（电路与系统专业论文）空间太阳能电池玻璃盖板裂缝检测系统的研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o no fc l a s s2 010 u n i v e r s i t yc o d e ：1 0 2 6 9删 r e g i s t e r e dn o ：510 7 12 0 2 0 4 2 e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i r e s e a r c hf o rt h ec r a c kd e t e c t i o no ft h e s o l a rc e l li nt h es p a c e d e p a r t m e n t ： m a j o r ： s p e c i a l t y ： s u p e r v i s o r ： s t u d e n tn a m e ： d e p a r t m e n to f e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g g i 鱼坠i ! 墨垦坠亟s y 墨! 星堡 旦i g i ! 垒! 旦i 墨p ! i 理 盟垒g 翌选i 曼h 星堡g 鱼坠q 鱼n g i a p r i l ，2 010 论文摘要 太阳能玻璃盖板全称为太阳能光伏电池组件玻璃盖板，能够充分透过太阳能以利于 硅晶板的吸收，并以自身的强度保护下面的硅晶板不受到外界雨雪等恶劣天气或太空条 件的损坏，是太阳能光伏电池的必备件之一。卫星太阳能供电系统对太阳能玻璃盖板的 原料、工艺设备、员工操作等要求及其严格，否则将会影响玻璃的透光率，进而影响太 阳能光电转换率，甚至造成无法挽回的损失。因此要求卫星升空前必须替换掉表面带有 裂缝的玻璃盖板。 文章首先把整个系统的设计分为三个部分：嵌入式图像采集模块；软件图像处理 部分；图像存储的设计。 嵌入式图像采集模块，通过p c 控制单片机，转动马达，来调整数码相机的位置， 拍照后传输至p c ，进行下一步的处理。 相机传输过来的图像首先要进行几何校正。相机拍得的照片，无法保持图像的垂直 水平状态，倾斜的图像处理起来非常不方便，故先进行几何校正；几何校正的图像如果 不进行灰度插值，图像会失真，反应到电池图像上则是连续的裂缝细微处会有断痕，这 样会造成不易识别的隐患，因此几何校正后需进行灰度插值，防止图像失真；图像采集 中采用的环形单色光大角度照射法，无法保证电池背景的均匀性。实验发现，不均匀背 景对电池图像的二值化处理影响极其严重。所以去掉电池图像的不均匀背景，是图像的 二值化处理前必须要做的步骤；提取二值化图像上的最大联通域是极其关键的一步。提 取的最大联通域中，既包括横栅和竖栅，也包括裂缝信息和噪声。接下来要去除图像上 的栅格，去除导电横栅和导电竖栅，最后则是去除各种噪声( 既有灰尘噪声，也有背景 均匀不彻底遗留的噪声等) 。经过上述几个步骤处理后，人眼可以比较容易识别电池有 无裂缝。 在用c + + b u i l d e r 开发的操作界面上，除了能完成图像处理部分的功能外，还要有 图像的查询、添加、删除以及随时查看电池片信息的功能，上面的各种功能是第三部分 数据存储访问的主要内容。 关键词太阳能电池图像处理裂缝不均匀关照 a bs t r a c t t h eg l a s so fs o l a rc e l lw h i c hi st h ec o m p o n e n to fp h o t o v o l t a i c c e l lc a r lb ep e r m e a t e db y t h e s u n ，a n di ti st h en e c e s s a r yp a r to f t h ep h o t o v o l t a i cc e l l t h ep o w e rp r o v i d e ri sb e i n gm a d e v e r ys t r i c ti nt h ep r o d u c t i o n ；o t h e r w i s e ，t h es e r i o u sc o n s e q u e n c ew i l lb et a k e nb a c k s o ，t h e d a m a g e ds o l a rc e l lm u s tb ec h e c k e do u tb e f o r el i n o f f t h es y s t e mc o n s i s t so ft h r e ep a r t s 。