度要快，以满足单片机程序运行获得准确的各类气象数据；第三，因为云图采集设备要在无人监管的野外自动工作，所以要保证具有长时间的稳定性，在恶劣条件下可以连续工作，运行速度高且稳定，仪器运行误差保持在允许误差范围之内，运行获得的数据保持较高的准确率；第四，云图采集设备在野外工作，面对恶劣的环境时要保持良好的性能，云图采集设备能够保持正常的工作时间，反应灵敏；第五，要注意结构轻便合理，能够抵抗大风等的破坏；最后，我国幅员辽阔，云图采集设备一定要生产批量化，成本低，操作简单，维护方便9。在以上要求的基础上，再对云图采集设备进行机构和控制系统的设计。在调查和查阅大

23、量国内外文献以及了解国内外云图采集设备的发展现状后，从现实需要出发，对云图采集设备的程序设计提出以下设计思路：首先，云图采集设备要判断所处环境是白天还是夜晚，这依靠光敏元件来判断。若光线足够暗时，程序停止运行，云图采集设备处于停止工作的状态，减少能量损耗；当白天到来时，单片机开始工作，通过处理中心的计算处理得到太阳所处的位置。然后，检测云台自身的位置数据与太阳的位置数据进行比较，将得到的结果发送给步进电机，驱动步进电机工作，控制云台的进行转动，使遮阳杆与太阳、镜头处于一条直线上，达到为镜头遮挡阳光的目的。太阳自动跟踪装置是可见光云图采集系统中重要的组成部件，可以最大限度实现全天候云图采集。所以

24、本课题研究的重点为：1.如何让遮阳杆自动与太阳、镜头处于一条直线上；2.如何实现对太阳的追踪；3.如何实现时控与光控的转换；4.如何实现自动跟踪。本设计的主要特点：1.采用先进的单片微型计算机技术，以单片机为控制系统的处理中心，充分利用其运算速度快、体积小，结构简单的特点；2.性价比高，具有良好的应用前景。1.5 本章小结本章小结本章主要介绍了国内外气象站云图采集设备的特点及优势，并分析了云图采集设备的国内外研究现状以及本课题研究的目的和意义。根据实际使用需求，确定对云图采集设备的设计内容。全套设计 CAD 图纸 加 194535455-7-第第 2 章章 云图采集设备云图采集设备方案设计方案

25、设计2.1 追踪方式的选择追踪方式的选择太阳追踪系统的工作流程是：云图采集设备开启后，首先对系统进行复位，然后光敏传感器开始工作，将得到的光强信息发送到处理中心。若未达到光照强度要求，单片机停止工作，直到光照达到强度要求；若光照达到强度要求，单片机开始工作，实现对太阳的追踪，同时电子罗盘和加速度计分别将云台的位置信息发送给单片机，单片机通过计算处理向步进电机发送指令，步进电机启动，使遮阳杆始终与太阳、镜头处于一条直线上。信息实时接收处理，单片机系统指挥遮阳杆运动达到实时保护镜头的目的。目前，追踪装置最优秀的是 GPS 追踪装置，它突破地球磁场的影响，获得较准确的数据。虽然这类追踪方式精度高，但

26、造价高，大量生产时成本无法承担，不能大规模使用。目前最常用的追踪方式有：光电追踪方式，时间追踪方式以及光电时间相结合的追踪方式。它们各有优缺点，下面将详细介绍这三类追踪方式。光电追踪系统中最关键的器件是光敏器件。光敏元件有很多，如光敏电阻、光敏二极管、光敏传感器及光敏 IC 等。光敏器件通过对阳光的感应实现对太阳的追踪。图 2-1 为光电传感器的示意图。首先，用不透光的材料制作一个圆筒型的遮光筒，遮光板内放微机处理板，再将遮光筒密封。微机处理板其实就是一块与遮光筒等直径的电路板。把光学系统固定在遮光筒上，然后将微机处理器上的四象限探测仪放置在遮光筒底部，在靠近遮光筒底部的遮光筒外部平均放置四个

