专利名称：一种线阵ccd太阳跟踪角度偏差检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种线阵CCD太阳跟踪角度偏差检测仪，属于太阳跟踪角度偏差检测 领域。
背景技术：
太阳跟踪角度偏差检测仪主要应用于太阳跟踪系统中，而目前国内外太阳跟踪系 统中采用的太阳跟踪方式主要有传感器感测的闭环主动式跟踪和太阳视运动轨迹计算的 开环被动跟踪，或两种方法相结合的方式，但因为没有相应的仪器进行跟踪角度偏差的定 量检测，跟踪精度难以辨别，系统的优劣无法判定。要对太阳跟踪角度偏差量进行检测，首 先应选择比跟踪系统具有更高的太阳敏感性，及测量的稳定性和可靠性的传感器。目前国 内外太阳跟踪系统的传感器普遍采用四象限法硅光电池传感器和位置敏感器件PSD，这些 元件易受光强影响，且存在较大非线性，没有定量的角度输出信息，不能作为良好的跟踪角 度偏差检测传感器。若采用CMOS或面阵CCD，利用小孔成像等方法，则结构复杂，图像成像 要求高，图像处理过程复杂且成本高，多用于航天器姿态定位导航系统，也不能作为普通太 阳跟踪系统的跟踪角度偏差检测传感器。

发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种线阵CCD太阳跟踪角度 偏差检测仪，可以输出定量的太阳跟踪角度偏差测量值，为判定太阳跟踪系统的优劣提供 了依据。本发明的技术解决方案一种线阵CCD太阳跟踪角度偏差检测仪包括方位方向 检测光路、高度方向检测光路、方位CCD及其驱动器、高度CCD及其驱动器、方位前端信号处 理电路、高度前端信号处理电路、计数与处理电路智能显示终端；其中方位方向检测光路，接收太阳入射光线，并进行滤光，减弱光强后，产生对方位敏 感的平行光，以便后续的电路信号检测到此变化过程，此方位方向平行光输出给方位CCD 及其驱动器；高度方向检测光路，接收太阳入射光线，并进行滤光，减弱光强后，产生对高度敏 感的平行光，以便后续的电路信号检测到此变化过程，此高度方向平行光输出给高度CCD 及其驱动器；方位CCD及其驱动器，接收方位方向检测光路传来的方位方向平行光信号，将所 述方位方向平行光信号经CCD成像单元和CCD驱动器后，产生方位方向像元波形至方位前 端信号处理电路，所述像元波形产生的信号包括行脉冲信号，标准像元计数脉冲和像元信 号；高度CCD及其驱动器，接收高度方向检测光路传来的高度方向平行光信号，将所 述高度方向平行光信号经CCD成像单元和CCD驱动器后，产生高度方向像元波形至高度前 端信号处理电路，所述像元波形产生的信号包括行脉冲信号，标准像元计数脉冲和像元信号；方位前端信号处理电路，对方位方向像元波形产生的信号进行滤波和模拟信号边 缘提取信号，以便后续计数与数据处理电路进行计数与数据处理；高度前端信号处理电路，对高度方向像元波形产生的信号进行滤波和模拟信号边 缘提取信号，以便后续计数与数据处理电路进行计数与数据处理；计数与数据处理电路；对方位前端信号处理电路和高度方向前端信号处理电路产 生的行脉冲信号，标准像元计数脉冲和像元信号进行计数处理，数字滤波和标定数据转化， 计算出高度跟踪角和方位跟踪角度偏差输出给智能显示终端；智能显示终端，接收计数与数据处理电路发来的数据和指令信号，进行结果显示， 并可以将数据通过串口传给其他处理器进行分析或进行相应操作。所述方位方向检测光路或高度检测光路由通光筒、滤光片和透镜组成，通光筒上 截面开通光缝，所述通光缝与下置的方位线阵CCD及其驱动器或高度线阵CCD及其驱动器 的摆放方向垂直，太阳光线通过通光缝后再经过经滤光片滤光、透镜产生对方位敏感的平 行光后，照射在方位线阵CCD及其驱动器或高度线阵CCD及其驱动器中的CCD上。所述方位前端信号处理电路和高度前端信号处理电路结构相同，均包括比较器、 单片机、积分时间调整电路、微分电路；前端CCD驱动器的像元波形经比较器输出给单片 机，单片机根据比较器的输出判断像元波形的幅值，并调整CCD驱动器的积分时间常数，调 整积分时间，使像元波形的幅值合适；微分电路用来检测出像元波形的边缘，并做二值化处 理，当单片机检测到像元波形幅值时，控制二值化信号、行脉冲信号、标准脉冲信号输出给 后续的计数与数据处理电路。