p i c t u r ec o l l e c t e db yt h eh a r d w a r e ；s o f t w a r ei sm a i nt o p r o c e s s i n gt h ei m a g e ；l a s t l y , t h ed a t a b a s ei sn e e d e dt os t o r et h ec e l li m a g e st h a ta r ep r o c e s s e d i nt h es e c o n ds t e p t h ef i r s ts t e po ft h ed e s i g ni sc o l l e c t i n gc e l li m a g e s p e c i a l l ys p e a k i n g ，w i t ht h ee f f e c t i v e w o r ko fe m b e ds y s t e m ，t h ec e l li m a g et h a ti st a k e nb yt h ed i g i t a lc a m e r aw i l lb et r a n s f e r r e dt o t h ep c ，a n dt h i si st h ep r e p a r e d n e s sf o rt h es e c o n ds t e p i nt h es e c o n dp a r to ft h ep a p e r , w i t ht h ed a r k f i e l di l l u m i n a t i o nb e i n gu s e df o rt h e c o l l e c t i o no ft h eg l a s sp h o t o s ，m e t h o d so fr e d u c i n gn o n - u n i f o r mi l l u m i n a t i o na n dg e o m e t r i c r e c t i f i c a t i o no f i m a g ec a r r i e du pf u s t l y , m a t h e m a t i cm o r p h o l o g yi sp e r f o r m e dt h e n ，a n da n e w a r i t h m e t i cc a l l e dy a r d s t i c kf o rr e d u c i n gn o i s ei sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o c e s s i n gs u p p l i e di nt h i sp a p e ri st om e e tt h ed e t e c t i o n ，a n di m p r o v e t h a tt h ea r i t h m e t i cc a r r i e du pi nt h ep a p e ri sa ne f f e c t i v ep r o c e s s i n gm e t h o d i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , i m a g e so p e r a t e dw i l lb ep u ti n t od a t a b a s e a n di nt h ei n t e r f a c e d e s i g n e dw i t ht h ecl a n g u ea n dcp l u sp l u sl a n g u e ，t h eo t h e r f u n c t i o n sa l s oi n c l u d ei n c r e a s e ， q u e r y , d e l e t e ，a n de v e ne x a m i n ep i c t u r e sa ta n y t i m e k e y w o r d s ： s o l a rc e l l i m a g ep r o c e s s i n g c r a c kn o n _ u n i f o r mi l l u m i n a t i o n “ 砖。 