27、光敏二极管，遮光筒底部的四个光电二极管是平均分布的，相邻的两个光电二极管之间的距离相等。遮光筒上的光学系统的作用是将光照集中到遮光筒底部的四象限探测仪上，如果阳光不是垂直射入光学系统，光遮光筒底部的四个光敏二极管收到的光线强度不同，产生电流差。光电二极管将得到的电流差发送给微机处理器，微机处理器经过处理计算后向步进电机发送指令，控制步进电机转动，达到追踪太阳的目的。当太阳垂直照射遮光筒时，四个光电元件受到同样强度的光照，光电全套设计 CAD 图纸 加 194535455-8-元件向微机处理板发出等大信号，没有信号差，步进电机不工作；当遮光筒接收倾斜阳光时，遮光筒产生阴影，导致光电二极管发出不同

28、的信号，微机处理板根据信号差对步进电机发出指令，不断调整光线入射角度，直至阳光垂直照射遮光筒，实现对太阳的准确追踪。1-光学系统；2-遮光筒；3-光电二极管；4-四象限探测器图2-1 光电传感器示意图现在光电追踪系统各式各样，其工作原理大同小异。都是利用安装在遮光筒底部的光敏二极管等光敏元件检测阳光，依靠光敏元件产生的微小电流比对，经过放大电路处理得到放大后的信号差，单片机根据信号差控制伺服调整系统调整阳光射入角度，从而实现对太阳的追踪。光电追踪是闭环控制，并且其使用的传感器较少，得到的信号少，运算也少，单片机就可以处理并进行控制，运算速度快，反应灵敏，结构简单，成本低。虽然光电追踪优点很多，

29、之前已有描述，但光电追踪的缺点也不可忽略。光电追踪属于闭环控制且灵敏度高，但正因为这种搭配方式令光电追踪太过灵敏容易受环境影响发生误动。在云层遮住太阳天空中出现较强光斑、有物体经过仪器或者在多云、阴天等自然气象时，光线较弱，光敏器件发出的信号与实际情况不符，但步进电机仍旧按照错误的指示进行工作。或者在炎热的夏季等阳光比较强烈时，光线较强，即使有放大电路的存在，信号差仍旧无法识别，光电追踪系统陷入瘫痪状态，无法正常完成太阳追踪的工作。所以，光电追踪系统应用的条件要求十分高，只有在理想环境中才能够工作准确，在光线较暗或者较强的情况下都无法达到预期的效果。视日轨迹追踪系统的原理是天文学家将太阳相对于

30、地球的运动规律写成天文学公式，用 C 语言将天文学公式编写成程序，就可利用计算机得到太阳的实时方位角和高度角。并以此为依据控制电机，调整装置完成对太阳的追踪。视日运动轨迹追踪是开环控制，其运动主要依靠程序运行，因全套设计 CAD 图纸 加 194535455-9-此追踪装置的精确度与外部环境改变无关，与表示太阳运动规律的天文学公式的准确度有关。另外还有装置安装时对装置坐标轴与太阳坐标轴的重合度也是影响装置精确度的重要因素。视日运动轨迹跟踪又存在两种追踪方式。1单轴追踪单轴追踪一般采用：倾斜布置东西追踪；焦线南北水平布置，东西追踪；焦线东西水平布置，南北追踪10。这三种追踪方式的工作原理相同，模

31、式相似。单轴追踪装置只有一个旋转自由度，都是将轴水平固定，单轴转动，以追踪装置实现对太阳的追踪。如图 2-2 所示，就是转轴东西布置，南北追踪的示意图。图2-2 单轴焦线东西水平布置最常使用的太阳单轴追踪方式是单轴焦线南北放置，东西追踪。通过计算太阳的高度角，控制单轴转动实现追踪。这种追踪方式只有一个旋转自由度，操纵方便，结构简单，计算简便。但缺点也显而易见，这种装置只有一个自由度，只有正午时阳光是垂直射入光学系统，其他绝大多数时间都是倾斜射入且无法调节，无法做到对太阳的实时追踪，起到保护镜头的作用，并不满足云图采集设备工作需要。2双轴追踪如果使用两个旋转轴分别对太阳俯仰角和赤纬角实现追踪，便

32、可以对太阳实现准确追踪，于是双轴追踪方式便应运而生。双轴追踪又名全追踪，具有两种不同的追踪方式。（1）极轴式全追踪如图 2-3 所示，追踪装置的与地球自转轴平行的轴线为极轴，而与极轴垂直的轴线为赤纬轴11。追踪装置绕极轴做旋转运动，速度与地球自转速度大小相等方向相反，完成太阳追踪；追踪装置绕赤纬轴转动主要是追踪太阳赤纬角度的变化，太阳赤纬角一般随季节变化而改变。这种追踪方全套设计 CAD 图纸 加 194535455-10-式也很简单便捷，但追踪装置的重心不在极轴线上，对系统的支承装置制造要求较高。图2-3 极轴式追踪（2）高度角-方位角式追踪高度角-方位角追踪方式采用双轴追踪的方式，垂直于地