所述计数与数据处理电路由单片机、存储器、串行输出电路以及智能显示终端组 成；单片机接收信号处理电路的二值化信号、行脉冲信号、标准脉冲信号；单片机在一个行 脉冲周期内，在二值化信号边缘，测量出标准脉冲个数，结合几何量关系，进行计算和标定， 从而得到高度跟踪角和方位跟踪角度偏差通过串行口将测量数据发给智能显示终端显示结果。本发明与现有技术相比的优点在于(1)常规太阳跟踪方法中的传感器易受光强变化影响、非线性以及结构复杂，处理 难度大，不能作为检测太阳跟踪角度偏差仪器中的传感器；现存太阳跟踪系统没有跟踪角 度偏差检测的定量输出，没有跟踪效果评价依据。而本发明将太阳跟踪角度分解为高度角 和方位角两维，然后在跟踪装置面板上沿方位方向和高度方向各放置一个通光筒，太阳光 通过通光筒光路照射在线阵CXD上，根据线阵CXD上像元的变化，确定太阳光线入射角度偏 差的变化。将CCD感测信号经驱动器输出后，再经过低通滤波一次微分、绝对值、二次滤波、 二次微分后进行二值化，最后通过计时计数、滤波算法和数据转换标定算法来计算出高度 跟踪角和方位跟踪角度偏差输出给智能显示终端，可以输出定量的太阳跟踪角度偏差测量 值，作为太阳跟踪系统跟踪效果评价的重要依据，并且能够促进太阳跟踪领域特别是对跟 踪系统要求较高的光伏发电系统例如聚光光伏发电的发展与完善，有较大的实用意义。(2)本发明可以达到预期的测量范围士 10°，测量精度可达到士0.005°。


图1为本发明整体组成原理框图；图2为本发明的高度方向检测光路图，a为垂直入射时，b为存在偏差时；图3a、图北是方位方向检测光路图；图4为本发明的线阵CXD及其驱动输出信号图；图5为本发明的前端信号处理电路组成框图；图6为本发明的信号处理过程；图7为本发明计数与数据处理电路组成图；图8为本发明显示终端显示的测量结果图。
具体实施例方式如图1所示，本发明包括方位方向检测光路1、高度方向检测光路2、方位CCD及其 驱动器3、高度CCD及其驱动器4、方位前端信号处理电路5、高度前端信号处理电路6、计数 与处理电路7、智能显示终端8。方位方向检测光路1和高度方向检测光路2是经滤光片和 透镜后重新形成更容易使方位方向线阵CCD 3及其驱动器和高度方向线阵CCD及其驱动器 4接收的方位方向平行光和高度方向平行光，该平行光对太阳入射光线方位和高度方向入 射光线角度变化敏感，经各自驱动器驱动后，以便后续的方位前端信号处理电路5、高度前 端信号处理电路6可以检测到此变化过程。计数与数据处理电路7进行计数和数据处理， 计算出高度跟踪角偏差和方位跟踪角度偏差输出给智能显示终端，如图2所示，高度方向检测光路2由通光筒21、滤光片22和透镜23组成。通光筒 21上截面开通光缝211，该通光缝211与下置之的高度线阵CXD及驱动器4的摆放方向垂 直，太阳光线通过通光缝211后再经过经滤光片22滤光、透镜23产生对高度敏感的平行光 后，照射在高度线阵CCD及驱动器4中的CCD 27上，若高度方向没有偏差如图2左半部分 所示，通光缝211边缘成像在CXD像域中心M两侧成像区域25，即只有中心区域被照亮成 像区域25，其他均被遮挡住。如高度方向光线入射角度发生变化如图2右半部分，CCD上照 亮区域和通光缝211边缘成像随之移动。如图3所示，方位方向检测光路1由通光筒11、滤光片12和透镜13组成。通光 筒11上截面开通光缝111，该通光缝111与下置之的方位线阵CXD及驱动器3的摆放方向 垂直，太阳光线通过通光缝111后再经过经滤光片12滤光、透镜13产生对方位敏感的平行 光后，照射在方位线阵CCD及驱动器3中的CCD上，若方位方向没有偏差如图3左半部分所 示，通光缝111边缘成像在CXD像域中心14两侧成像区域15，即只有中心区域被照亮成像 区域14，其他均被遮挡住。如方位方向光线入射角度发生变化如图3右半部分，CCD上照亮 区域和通光缝111边缘成像随之移动。如图4所示，是方位方向CXD及其驱动器3、高度方向CXD及其驱动器4的输出信 号。CCD的感测信号经驱动器驱动后输出三个关键信号行脉冲信号F。、标准计数脉冲&和 像元波形Utl ；图4中，行脉冲信号Fc是指线阵CCD扫描一行像元所需的时间周期信号，标准 计数脉冲&是指在此周期内标准的像元个数用脉冲信号表示，像元波形U0是指线阵CCD传 感器感测到的像元电荷经驱动器转化成的电压信号。