、i ； 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文空间太阳能电池玻璃盖板裂缝检测系统的研究， 是在华东师范大学攻读礓值士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名： 日期谢年钐月刀日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 空间太阳能电池玻璃盖板裂缝检测系统的研究系本人在华东师范大学攻读学位 期间在导师指导下完成的碌埔士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范 大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门 和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论文的印刷版和电子版；允许学 位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采 用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文木， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 本人签名 砷io 年红玛2 8 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 郭延齐硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 刘锦高教授华东师范大学通信工程系主席 薛燕陵教授华东师范大学通信工程系 刘一清高级工程师华东师范大学通信工程系 目录 第一章绪论1 1 1 课题的背景和意义1 1 2 目前国内外研究现状2 1 3 本系统结构4 1 4 本章小结4 第二章嵌入式图像采集系统的总体设计5 2 1 系统的需求分析5 2 2 系统硬件平台总体设计。：6 2 3 系统模块总体设计6 2 3 1 获取图像装置设计6 2 3 2 光源选择8 2 3 3 机械装置和步进电机9 2 3 4 单片机1 l 2 4 移动控制模块1 2 2 5 本章小结1 3 第三章基于b c b 6 0 的数字图像处理。1 4 3 1b o r l a n d 公司与b c b 1 4 3 1 1b o r l a n d 公司1 z l 3 1 2b c b 15 3 1 2 1b c b 的发展1 5 3 1 2 2b o r l a n dc + + 1 5 3 1 2 3d e l p h i b c b 1 6 3 1 2 4b c b 定位与v c 的区别1 6 3 2 程序设计结构1 8 3 3 数字图像处理相关的方法原理1 9 3 3 1 数字图像处理概述1 9 3 3 1 1 基本概念1 9 3 3 1 2 应j h j 目的1 9 3 3 1 3 应用领域2 0 3 3 2 图像二值化2 0 3 3 3 图像格式的转换2 l 3 3 3 1 彩色图像概念2 1 3 3 3 2 真彩图向灰度图的转换2 2 3 3 4 几何校正2 2 3 3 4 1 空间变换2 3 3 3 4 2 倾斜角的计算2 5 3 3 4 3 图像儿何校正前后比较2 6 3 3 5 灰度插值2 7 3 3 5 1 前向映射和后向映射2 7 3 3 5 2 插值灰度的计算2 8 3 3 5 3 图像插值前后比较3 1 3 3 6 光照校正3l 3 3 6 1 数学形态学简介31 3 3 6 2 二值形态学基本运算3 3 3 3 6 3 灰度数学形态学3 3 3 3 6 4 背景估计和消除4 2 3 3 7 去栅格4 3 3 3 7 1 最大连通域4 3 3 3 7 1 1 像素邻域4 3 3 3 7 1 2 像素的邻接和连接4 4 3 3 7 1 3 像素的连通，4 连通，8 一连通4 5 3 3 7 1 4 目标标记4 5 3 3 7 1 5 基于矩阵的标记4 6 3 3 7 2 去栅格操作4 8 3 3 7 3 去除横栅竖栅后图片对比4 9 3 3 8 去噪声5 0 3 3 9 判别裂缝5 2 3 4 本章小结5 2 第四章数据存储及访问5 3 4 1 数据库5 3 4 1 1 数据管理的发展5 3 4 1 2 数据库技术的发展5 3 4 1 3 关系数据库概述5 4 4 1 4 电池信息存储数据库的建立。5 4 4 2s q l 语言5 5 4 2 1s o l 概貌及其特点。