33、平面的竖直轴是跟踪机构的方位轴，跟方位轴垂直的水平轴是俯仰轴12，方位角-高度角追踪方式的原理图如图 2-4 所示。图2-4 高度角-方位角式全追踪高度角-方位角追踪方式使用两个步进电机分别控制水平轴和竖直轴的转动，从而对太阳高度角和方位角进行追踪。当太阳方位角发生变化时，控制竖直轴的步进电机启动，追踪装置绕竖直轴转动，实现对太阳高度角的追踪；当太阳高度角发生变化时，另一步进电机启动，追踪装置绕水平轴轴转动，实现对太阳高度角的追踪。通过分别对太阳高度角和方位角的追踪，实现追踪机构对太阳的追踪，使遮阳杆始终与镜头、太阳处于一条直线上，保护镜头同时提高所得云图质量。这种追踪方式结构简单，设计方便，

34、在误差允许的情况下做到的对镜头的保护，精度也较高，并且不收天气的影响，在阴天或者光线较弱的情况下也可以进行追踪，稳定性强。全套设计 CAD 图纸 加 194535455-11-但由于是时间追踪，使用开环控制，容易产生并积累误差，无法及时做出调整工作。以现阶段的科技水平，视日追踪方式并不能对太阳进行完全准确的追踪；并且现在地面气象观测仪也正处于科研阶段，各个方面都需要进一步研究设计，所以此设计中出现的不足之处还需要接下来的优化设计处理，以更加完善。根据查阅大量的资料，得出将高度角-方位角追踪和光电追踪相结合的设计方案，将时间追踪和光电追踪的优点相结合，以摒弃它们的缺点。设计思路是：使用光敏二极管

35、组成比较电路，得到昼夜检测电路。当装置处于白天时，装置启动，开始工作；黑夜到来时中断响应，系统降低能耗，处于等待的休眠状态，等待白天的到来13。采用光敏元件光敏二极管组成判断电路，晴天时采用光电追踪，阴天或者光线较弱时采用时间追踪。时间追踪系统实用万年历芯片组成时间电路，采用单片机作为中心系统。光电-时间追踪流程如图 2-5 所示。图 2-5 光电-时间追踪流程图从实际需求出发，经过选择比较之后，最终选择使用光电-高度角方位角追踪方式。全套设计 CAD 图纸 加 194535455-12-2.2 云图采集设备的系统构成云图采集设备的系统构成本文设计的云图采集设备是一款可见光气象观测成像仪，成像

36、仪的系统主要由单片机控制器、云台驱动器、步进电机、云台、传感器及手动控制矩阵键盘组等成，如图 2-6 所示。在可见光气象观测成像仪的控制系统中，单片机为处理中心，步进电机为动力部分，云台为执行部分，传感器为反馈部分。图 2-6 控制系统组成图云台具有两个旋转自由度并具备自锁功能，可以调整安装在工作台上物体的位姿。当单片机开始工作时，作为处理中心，单片机通过处理计算得到此时太阳的位置，又根据电子罗盘和加速度计得到云图采集设备的位姿，对得到的数据进行比较、处理后发送信息给云台驱动器，经过云台驱动器解码后将指令发送给步进电机，步进电机接受指令开始工作，云台转动。云台有上下、左右两个旋转自由度，双轴追

37、踪可高速、有效的进行太阳追踪。云台工作使云台上的传感器进行实时检测，传感器将实时监测得到的信息发送给单片机，单片机得到反馈信息，完成闭环控制，云图采集设备控制系统的工作精度得到提高。另外，在云台顶部装有手动控制矩阵键盘，可以通过手动控制矩阵键盘控制云台进行上下、左右的转动，使用者可以通过手动控制自行调整遮阳杆的位置，在检测程序的准确性上起到很大的作用。同时操作者可通过人机交互模块查看或改变系统的运行参数，如角度、时间、电机转速等信息14。2.3 云图采集设备云图采集设备的结构设计的结构设计本文设计的云图采集设备即可见光气象观测成像仪，使用云台搭建，内置单片机，有两个步进电机分别控制云图采集设备

