第 5 章 自动跟踪系统的软件设计
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第5章自动跟踪系统的软件设计
5.1 跟踪系统主程序设计
追日跟踪系统主程序流程如图5.1 所示。
本系统设置了手动/自动模式选择开关，在系统开始运行时开关默认为自动模式。
系统程序结构采用主程序调用子程序、子程序嵌套调用子程序的结构，当不调用子程序时不会执行子程序中的指令，可减少系统程序的反应时间。
系统的主程序包含保护子程序、手动子程序、自动跟踪子程序。
保护子程序被用来限位保护；手动子程序可根据控制面板上的东、西、南、北按键手动控制电池板的动向；自动跟踪子程序中嵌套数据采集、光电跟踪、太阳运动轨迹跟踪子程序，能根据晴天、多云、阴雨天等不同天气来选择相应的方式，提高跟踪的精度和稳定性。
图5.1 程序流程图
5.2 太阳自动跟踪子程序设计
自动跟踪子程序流程如图 5.2 所示。
系统运作时，判断是否按下启动键，若没有按下自动跟踪模式下的启动键，则结束自动跟踪子程序返回主程序；若按下了启动键，则读取系统时钟，判定当前是否是系统工作时间，若不是，则电池板回基准位置，即日落后，电池板回到起始位置，基准位置指太阳方位角和太阳高度角都为零的方向，此时电池板呈水平放置；如果是工作时间，也就是白天，则开始跟踪。
跟踪部分开始自动跟踪时，单片机先采集光强、太阳方位等信息，并先对
光强进行分析（详见 3.1.2 ），然后由光照和太阳辐射强度的波动情况判断当前的天气。
若天气晴朗，则调用光电跟踪子程序；若天气多云，就先调用太阳运动轨迹跟踪子程序，后调用光电跟踪子程序调整精度；若阴雨天气，跟踪效益低，不跟踪。
跟踪装置每次转动后，都将通过增量式编码器反馈太阳能电池板的方位信息。
系统每完成一次跟踪后，程序在一段时间后返回主程序，若系统还为自动跟踪模式，则再进行下一次跟踪，重新读取系统时钟，判定当前是否在所设定的系统工作时间段里，即否为白天，是则跟踪，不是则太阳能电池板回到起始位置，不进行跟踪。
延时时间的设定可由系统的跟踪精度和当地平均光照情况设定。
图5.2 太阳自动跟踪子程序流程图
5.3 数据采集子程序设计
5.4 光电跟踪子程序设计
太阳能电池板自动追踪的跟踪装置采取高度角—方位角双轴跟踪。
其中，跟踪装置主轴上的电机带动电池板做俯仰运动来追踪太阳高度角的变化，称之为高度角电机，当高度角电机（南北方向）正转，电池板由南向北旋转，即从下往上运动；跟踪装置副轴上的电机带动电池板做水平运动以跟踪太阳方位角的变化，称之为方位角电机，当方位角电机（东西方向）正转，电池板由东往西旋转，即从右往左运动。
光电跟踪子程序流程如图 5.3 。
光电跟踪主要由太阳光照射在四象限探测器上形成光斑的分布来判断太阳方位，然后驱动电机动作。
因为探测器的灵敏度高，为了不让电机频繁动作，在系统允许的精度范围内，设定了阈值 e1 和 e2。
在读取 UA、UB、UC、UD 的采样值后，根据公式（4.2）和（4.3）计算偏移量Ex′和Ey′。
当偏移量|Ex′|< e1，方位角电机不动作，不跟踪太阳；当偏移量|Ex′|> e1 且
Ex′>0，说明太阳相对池板偏东，驱动方位角电机反转，反之，当偏移量|Ex′|> e1 且Ex′<0，驱动方位角电机正转。
同理知，当偏移量|Ey′|< e2，高度角电机不动作，不跟踪；当偏移量|Ey′|> e2 且Ey′>0，说明太阳相对电池板偏南，驱动高度角电机反转，相反，当偏移量|Ey′|> e2 且Ey′<0，驱动高度角电机正转。
这样，便可以保证光电跟踪结束时，|Ex′|< e1 且|Ey′|< e2，电池板基本与入射光线垂直。
图5.4 光电踪流程图
5.5 太阳运动轨迹跟踪子程序设计
太阳运动轨迹跟踪流程如图 5.5 。
程序执行时，单片机首先获取现在的
时间、日期值和当地的经纬度，计算出当前太阳高度角和方位角的值。
由太阳和电池板的位置，计算出电池板高度角和方位角应旋转的度数，再转化成脉冲数作为高速计数器HSC0 和HSC4 的预置值，其中高速计数器H SC0 和HSC4 分别对增量式编码器的输出脉冲进行计数。
然后开始跟踪太阳，若高度角变化值>0，则驱动高度角电机正转，反之，高度角电机反转；若方位角变化值>0，则驱动方位角电机正转，反之，方位角电机反转。
跟踪装置在旋转过程中，如果垂直和水平方向的增量式编码器反馈回来的脉冲数分别与之前计算高度角电机和方位角电机需要转动的脉冲数相等，则说明跟踪装置已运动到指定方位，追踪程序结束。
图 5.5 太阳运动轨迹跟踪流程图
5.6 小结
本章为自动跟踪控制系统设计了软件，实现系统的手动控制和自动跟踪两种工作模式，设计了系统的主程序、自动跟踪子程序、数据采集子程序、光电跟踪子程序、太阳运动轨迹跟踪子程序等的流程图，描述了相应的作用。