5 5 4 3c + + b u i l d e r 提供的数据库辅助工具5 5 4 4 数据库访问及其操作5 8 4 4 1 信息存储及其显示5 8 4 4 2 电池完整性查看5 9 4 5 本章小结6 1 第五章总结与展望6 2 5 1 本文的主要工作和结论6 2 5 2 下一步的主要工作6 2 主要参考文献6 3 附录一6 6 后记6 7 、 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 目前，在航天电源领域内，绝大多数卫星电源均使用太阳能电池作为其动力核心。 卫星电源系统为整个卫星正常运行提供了稳定电源，它是卫星电能产生、储存、变换、 调节、传输分配和管理重要分系统。其通光电转换，将太阳光能、核能或化学能转化为 电能，并根据需要对电能进行存储、调节和变换，然后向卫星其他各分系统不间断供电。 卫星电源的性能直接影响到卫星的性能和工作寿命、性能和可靠性，对卫星电源系统升 空前进行微创伤检测意义重大。 空间太阳能电池需要在电池表面粘贴玻璃盖板起保护作用，由于粘贴用胶在固化过 程中产生的不均匀应力等各方面原因，有可能造成电池体和玻璃盖板的损伤，其中玻璃 的损伤主要表现为裂缝，玻璃裂缝往往还会进一步造成电池体的损伤，影响电池的正常 工作，需要在升空前将损伤的电池换掉。若是因为玻璃裂缝对电池体造成损伤，进而对 电池的光电转换效率产生影响，严重时甚至对卫星整个供电系统造成断路，则卫星发射 到太空中后，由于其无法收回，那么付出的人力，物力和财力代价则是巨大的，也是极 其得不偿失的。 本课题的研究，不仅对目前卫星的供电系统有重要意义，而且对以后太阳能电池应 用领域的拓展也将有所帮助。目前小型电子设备的发展十分迅速，应用领域不断扩大， 在一些极其危险但必须安装电子设备的地方，电源供给将是一个棘手的问题，利用太阳 能来为电子设备提供电源是个不错的选择。类似场合对太阳能电池各方面的要求将极其 苛刻，电池玻璃盖板的完整性也不容有失。 1 2 目前国内外研究现状 由于民用太阳能装置对太阳能电池的玻璃保护层要求不是很高，目前没有丰富的相 关资料可查。在有限的可查阅到的资料当中，有图像处理方法、激光扫描方法和热成像 法等。 图像处理方法。采用图像处理的方法，主要是用合适的图像算法来滤除电池表面除 裂缝之外的所有其他信息，包括导电光栅，噪声等。该方法和其他几种方法相比，设备 投入少，环境要求低，成本低廉，操作过程相对简单。但精确度不够高，有可能会出现 误判的情况。 激光扫描法。该方法为光学物理方法，通过一束平行光束( 采用激光束) 照射到电 池表面，反射光束由一个透镜会聚到位于透镜焦平面上的c c d 上。如果电池表面是一 个完整的平面，则在c c d 上得到一个光斑；如果电池表面存在裂缝，裂缝两侧表面夹 角为0 ，则从两表面反射光束存在20 的角度，从而在c c d 上形成2 个光斑，检测两个 光斑存在与否可以知道电池是否为碎片电池。该方法精确度高，检测全面，可以同时实 现对玻璃盖板和电池片的测试，但这种方法是通过对反射光斑的分裂实现间接测量，不 够直观，可靠性有赖于软件的判别能力，提高需要一个过程。此外，测试产生的图缘数 据量非常大，对计算机提出了较高的要求。 热成像法。电池上布有金属材料制成的梳状电极，他们构成了光电池的一个极，通 过2 个引脚连接到外部，另一个极是电池的铝衬底，梳状电极的作用是减小电池的内阻。 如果电池途中出现裂缝，则断层下方将呈现高阻态，对电池加以正向电流，电池将会发 光或产生热辐射，可采用热象仪测试，进而判断电池的完整性。热成像法需要较大的工 作电流( 单片电池在2 a 以上) ，在通电时间过长时，有可能会损伤到电池体。 其他领域中用到的激光检测，其特点是持续稳定，分辨率可调，准确，精度高等； 超声波方向性好，穿透力强，易于产生和接收，探头体积小等。但考虑到本系统比较笨 重的伺服装置等因素，此类方法相对比较复杂，要求控制精度比较高，实时性无法满足 项目要求，操作起来也相对麻烦。与本系统的目卜一人操作一台p c ，相距较远，故 无法采用，但具体到细节，有些步骤还是可以借鉴的。在诸如建筑，混凝土，玻璃，医 学等行业，其裂缝检测方法相对比较完善，在这些行业的裂缝检测中，目前应用较多的 有如下方法。 超声波检测。超声波法用于非破损检测，就是以超声波为媒介，获得物体内部信息 的一种方法，目前超声波法己应用于医疗诊断、钢材探伤、鱼群探测等许多领域。在这 些领域里，由于组成颗粒小密度大，密度分部也很均匀，所以声波能很好地，对其内部 缺陷及其位置等都能准确地检测出来。掌握混凝土表面产生的裂缝深度，对耐久性诊断 2 和研究修j t - 3 0 n 固对策有重要意义。