38、的两个自由度。成像仪主要由控制装置和外部机构组成，控制部分以单片机为控制中心，成像全套设计 CAD 图纸 加 194535455-13-仪机构主要由遮光球、支架、轴承端盖、支撑板、立轴、大小齿轮及轴承等组成，云图采集设备的结构示意图如图 2-7 所示。大齿轮 8 固定到底座上，大齿轮开有一定深度的凹槽，与轴承 7 过盈配合，承受支撑板 4 及各部件的重量，阶梯轴 5 从大齿轮底端穿过，用键和大齿轮轴向固定，用螺母进行轴向固定；方位角步进电机动作时使整个支撑板绕轴 5 的中心线旋转，调整遮光杆的方位角；遮光球 1 固定在支架 2 上，支架 2 与轴承端盖3、水平转动轴固定一体，转动轴上的大齿轮与

39、步进电机的小齿轮 6 啮合转动，当电机动作时，水平转动轴旋转并带动大齿轮和支架 3 运动，从而使遮光球始终保持与相机与太阳在一条直线上，进而准确遮挡太阳，防止阳光长时间的照射相机，使其寿命缩短。1.遮光球2.支架3.轴承端盖4.支撑板5.立轴6.小齿轮7.大轴承8.大齿轮图 2-7 结构示意图2.4 本章小结本章小结本章对云图采集设备进行方案设计，首先对太阳追踪方式进行介绍，从中选择合适的追踪方式；然后，对云图采集设备的系统构成进行设计；最后，对云图采集设备的结构进行设计，实现了云图采集设备的基本功能与要求。全套设计 CAD 图纸 加 194535455-14-第第 3 章章 云图采集设备控制

40、系统设计云图采集设备控制系统设计云图采集设备系统中最重要的是太阳追踪系统，其系统设计使用光电-时间追踪方式。工作系统流程如图 3-1 所示。图 3-1 工作系统流程图当云图采集设备处于白天状态时，设备开机，单片机进行初始化。光敏元件开始工作，采集光照强度信号，将光强信号进行 A/D 转换、信号放大后发送给单片机，根据光照强度判断云图采集设备是否处于晴天状态。若设备处于晴天，启动光电追踪模式；若处于阴天状态，单片机启动高度角-方位角追踪方式。电子罗盘检测云图采集设备的方位角，加速度计检测云图采集设备的高度角，将太阳的高度角与云图采集设备的高度角作比较，太阳的方位角与云图采集设备的方位角作比较，得

41、到信号差。将信号差发送给步进电机，步进电机开始工作。将追踪结果反馈，完成对太阳的追踪。追踪过程中相机始终处于阴影中，保护镜头。全套设计 CAD 图纸 加 194535455-15-光敏元件判断光线强弱，若光线较弱不足以启动光电追踪模块，则单片机启动时间追踪方式。使用万年历芯片推算出此时太阳的方位角与高度角的实际值，和云图采集设备的方位角与高度角进行比较，得到误差补偿值，驱动步进电机进行补偿，使遮光杆、太阳镜头始终处于一条直线上。若光线强度足够，则采用光电追踪。用光敏元件作为传感器采集光信号，当太阳光线与加速度计不垂直时，加速度计采集的光强会产生很大差值，经过单片机的比较分析发出控制信号，使步进

42、电机作出相应动作，带动执行机构工作，直到遮光球在相机与太阳在同一直线为止，成功为镜头遮挡阳光。3.1 云台通讯方式的选择云台通讯方式的选择为实现云台的自动控制，需实现单片机与云台之间的数据交互，所以需要选择通讯协议来完成数据的传输。在单片机测得云台的高度角和方位角与太阳的数值不一致时，需对云台发送控制代码，控制云台进行相应的动作，进而自动追踪太阳的高度角和方位角，实现云台实时为相机遮挡阳光的目的。由于并行通讯是将组成数据的各位同时发送，并通过并口（如 P1 口等）来实现。如图 3-2 所示为 51 单片机与观测云台之间的 8 位数据并行联机方式，该种方式通讯过程中，对于单片机引脚的占用比较多，

43、占用传输线位数比较多，所以不适合与云台之间的通讯。图 3-2 并行通讯的连接方式而串行通讯是指数据一位一位的按顺序进行发送，串行通讯通过串行全套设计 CAD 图纸 加 194535455-16-口来进行发送，其只需要一根发送线一根接收线就可以完成数据的传输，图 3-3 所示为单片机与观测云台之间的连接方式，这种连接方式所占用的引脚较少，传输距离相对于并行通讯来说较长。与此同时，观测云台设有串行通讯连接线，只需要根据要求设置波特率就直接可以与单片机进行通讯。图 3-3串行通讯的连接方式RS232 和 RS485 是串行异步通讯中应用最广泛的两个标准接口，由于RS232 属于单端信号传输，存在共地