方位方向CCD、高度方向CCD全部采用 5000线，7000像元，输出频率像元信号可达IM的线阵(XD，该型CXD灵敏度高，经驱动器后的积分时间可以通过前端信号处理电路进行调整，从而避免光线强度变化影响。如图5所示，方位前端信号处理电路5由方位方向的双比较器、单片机组成的反馈 调节积分时间调整电路，以及滤波电路、一次微分、绝对值、放大、二次微分、二值化电路组 成方位前端边缘检测信号处理电路。通过方位前端信号处理电路的积分时间调整电路(即图5中的比较器和单片机组 成积分时间调整电路)将像元波形U0通过双比较器LM393，把比较结果输入给AT89C2051 单片机，通过单片机的I/O 口，设置驱动器的积分时间常数，从而调整像元波形Utl的幅值， 将其幅值限定在合适范围内，以避免光强变化的影响。然后将其中的像元信号输入到前端 边缘检测信号处理电路。进行滤波、一次微分、绝对值、滤波、二次微分、二值化检测光缝成 像波形的两个边缘。所用芯片主要器件型号为运放LM358以及双比较器LM393，选用合适电 容电阻搭成上述电路，将二值化波形和行脉冲信号F。，标准计数脉冲&，输入到后续计时、 计数和数据处理电路。这种结构的优点是可以进行模拟方法的前端信号处理，避免光线干 扰，并提高检测分辨率。如图5所示，高度前端信号处理电路6和方位前端信号处理电路5相同，由高度方 向的双比较器、单片机组成的反馈调节积分时间调整电路，以及滤波电路、一次微分、绝对 值、放大、二次微分、二值化等电路组成高度前端边缘检测信号处理电路。通过积分时间调整电路(图5中的比较器和单片机组成积分时间调整电路)，将像 元波形U。通过双比较器，把比较结果输入给AT89C2051单片机，通过单片机的I/O 口，设置 驱动器的积分时间常数，从而调整像元波形Utl的幅值，将其幅值限定在合适范围内，以避免 光强变化的影响。然后将其中的像元信号输入到前端边缘检测信号处理电路。进行如图5 所示的滤波、一次微分、绝对值、滤波、二次微分、二值化检测光缝成像波形的两个边缘。所 用芯片主要器件型号为运放LM353以及双比较器LM393，选用合适电容电阻搭成上述电路， 将二值化波形和行脉冲信号F。，标准计数脉冲Sp，输入到后续计时、计数和数据处理电路。 这种结构的优点是可以进行模拟方法的前端信号处理，避免光线干扰，并提高检测分辨率。如图6所示，像元波形U0经过滤波后波形变得光滑，毛刺得到消除；经一次微分， 得到像元波形Utl边缘的一次微分波形，其中波峰和波谷处就是像元元波形Utl两个边缘的中 心；经绝对值将波谷变为波峰，波峰处就是像元波形Utl边缘中心；为便于找到中心再进行 滤波和二次微分得到二次微分波形，波形过零点就是像元元波形Utl边缘中心；通过过零比 较进行二值化，得到波形的下降沿处就是像元元波形Utl边缘中心，这样一步步找到像元元 波形U0边缘中心，并提高了分辨率，且便于后续的计数与数据处理。如图7所示，计数与数据处理电路7由单片机、存储器、串行输出电路以及智能 显示终端组成。单片机AT89C52通过PO 口与存储器进行连接，串行输出电路直接通过单片机 AT89C52的串行接口与MAX232连接，MAX232与9针串行口连接和智能显示终端进行串行通信。在每个方位前端信号处理电路和高度方向前端信号处理电路产生的行脉冲信号 Fc内，分别对二值化波形进行计时计数处理，得到通光缝边缘像元波形U0之间的标准脉冲 信号个数N和计时计数，进行标定，从而计算出入射中心位置Ρ『具体计算过程如下，当光线垂直入射进通光缝时，也可测得在像元波形U0两个边 缘中间的标准脉冲信号个数Ntl，计算出像域中心位置PJ其为定值也是参考点)，当光线发 生偏转，不能垂直入射时，同样可测得在像元波形Utl两个边缘中间的标准脉冲信号个数N，由此可计算出P到Ptl的之间的标准脉冲个数ΔΝ，进行数字中值滤波算法，首先进行排序
找出最大值和最小值，去掉后，做平均，找到△ N的平均值&，从而推算出P到Pci的距离，
根据几何位置关系，即可确定入射角度的变化大小和方向。设通光筒高度为H，偏差角度为 Δ α。关于入射角度(方位角与高度角偏差计算方法相同)的定量计算如下式
权利要求