测定裂缝深度，基本上都是将发射探头和接收探头， 布置在混凝土同一面上的裂缝附近，但由于所选用的波形种类( 纵波、横波及表面波) 和 声学参数( 声速、频率、相位等) 的不同，已有许多种具体方法。 声发射检测法。声发射检测法也是利用弹性波进行声学检测的具体检测方法检测裂 缝，和其他方法最大的不同是只能检测正在发生的裂缝，不能检测己发生的旧裂缝，对 正在发生的裂缝可检测裂缝发生的位置( 声发射源定位) ，裂缝的大小，扩展情况和种类， 以及裂缝的深度等。 冲击弹性波法。一般把弹性体内传播的波总称为弹性波，用人工发射弹性波到弹性 体内，探测弹性体内的状态，是广义的弹性波探测法。冲击弹性波法与超声波法的原理 是一样的，但远比超声波测定的裂缝深度深，冲击弹性波法只能检测扩展方向与表面成 直角，没有分支的单纯裂缝。 一 摄影检测法。摄影检测法主要用作混凝土表面的裂缝摄影法包括普通照相机、录象 机、放射线、红外线摄影等进行检测。 光纤传感网络监测。在各国竞相开发的结构监测高科技领域里，光纤传感以其独特一 优势居于中心地位，它灵巧、精度高、抗电磁干扰，且可靠耐久，易于光纤传输组成自 动化遥测系统。光纤传感应用于结构工程监测始于2 0 世纪9 0 年代初，如航空航天器、桥海 梁等的温度、振动、应变检测等裂缝的发生可以用埋设在混凝土中光纤的光强变化监测， 而裂缝的定位可用多模光纤在裂缝处的光强突然下降或诊断完成，通过衰减曲线上的裂 缝损耗突变点，可以准确地确定裂缝的位置，针对混凝土裂缝检测的特点，研制出基手擎_ 光时域反射技术的光纤裂缝传感网络，可实现桥梁混凝土结构的分布检测，凡裂缝与光 纤传感网络相交，均可感知，并可定宽、定位、定向。 、f 1 3 本系统结构 本系统首先通过p c 控制马达，使图像采集组件到达确定位置，镜头采集电池图像； 将采集到的图像传送至p c 后，通过_ 组特定的图像处理算法对电池照片进行实时处理， 算法要滤除电池片上除裂缝信息外的所有信息；将处理后的图像视为结论信息，完成对 信息存储，并实现查询等功能。将整个系统分为三部分，如下图所示： 1 4 本章小结 图i - i 系统框图 本章首先提出系统研究的目的和意义；然后罗列目前国际上对裂缝检测的领域以及 所用的成熟方法。但对太阳能电池裂缝的检测则几乎没有研究，究其原因则是因为民用 太阳能产品的要求没有达到一定高度，没有足够的社会需求来刺激推动这方面的探索研 究；第三部分则梳理整个系统，把系统分为三模块部：图像采集部分，图像处理部分， 图像存储，分章论述并加以实现，框架清晰，条理性好，结构清楚。 通过分析不难看出本系统的重点和难点是电池图像的获取和处理，尤其是图像处理 部分，如果算法选取不当，处理结果达不到项目要求，则整个系统将会变得毫无意义。 因此，图像处理部分是系统的关键所在，也是本论文的探讨重点。 4 第二章嵌入式图像采集系统的总体设计 2 1 系统的需求分析 现阶段，对于玻璃碎片检测的光源需求方法是光散射法。利用光线在碎片处产生的 散射，找出光线的变化。这种方法虽然科学，但是目前判别光线变化的方法完全依赖人 类肉眼完成。车间工人在拿到一片电池片后，需要在光线和照明条件合适的地方，从不 同的光线角度，尝试去鉴别电池片中有无裂缝。这种辨别方法很大程度上要考经验来完 成，如果工人感觉电池片有裂缝但确实没有看出，还需要转换辨别空间，再次重复上面 的观察步骤，过程繁琐。这无疑增加了操作人员主观失误的可能性。本研究的目的就是 在光散射法的基础上进一步发展，将光线变化的检测用电子仪器捕捉、分析，精确地判 断电池板的碎裂情况。 嵌入式部分主要是为了能够精确地得到光散射图像，送至计算机处理。软件处理部 分的目的在于对获得的图像进行分析计算，得出裂缝的分布情况，并存储以备查询。本 部分将介绍硬件系统的构成。 要达到获取图像的目的，首先需要搭载图像获取装置( 照相机) ，该装置要能全方 位地捕捉太阳能电池板上的电池分布。一块完整的电池板长、宽大约为2 - 4 米，所以一 次性捕捉会造成图形象精度过低，无法分析，故需要一个机械装置控制数码相机，使其 在与电池板平行的平面内灵活移动拍摄。同时，光源照射用到的光散射法需要依赖一定 角度的斜射光线，因此还要有符合条件的稳定光源。 现今，嵌入式系统的飞速发展带给自动控制行业带来无限的想象空间。该项目硬件 部分以嵌入式系统、微控制系统为核心，以步进电机作为主要机械控制手段进行开发研 究。 警。 2 2 系统硬件平台总体设计 系统通过p c 机发出指令，指挥单片机精密地控制两个步进电机，带动图像捕捉系统 的机械移动。l e d 单色光源在暗场条件下，在光源驱动电路驱动下，发出倾斜的光束， 打在玻璃表面上，在玻璃裂缝处产生散射，数码相机捕捉到散射光线，从而得到明亮的 玻璃裂缝图像。