44、噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此传输距离较短，而 RS485 接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，允许使用比 RS232 更高的波特率且可传输的距离更远（一般在 1 千米以上）。与此同时，采用 RS485 接口，可以实现多机通讯，为数据的传输提供便利，本课题采用的是 RS485 串口通讯。为适应复杂恶劣的外界环境，本系统在单片机通过使用 RS485 串口通讯模块可以实现与观测云台通讯，实物图如图 3-4。图 3-4RS-485 模块实物图RS-485 接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等特全套设计 CAD 图纸 加 194535455-17-点，使 RS-4

45、85 成为最合适的串行接口。并因为 RS-485 接口使用 MAX485芯片，其组成的半双工网络，一般只需二根信号线，其电路图如图 3-5 所示，所以 RS-485 接口均采用屏蔽双绞线传输。国际标准并没有规定 RS-485 的接口连接器标准，所以采用接线端子或者 DB-9、DB-25 等连接器都可以。图 3-5 MAX485 电路图为了使云台在野外环境中操控更加方便，本次项目采用的是亚安观测云台，该云台兼容多种常用的控制协议，并自带 120 欧匹配电阻。由于该云台采用铝合金外壳，可以满足外部恶劣的监测环境，但由于该实验云台只配备专门的与此同时，本课题计划通过串口监视器读取云台专用控制器发送的

46、指令代码，在保留原有功能的前提下进一步简化，实现了通过键盘矩阵的手动控制，以及通过 STC12C5A60S2 单片机把具体时间固化到单片机的程序中，从而使得整个控制系统变得结构简化、体积变小、控制简便。3.2 云台高度角和方位角的确定云台高度角和方位角的确定本文使用双轴追踪的方式实现太阳追踪的目的。图3-6是阳光追踪系统数学模型，已知与地面垂直的竖直轴为云图采集设备的方位轴，与方位轴垂直的水平轴是云图采集设备的俯仰轴15。当云图采集设备处于白天时，设备开始工作，控制中心启动万年历芯片计算出太阳的实时位置，与设备的高度角、方位角进行比较调整，通过转动方位轴改变云图采集设备的方全套设计 CAD 图

47、纸 加 194535455-18-位角，转动云图采集设备的俯仰轴实现对设备的倾斜角的改变，直至太阳的方位角、高度角与云图采集设备的方位角、高度角分别相等，使遮光杆始终与光线处于垂直状态。如图 3-6 所示，在阳光追踪系统数学模型中，A 为太阳的方位角，h为太阳的高度角，为云图采集设备云台的倾斜角，为云台的高度角。这种追踪系统追踪性能好，精度高。并且，追踪设备结构简单，设计合理，易于加工。图3-6 阳光追踪系统数学模型3.3 太阳实时高度角和方位角的计算太阳实时高度角和方位角的计算通过查阅大量有关航海定位和天体研究的文献，本文选择使用航海定位的方法对太阳进行跟踪定位。船舶在海上行驶时，为了确定位

48、置和方向，气象学家制定了确定位置和方向的科学方法。如图 3-7 所示，首先以地球圆心为圆心，以大于地球半径的任意长度为半径创造一个空心球，叫做地心天体。地球上所有的点和连线在地心天体上都有对应，从地球圆心出发，通过地球上一点的射线与地心天体的交点就是地球上的点在地心天体上所对应的点。地心天体上的连线原理与点相同，那么，由此推之，地球的地轴对应得到天体的天轴，地球的北极对应得到天体的天北极，地球的南极对应得到天体的天南极，地球的赤道对应得到天体的天赤道，地球的纬度圈对应天体的赤纬圈，地球的经度圈对应天体的时圈。设地心是点 O，观测者所在点是点 A，过 OA 的延长线与天体的交点 Z 便是测者天顶