1.一种线阵CCD太阳跟踪角度偏差检测仪，其特征在于包括方位方向检测光路、高度 方向检测光路、方位CCD及其驱动器、高度CCD及其驱动器、方位前端信号处理电路、高度前 端信号处理电路、计数与处理电路、智能显示终端；其中方位方向检测光路，接收太阳入射光线，并进行滤光，减弱光强后，产生对方位敏感的 平行光，以便后续的电路信号检测到此变化过程，此方位方向平行光输出给方位CCD及其 驱动器；高度方向检测光路，接收太阳入射光线，并进行滤光，减弱光强后，产生对高度敏感的 平行光，以便后续的电路信号检测到此变化过程，此高度方向平行光输出给高度CCD及其 驱动器；方位CCD及其驱动器，接收方位方向检测光路传来的方位方向平行光信号，将所述方 位方向平行光信号经CCD成像单元和CCD驱动器后，产生方位方向像元波形至方位前端信 号处理电路，所述像元波形产生的信号包括行脉冲信号，标准像元计数脉冲和像元信号；高度CCD及其驱动器，接收高度方向检测光路传来的高度方向平行光信号，将所述高 度方向平行光信号经CCD成像单元和CCD驱动器后，产生高度方向像元波形至高度前端信 号处理电路，所述像元波形产生的信号包括行脉冲信号，标准像元计数脉冲和像元信号；方位前端信号处理电路，对方位方向像元波形产生的信号进行滤波和模拟信号边缘提 取信号，以便后续计数与数据处理电路进行计数与数据处理；高度前端信号处理电路，对高度方向像元波形产生的信号进行滤波和模拟信号边缘提 取信号，以便后续计数与数据处理电路进行计数与数据处理；计数与数据处理电路，对方位前端信号处理电路和高度方向前端信号处理电路产生的 像元波形边缘提取二值化信号进行查询采样，在行脉冲信号周期内对标准像元计数脉冲信 号进行计数处理，数字滤波和标定数据转化，计算出高度跟踪角和方位跟踪角度偏差输出 给智能显示终端；智能显示终端，接收计数与数据处理电路发来的数据和指令信号，进行结果显示，并可 以将数据通过串口传给其他处理器进行分析或进行相应操作。
2.根据权利要求1所述的线阵CCD太阳跟踪角度偏差检测仪，其特征在于所述方位 方向检测光路或高度检测光路由通光筒、滤光片和透镜组成，通光筒上截面开通光缝，所述 通光缝与下置的方位线阵CCD及其驱动器或高度线阵CCD及其驱动器的摆放方向垂直，太 阳光线通过通光缝后再经过经滤光片滤光、透镜产生对方位敏感的平行光后，照射在方位 线阵CXD及其驱动器或高度线阵CXD及其驱动器中的CXD上。
3.根据权利要求1所述的线阵CCD太阳跟踪角度偏差检测仪，其特征在于所述方位 前端信号处理电路和高度前端信号处理电路结构相同，均包括比较器、单片机、积分时间调 整电路、微分电路；前端CXD驱动器的像元波形经比较器输出给单片机，单片机根据比较器 的输出判断像元波形的幅值，并调整CCD驱动器的积分时间常数，调整积分时间，使像元波 形的幅值合适；微分电路用来检测出像元波形的边缘，并做二值化处理，当单片机检测到像 元波形幅值时，控制二值化信号、行脉冲信号、标准脉冲信号输出给后续的计数与数据处理 电路。
4.根据权利要求1所述的线阵CCD太阳跟踪角度偏差检测仪，其特征在于所述计数 与数据处理电路由单片机、存储器、串行输出电路以及智能显示终端组成；单片机接收信号处理电路的二值化信号、行脉冲信号、标准脉冲信号；单片机在一个行脉冲周期内，在二值 化信号边缘，测量出标准脉冲个数，结合几何量关系，进行计算和标定，从而得到高度跟踪 角和方位跟踪角度偏差通过串行口将测量数据发给智能显示终端显示结果。
全文摘要
一种太阳跟踪角度偏差检测仪器，用于光伏发电中跟踪系统的误差检测。该仪器能够得到太阳跟踪角度偏差的定量值，从而可以对市场上现有光伏发电中跟踪系统的太阳跟踪精度进行合理有效的评价。太阳跟踪精度是一个太阳跟踪系统的重要指标，是衡量太阳跟踪系统好坏的重要依据。为实现以上目的，对于太阳跟踪角度偏差的测量，采用新型线阵电荷耦合器件CCD，设计光路和信号处理电路，根据太阳光线入射角度不同和通光缝边缘投影在CCD上成像的变化关系，确定太阳跟踪角度偏差量，主要包括高度角和方位角跟踪角度偏差的检测，最后将检测结果进行数据处理分析并通过智能显示终端显示出来，也可以通过串口传给其他处理器进行进一步处理。
文档编号G01C1/00GK102062595SQ201010573409
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者刘中, 刘振华, 周培涛, 李成贵 申请人:北京航空航天大学