硬件结构如下： 2 3 系统模块总体设计 2 3 1 获取图像装置设计 图2 - 1 硬件结构设计框图 本系统采用如图2 - 2 所示的暗场照明方式获取电池图像。 暗场照明可突出显示瑕疵与缺陷。首先，顾名思义，与使得被照明物体显“亮 的 亮场照明相反的是，暗场照明条件下被照明物体是“暗 的，而瑕疵、缺陷等需要凸显 的信息则显示为“亮 的。 本系统采用的暗场照明是这样实现的：照明光以大入射角照射到太阳能电池上，观 察者( 采用c c d 相机) 位于太阳能电池的正上方，由于太阳能电池的表面是近乎镜面的， 观察者看到的太阳能电池是比较暗的，而瑕疵、灰尘等使入射光产生散射，从而看起来 是亮的。同时为了克服玻璃裂缝对光散射的取向性，照明光采用的是环形照明。暗场照 明是检测行业和机器视觉行业必不可少的工具，特别是在需清晰观测表面特性或内部特 性时，比如那些采用标准背光或亮场前置照明光看不到边缘或瑕疵的时候，用暗场照明 光源就能够很好的反映出这些特性。 照明光源采用单色l e d 。l e d 发出的单色光经透镜压缩发散，再被反射镜反射，最终 会以大角度形式照射到电池上。为了达到对电池均匀照明的目的，设计系统采用了多个 l e d 从不同角度对电池照明。电池正上方为c c d 相机，用于即时采集电池照片。 图2 2 暗场照明获取图像 正常情况下，大角度的入射光将以大角度反射( 图2 - 3 中的光束a ) ，位于电池正上 方的c c d j f h 机拍摄到的是一个比较暗的电池图像；入射光束b 进入玻璃后照射到玻璃裂缝 上，光束在该处产生散射，c c d 相机将拍摄到明亮的玻璃裂缝；电池体的裂缝与玻璃裂 缝不同，电池体对于光线有良好的吸收，光线c 从电池裂缝的开口处入射，并在裂缝内 部产生散射，由于裂缝很细( 多数只在微米量级特别是电池体有裂缝而玻璃没有裂 缝的情况) ，加上材料的吸收，从裂缝向外散射的光线是很少的，位于电池上方的观察 者看到的将是一条比电池体本身还要暗的暗线。但由于电池体的裂缝通常太细，很多情 况下并不容易明显地看到这条暗线，因此，对于电池体裂缝主要采用的热成像法检测， 本文不作更多的讨论。 实际上，玻璃裂缝的断面并不是一个良好的散射面，而是具有一定取向的，加上裂 缝本身的走向，断面对入射光的散射也具有一定的方向性，采用多个l e d 从不同的角度 对电池照明有利于将不同裂缝走向、不同散射取向的裂缝在电池图像中凸现出来，这是 采用多个l e d 从不同角度照明的另一个重要原因【2 】。 一、丫。 ； 一： 图2 - 3 光散射法检测电池裂缝原理 7 2 3 2 光源选择 本系统中选用的l e d 照明灯额定功率为1 w ，额定电流为3 5 0 m a ，单基色，选用数量为 9 枚。目前市场上直流( d c ) 驱动l e d 光源发光的技术已经越来越成熟，选用恒流源来驱 动l e d 是个不错的选择。 a m c 7 1 3 5 恒流源芯片能以3 5 0 m a 恒定电流输出推动1 w 的高功率l e d ，达到稳定亮度、增 加电池总输出功率的效果。其超低压差、低静态电流特性更延长了电池操作时间。无须 任何外接组件，并具有输出短路开路保护与内建过热保护装置。 目前市面上普遍采用s o t - 8 9 贴片式封装，图2 4 是该芯片的引脚示意图： v d d g n d o u t s o t - 8 9 一三 t o 2 5 2 图2 - 4a m c 7 1 3 5 封装及引脚 根据d a t a s h e e t 提供的参考电路，芯片在电路中的接法如下图所示： 图2 - 5 光源驱动电路原理图 图中驱动的l e d 额定电流为3 5 0 m a ，如果需要驱动9 枚这样的l e d ，可直接并联起8 枚芯 片。此时要特别注意电源的选择，因为并联起来以后，总电流为9 3 5 0 m a = 3 1 5 0 m a 。系 统选择的电源，额定电压5 v ，额定电流5 a ，可以提供足够的电流。 功率1 w 的l e d 功率高，发热量也大。设计中利用导热硅胶将l e d 粘在散热片上，l e d 的 两个引脚与散热片的间隙中填充了一层透明绝缘材料，防止短路【3 1 。 8 2 3 3 机械装置和步进电机 蛩2 - 6 光源效果图 光源与照相机一起固定，可以一同看作一个“图像捕捉单元”。这个单元一次只能 摄取一定面积的图像，也即只能获得少数电池的信息。要捕捉到全板的信息，必须保证 该单元的自由移动。电池板竖直放置，与之平行的有一个机械装置大支架将图像捕捉单 元支撑，大支架必须坚固稳定，同时还要能让电机带动图像捕捉单元二维移动。