49、，过 OA 反延长线与天体的交点 Z就是测者天底，通过天南极、天北极和测者天顶的半个圆被称作测者午圈，地球上经过测者所在点的纬度圈在天体上映射所得到的圆为测者真地平圈，经过天顶和天底的圈称作垂直圈。天文三角形是天球上天体、天极和仰轴组成的空间三角形。全套设计 CAD 图纸 加 194535455-19-图3-7 阳光角度示意图根据天球坐标系的相关定义，有太阳赤纬角：，当地的纬度：，太阳时角：t，太阳高度角：h，太阳方位角：A，从 1 月 1 日开始的天数被称为积日：N，以下角均采用角度制表示16。其中：测者余纬为o90-NP Z；太阳极距为90NP B；太阳顶距为90ZBh；太阳方位为NAP

50、ZB；太阳时度角 t 为NtZP B；太阳赤纬角为23.45 sin 2(284+N)365；而球面三角形的余弦公式为coscos cossin sin cosabcbcA；(3-1)将天文三角形三边带入有：sinhcos(90)cos(90)cos(90)sin(90)sin(90)cosht解得太阳高度角 h：harcsin(sin sin+cos cos cos)t由上(3-1)式变形得：coscos coscossin sinabcAbc带入天文三角形三边得：cos(90)cos(90)cos(90)cossin(90)sin(90)NhZP Bh因为太阳方位角与太阳半圆时角度（PNZ

51、B）互补，所以有中午 12全套设计 CAD 图纸 加 194535455-20-点以前的方位角与 12 点之后的方位角相差一个负号。午前的太阳方位角：cosh cossin-sin hsin arccosA午后的太阳方位角：cosh cossin-sin hsin arccosA3.4 阳光追踪控制系统设计阳光追踪控制系统设计3.4.1 阳光追踪系统的硬件设计阳光追踪系统的硬件设计图 3-8 为云图采集设备追踪系统结构框图。云图采集设备追踪系统由单片机、时钟电路、光电检测电路、复位电路、控制电路、步进电机驱动、按键电路等组成。图 3-8 云图采集设备系统结构框图在云图采集设备的追踪系统中，最重

52、要的是器件是单片机。单片机属于 中 央 处 理 系 统，本 文 中 选 择 单 片 机 型 号 为STC12C5A60S2。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)等模块，由这些部件共同组成了一台功能完善、设备齐全的数字电子计算机，可以独立处理各种信息17。在对太阳的追踪过程中单片机完成的工作是：首先，当光敏元件将收集到的光线信息发送给单片机及电子罗盘和加速度计将云图采集设备的方位信息发送给单片机时，单片机对收到的这些信息进行储存、计算和处理；然后，将计算、处理后的全套设计 CAD 图纸 加 194535455-21-信号发送出

53、去，控制相应电路进行工作。比如，当光线较弱不足以驱使云图采集设备工作时，云图采集设备进入休眠状态，等待白天的来临；若光线强度达到云图采集设备工作的要求，则单片机启动时间追踪模式。当采集设备的方位角、高度角与太阳的方位角、高度角存在角度差时，经过单片机计算处理后控制方位轴和俯仰轴转动直至两两相等。STC12C5A60S2作为本文中使用的单片机型号，具有很明显的优点。STC12C5A60S2是其他 51 单片机的增强版，高速、低功率、抗干扰能力强，具有更大的储存空间和能力，并且这种单片机可以采用电的方式实现瞬间改写和拭除，处理速度快，还可以对编写的程序进行加密，有效的保护了知识产权。对开发设备要求

54、低并且开发周期短，所以价格低，与其他51 单片机市场价格差不多，性价比较高。STC12C5A60S2单片机通用全双工异步串行口(UART)，有双串口，通用全双工异步串行口(UART)有 40 个引脚，分为双列直插(DIP)和方形两种封装方式18。STC12C5A60S2单片机引脚如图 3-9 所示。图 3-9 STC12C5A60S2 单片机引脚图当云图采集设备采用时间追踪的方式时，需要一个准确的的计时器，单片机自身也具有计时模块，但单片机的计时模块功能简单，容易出现误差且无法自动补偿，长时间使用容易积累误差致使云图采集设备遮光功能失效，所以需要选择一款专业的计时器。本文中选择的是DS1302

55、串行时钟芯片，与普通时钟芯片相比，DS1302的优点十分明显。首先，DS1302采用串行通讯方式；其次，DS1302 的体积很小，仅为普通计时芯片体积全套设计 CAD 图纸 加 194535455-22-的四分之一，节约空间；再次，DS1302 的工作效率高，脚线少，只需串行时钟、数据线、复位线三根脚线就可实现与单片机的传输；最后，DS1302 本身具有 RAM 部分，可增加单片机 RAM 的容量。如图 3-10 所示，为 DS1302 串行时钟芯片的示意图。Vcc 为电源电压，一般有两个，一个是主电源，一个是备用电源，在主电压比备用电压大时，主电源向时钟芯片供电，若备用电压大于主电压再加 0