两个电 机分别控制捕捉单元水平方向和竖直方向的移动，慢速牵引，精度要高。机械装置支架 如图2 - 6 所示： 9 嚣 毒了 。 x 轴滚轮 y 轴滚轮 图2 - 6 机械装置大支架 依照项目要求，太阳能电池板长、宽可以达到2 4 米。电池板直立，照明设备和图 像获取设备悬挂，由电机带动在板面范围内自由移动。照明和图像获取装置的总体重量 约5 千克，加上悬挂支撑支架的重量，需要带动的总重量约为1 0 千克。 考虑到图像捕捉对电机定位精度的要求，决定使用步距角为1 8 度的步进电机，电 机采用半步模式工作，每半步移动0 9 度。项目对精度的要求是可调距离为l 毫米，因此 o 9 度的电机转动对应装置l 毫米的移动，这点由机械结构保证。经过调试，电机比较理 想的转动速度是接近每两秒一转，对应的脉冲频率为l o o h z 。这样，装置移动的速度为 0 1 米秒，垂直方向的电机要能带动i o k g 的重量，就需要1 0 w 的功率；如果装置比较沉 重，就需要更大马力的电机。而控制水平方向的电机只需要克服装置平移的摩擦力，相 对来说功率可以低一些。 系统研究开发阶段决定使用功率小、成本低廉一些的电机进行模型试验。根据目前 市场的供应以及项目的需求，研发阶段决定选用型号4 2 b y g - 1 7 h 1 8 5 h - 0 3 a 的步进电机。 它是单出轴两相六线步进电机，工作电压1 2 v ，工作电流0 4 a f 4 】。 l o 图2 7 步进电机：4 2 b y g 一1 7 1 t 1 8 5 h 一0 3 a 2 3 4 单片机 ： 本项目使用a t m e l 公司生产的a v r 系列单片机。a v r 系列单片机是高速单片机，开发 门槛较低，性价比高；有丰富的外设，女h r t c 、w a t c h d o g 、a d 转换器、p w m 、u a r t 接 口等。i o 口功能多、驱动能力强，i o n 有输入输出、三态高阻输入，也可设定内部拉 高电阻作输入端的功能，工业级产品，具有大电流( 灌电流) 1 0 - - - 4 0m a ，可直接驱动可控 硅s s r 或继电器，节省了外围驱动器件；具有较大容量，可擦写1 0 万次的e e p r o m ，为掉电 后数据的保存带来方便。考虑到项目实际需求，结合单片机的端口、功能，决定使用a v r 系列中的a t m e g a l 6 单片机。 a t m e g a l 6 有如下特点：1 6 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有同时读写的能力，即 r w w ) ，5 1 2 字节e e p r o m ，1 k 字节s r a m ，3 2 个通用i o 口线，3 2 个通用工作寄存器， 用于边界扫描的j t a g 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器 计数器( t c ) ，片内外中断，可编程串行u s a r t ，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路1 0 位具有可选差分输入级可编程增益( t q f p 封装) 的a d c ，具有片内振荡器的可编程 看门狗定时器，一个s p i 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式1 5 i 。 a t m e g a l 6 芯片的引脚图如图2 - 8 所示： j 暾镰1 囊r - ( x c k t d ) p b 0 ( t 1 ) p b l ( i n t 2 1 a i n 0 ) p b 2 ( o c 0 ，a i n l ) p b 3 ( 嚣) p b 4 ( m o s i ) p b 5 ( m i s o ) p b 6 ( s c k ) p b 7 解田 v c c g 卜 d t a l 2 。 