56、.2v 的和时，则变为备用电源；SCLK为串行时钟，对信息的输入与输出起作用；I/O 为三线接口时的双向数据线；CE 为输入信号，在修改或者编写程序时，CE 端必须为 1，CE 端引脚的主要作用是对移位寄存器数据传输起作用；RST 为复位线，它的引脚的作用主要是有两个：一个是 RST 可以传送单字节或多字节数据；另一个是 RST 控制逻辑，使得允许地址命序列进入移位寄存器19。当供电电压 Vcc 处于高压状态，即 Vcc2.5V 时，复位指令逻辑为 0，当且仅当 RST 由逻辑 0 至逻辑 1 时，SCLK 为逻辑0。时钟 SCLK 是上升沿后继以下降沿时钟序列20。有数据输入，时钟的上升沿前

57、有效，数据在时钟的下降沿之后输出。图 3-10DS1302 串行时钟芯片本论文中使用的传感器为电子罗盘和加速度计。在云图采集设备中，通过使用电子罗盘确定云台的方位角，通过使用加速度计确定云台的高度角。图 3-11 为加速度计的实物图，图 3-12 为电子罗盘实物图。可见观气象观测仪要求传感器工作稳定，精确度高，检测速度快且耗能低。加速度计检测云台的高度角，本论文中选用 MPU6050 型加速度计。MPU6050 型加速度计控制装置通过 I2C 总线实现，MPU6050 受到外界的干扰最小，测量精度最高；内部的电压稳定电路使 MPU6050 工作稳定；先进的数字滤波技术降低了加速度计进行测量工作

58、时产生的噪音，提高了工作精度。并且，MPU6050 适用的范围广，量化生产，价格较低，性价比较高。全套设计 CAD 图纸 加 194535455-23-图 3-11 加速度计图 3-12 电子罗盘图 3-13 为加速度计的电路图，电容变化作为加速度计的检测标志，MPU6050 利用重力测量云图采集设备的高度角。当装有加速度计的载体位置发生变化时，加速度计较之前的位置也发生变化，内部电极的位置也发生变化，从而产生电容差，加速度计完成对高度角的测量。图 3-13 加速度计电路电子罗盘选用 HMC5883L 型电子罗盘。该型号的电子罗盘低压工作，功耗低，体积小，集成高，内置驱动器，磁场范围广，工作精

59、度较高，适用于电池供电的场合，且电子罗盘的控制装置可以通过 I2C 总线实现。图 3-14 为电子罗盘电路图。复位电路是云图采集设备控制系统的辅助电路，可以使观测仪的运行全套设计 CAD 图纸 加 194535455-24-更加稳定、流畅。复位电路如图 3-14 所示，云图采集设备接通电源后，为保证单片机工作正常，消除之前存在的问题和积累的误差，单片机必须存在复位电路。但单片机自己无法触发复位，必须存在一个外部触发电路，触发相应电路工作。本文中使用的是手动复位电路。图 3-14 电子罗盘电路图 3-15 复位电路图 3-16 是外部复位电路的工作示意图，RST 一端接电容接电源端，一端接高电阻

60、接地。接通电源后，电容开始充电，其两边的电压 5V 左右，而 1K电阻处的电压 0V 左右，此时 RST 得到一个高电平信号，信号由 RST 的引脚发送给斯密特触发器，再由斯密特触发器将信号发送给单片机；当大约 10ms 后，电容充电结束，电容两端的电压回降至 0V，1K电阻处的电压由 0V 开始上升至 5V；当闭合复位按钮时，电容被短路，电全套设计 CAD 图纸 加 194535455-25-容释放储存电量，使 RST 又获得一个高电平。复位电路接收到两个高电平信号，复位触发完成。图 3-16 外部复位电路在选择能源部分的时候除了要考虑机构需要的动力方面的问题之外，还要考虑国内现在的生产制造