x t a l lr ( r x d ) p d 0 ( t x d ) p d l ( i n t o ) p d 2 ( i n t l ) p d 3 ( o c l 日) p d 4 ( o c l a ) p d 5 ( i c p l ) p d 6 2 4 移动控制模块 p a d ( a d c o ) p a l ( a d c l ) p a 2 ( a d c 2 ) p a 3 ( a d c 3 ) p a 4 ( a d c 4 ) p a 5 ( a d c s ) p a 6 ( a d c 6 ) p a 7 a d c 7 ) a r e f g n d a v c c p c 7 ( t o s c 2 ) p c 6 ( t o s c l ) p c 5 ( t d i ) p c 4 ( t d 0 p c 3 ( t m s ) p c 2 ( t c k ) p c i ( s d a ) p c 0 ( s c l ) p d 7 ( o c 2 ) 图2 8a t m e g a l 6 芯片引脚 试验阶段，软件控制部分在实验板上实现，待模块成熟后，要将其转移至综合操作 界面上。 在水平( x 方向) 和垂直( y 方向) 方向，要分别能控制电机的自由转动，使其带动 相机到达目的位置，故需上下左右四个方向键来控制电机的转动方向。 4 2 b y g - 1 7 h 1 8 5 h - 0 3 a 的步进电机，在单双相轮流通电方式下，步距角为0 9 度，即电机旋 转0 9 度，对应改变一个移动单位。按照每0 9 度移动一毫米来计算的话，移动范围最大 可以达长宽各9 米，可以满足电池帆板操作范围。 实验开发板如下图2 9 所示。图中标识的a 、b 、c 、d 四个按键，作为控制马达上下 左右移动的控制按钮。 2 5 本章小结 图2 9 实验开发板 本章第一部分首先对项目需求进行了初步分析，进而提出对硬件的要求，第二部分 给出了硬件设计框架；第三部分则对第二部分的硬件框架中各模块分别给出了具体的实 现，通过对项目的设计需求和市场的供货信息，并考虑到设计的造价，最后选定了单片 机，步进电机等元件的型号。最后把各模块组成初步的图像采集系统，通过仿真和实验 室阶段的验证，可以初步达到实验设计要求。但需要讲清楚的是，本章的设计只是实验 阶段的初步设计，如果要做成成品，则根据实际情况，还需要对各部分的功能和性能进 行进一步的加强。 桫一 舀_ o 第三章基于b c b 6 0 的数字图像处理 3 。1b o r l a n d 公司与b c b 3 1 1b o r l a n d 公司 b o r l a n d 公司于1 9 8 3 年由p h i l i p p ek a h n 在美国加利福利亚州s c o t t sv a l l e y 创 立，是领先全球的软件交付最优化( s d o ) 平台独立解决方案供应商，业务遍及 全球，曾经是世界第三大软件公司。公司提供的软件和服务有助于人员、流程、技 术的配合，以使软件的商业价值最大化。 在软件开发领域中，b o r l a n d 公司几乎是高品质软件代名词! d o s 时代b o r l a n d t u r b oc c + + 独领风骚，风靡全球，是d o s 时代最强大的开发工具。在p a s c a l 问世以 来的三十余年间，先后产生了适合于不同机型的各种各样版本。其中影响最大的莫过于 t u r b op a s c a l 系列软件。它是由b o r l a n d 公司设计、研制的一种适用于微机的p a s c a l 编译系统。该编译系统由1 9 8 3 年推出1 0 版本发展到1 9 9 2 年推出的7 0 版本，其版本 不断更新，而功能更趋完善。 b o r l a n d 的开发工具从技术上讲的确称得上是无与伦比的卓越，主要产品有d e l p h i 、c + + b u i l d e r 、j b u i l d e r 等，还有p h p 与r u b y 的i d e 开发工具。 2 0 0 6 年2 月，b o r l a n d 宣布要出售旗下的整合开发环境业务，并迎向应用程序生命 周期管理( a p p l i c a t i o nl i f e c y c l em a n a g e m e n t ia l m ) 业务。b o r l a n d 一向以开发工具 闻名，不过近年来却饱受开放原始码产品的竞争，特别是来自e c l i p s e 基金会的j a v a i d e ，使得b o r l a n d 的i d e 营收比重不断下滑；2 0 0 9 年5 月6 日，英国软件商m i c r of o c u s 宣布，公司以7 5 0 0 万美元现金收购b o r l a n d 软件公司，整体并购事宜在2 0 0 9 年第 二季度完成f 6 1 。 3 1 2b c b 3 1 2 1b c b 的发展 1 9 8 3 年1 1 月，创立不久的b o r l a n d 推出了第一个产品叫u r b op a s c a l1 o 。 t u r b op a s c a l1 0 具有许多革命性的特点