61、现状及成本问题，综合考虑之后再选择最合适的步进电机。装置要根据现实环境的不同进行不同的调整，尽量使装置智能化、人性化21。总体而言，经过各方面的考虑与比对之后，在满足功能需要、生产成本等各方面的的情况下，选择STC12C5A60S2单片机为云图采集设备的处理中心，MAX485 串口通信芯片进行通信，DS1302 时钟芯片记录时间，HMC5883L 电子罗盘和 MPU6050 加速度计检测云图采集设备的方位角和高度角。3.4.2 阳光追踪系统的软件设计阳光追踪系统的软件设计在阳光追踪的嵌入式程序开发过程中采用了国产软件 TKStudio IDE，相比 IAR 和 Keil，它具有语法着色鲜明的特

62、点并具有联想提示功能，能够极大地简化编程工作。通过安装 Keil uVision 4 可以利用 Keil 的编译器对程序进行编译。支持异步串行口的程序烧写方式，无需高压编程器只需一个 USB 转串口工具即可烧写。实现程序编写之前，完成对其控制指令代码的获取。由于观测云台配备有专门的矩阵键盘和操作杆可对云台的运动进行操作，但是此方法无法获取云台运动的指令代码，所谓只能通过手动的方式来对其进行控制。同时该云台配备了上位机软件，通过利用 USB 转 485 模块可实现电脑对于云台的控制，可通过上位机软件实现观测云台的上下左右运动和停止。本课题利用这一点，通过上位机软件进行控制的同时，通过串口监视器不

63、断全套设计 CAD 图纸 加 194535455-26-检测其通过串口发送的指令代码，在截取指令代码的同时，将其转化成 16进制。对于上下左右运动分别获取其指令代码，各运动指令代码如下表 3-1 所示。表 3-1云台控制指令代码Up0 xa00 x000 x000 x080 x000 x2f0 xaf0 x28Down0 xa00 x000 x000 x100 x000 x2f0 xaf0 x30Left0 xa00 x000 x000 x040 x2f0 x000 xaf0 x24Right0 xa00 x000 x000 x020 x2f0 x000 xaf0 x22Stop0 xa00

64、x000 x000 x000 x000 x000 xaf0 x0f在获取观测云台控制指令代码以后，需要使用串口来对控制代码进行发送，想要保证云台和单片机能够正常进行数据交互，就一定要将单片机的串口波特率大小与观测台保持相同。观测云台波特率大小需在云台内云台进行寻址控制，SW2 为功能地址开关，功能地址开关的 1、2、3、4 位用来选择观测云台的控制协议，根据控制协议的不同可通过观测云台的说明书来进行设置，5、6 位为云台波特率的设置位，可通过其开关值得不同来设置不同的波特率数值，对应关系与表 3-2 所示，云台通讯协议设置其设置界面如图 3-17 所示。表 3-2 波特率设置对应表开关 5开关

65、 6波特率数值offoff2400onoff4800offon9600onon19200图 3-17观测云台波特率设置实验表明，若波特率过大，容易使得串口发送的数据出现乱码，导致全套设计 CAD 图纸 加 194535455-27-观测云台无法实时对阳光进行遮挡，所以，本课题使用的波特率为 9600。由于 STC12C5A60S2 单片机有两个 UART 工作方式的全双工串行通讯接口，且每个串行口的数据均由两个独立的接收、发送缓冲器构成。可以同时接受和发送数据，发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓存器只能接受不能写入，而且两个缓存器可以共用一个地址码。本课题使用的是串口2，工作方式 1。因为有串

66、口 2 的 51 单片机，串口 2 永远使用的是独立的波特率发生器而不能使用定时器 1 作为波特率发生器。为保证单片机能与观测云台能正常通讯，需将单片机的波特率也设置到 9600，当 BRT12(独立波特率发生器计数控制位)等于 1 时，BRT(独立波特率发生寄存器)的溢出率=SYSclk/(256-BRT)，其所对应的控制代码程序如下。void InitUART(void)SCON=0 x50;BRT=256-(int)(F_CPU/baud/32+0.5);AUXR|=0 x15;ES=1;在获得云台的控制指令代码以后，云图采集设备须满足以下要求，在程序控制系统上电后，假设是在晴天，通过对太阳高度角进行判断，当太阳高度角过小，方位角过大时，系统将自动判断此时太阳是否已经落山，若没有落山则自动进入对正模式，其所对应的子程序如下。void duizheng()if(beta_c downlimit&beta_c 1&(alpha1&alpha-180)left();if(beta_c-beta)1)up();elseif(beta-beta_c)1)全套设计 CAD 图纸 加 1945