Sven Pohl:Mikrocontroller-Steuerung mit serieller Schnittstelle für den Photovoltaik-Kennlinien-Analysator
- new book ISBN: 9783832401856
Inhaltsangabe:Zusammenfassung: Die Diplomarbeit ist eine Weiterentwicklung eines schon existierenden, sehr bewährten Meßsystems zur Kennlinienaufnahme von Photovoltaikzellen und -generato… More...
Inhaltsangabe:Zusammenfassung: Die Diplomarbeit ist eine Weiterentwicklung eines schon existierenden, sehr bewährten Meßsystems zur Kennlinienaufnahme von Photovoltaikzellen und -generatoren. Die Arbeit ist am Institut für Solarenergieforschung in Emmerthal sehr praxisnah entstanden. Das Meßsystem wird nach der erfolgten Serienreife noch heute verkauft. Zu Anfang wird kurz auf Photovoltaik und die Kennlinien von PV-Generatoren eingegangen. Nachdem die Besonderheiten und Eigenheiten verstanden sind, wird die prinzipielle Meßwertaufnahme erklärt. Soviel vorweg: Durch Aufladen eines festen Lastkondensators werden die Werte ermittelt. Um Kennlinien von einer Zelle bis hin zu großen PV-Generatoren (Verschaltung vieler einzelner Zellen) mit einem festen Kondensator aufnehmen zu können, muß die Meßwertaufnahme sehr schnell und auch variabel sein. Dieses erfordert eine leistungsstarke Hardware, die jedoch durch den Einsatz eines 8051 Mikrocontrollers mit ausgeklügelter Software auf ein Minimum beschränkt bleibt. Somit teilt sich die Diplomarbeit in zwei Abschnitte auf: Die Hardware und die Software. Die Hardware: Das Mikrocontroller-System ist das verbindende Herzstück aller Funktionsblöcke. Für diese Anwendung reicht der kleinste Standard 8051 Mikrocontroller, ein 80C31 voll und ganz aus. Ein Konverter (MAX232) für die serielle Schnittstelle übernimmt die Anpassung der TTL-Signale an den RS232-Standard. Da im Leistungsteil (Analogteil) mit hohen Strömen und Spannungen gearbeitet wird, ist die Schnittstelle, für einen optimalen Schutz des PCs, galvanisch über Optokoppler getrennt. Neben den Komponenten für die Steuerung des Leistungsteils gibt es den Block für die Analog-Digital-Umformung der Meßwerte. Dieser besitzt einen 333 ksamples/s schnellen und 12 Bit auflösenden ADU. Über 4 Sample&Hold-Stufen können 4 Analogwerte (hier Strom, Spannung, Temperatur und Bestrahlungsstärke) zeitdiskret erfaßt werden. Die Digitalwerte werden im Daten-RAM zur weiteren Verarbeitung abgelegt. Die Abtastrate ist über die Software einstellbar, so daß möglichst viele Meßwerte, aber auch eine ganze Kennlinie im RAM Platz finden. Abgerundet wird die Hardware mit der Spannungsversorgung. Ausgelegt für ein autonomes Meßsystem beinhaltet diese auch eine Laderegelung für einen Blei-Gel-Akku. Die Software: Als netzunabhängiges Meßsystem muß mit der Energie gehaushaltet werden. Leistungshungerige Komponenten werden nur eingeschaltet, wenn diese benötigt werden. Und wenn einmal vergessen wurde das Gerät auszuschalten, ist dies kein Beinbruch. Die Software schaltet nach einer gewissen Zeit des Nichtstuns die Versorgungsspannung ab. Ein zweistufiger Unterspannungswächter schützt den Akku vor Tiefenentladung. Die erste Stufe meldet eine bevorstehende Unterspannung und läßt keine leistungshungerigen Aktionen mehr zu. Die zweite schaltet das Meßgerät ab. Die Software wurde so gestaltet, daß alle Befehle von einem Terrninalprogramm aus oder über ein spezielles Anwenderprogramm aufgerufen werden können. Die Behandlung der Meßwertaufnahme und der Daten wurde hier auf Photovoltaik-Kennlinien abgestimmt. So können 5 Spannungsmeßbereiche (25V, 5OV, 10OV, 20OV, 400V) und 4 Strommeßbereiche (lA, 2A, 4A, 8A) voreingestellt werden. Für eine bestmögliche Meßwertaufnahme ist auch eine automatische Meßbereichswahl möglich. Die Abtastrate des Analog-Digital-Umformers ist in 99 Stufen veränderbar. Auch eine Einzelmessung mit Durchschnittswerteberechnung von Temperatur und Bestrahlungsstärke ist integriert. Um Zeit zu sparen kann die Software veranlaßt werden, nur die relevanten Daten an den PC zu senden. Ein Statusabfrage des Systems rundet den Komfort ab. Die aufgenommenen Meßwerte werden zur Auswertung via RS232 an den PC übermittel. Da dies eine stattliche Anzahl sein kann, wurde der Übertragung besonderes Augenmerk gewidmet. Zwar besitzt der Mikrocontroller eine integrierte serielle Schnittstelle, doch ein kontinuierlicher Datenfluß ist nicht ganz einfach zu realisieren. Mit dem ausgetüftelten First-In-First-Out-Puffer ist jedoch ein reibungsloser Datenaustausch im Hintergrund möglich. Dieser wurde so programmiert, daß er in jeder beliebigen Applikation eingesetzt werden kann. Inhaltsverzeichnis: 1.Einleitung2 1.1.Institut für Solarenergieforschung (ISFH)2 1.2.Einsatzgebiet des Kennlinien-Analysators3 1.3.Kennlinien von PV-Modulen3 2.Änderungen im Meßsystem7 2.1.Ablauf einer Kennlinienaufnahme7 2.2.Das bestehende Meßsystem8 2.3.Der neue Kennlinien-Analysator9 3.Hardware9 3.1.Übersicht9 3.2.Steuerung mit dem Mikrocontroller10 3.3.Die RS 232 Schnittstelle12 3.4.Ansteuerung des Leistungsteils14 3.5.Meßwertaufnahme16 3.5.1.Vier Analogsignale16 3.5.2.Der Analog-Digital-Umformer (ADU)18 3.5.2.1.Takterzeugung für den ADU20 3.5.2.2.Ansteuerung des ADU20 3.5.3.Meßdaten zwischenspeichem22 3.5.3.1.Ins Daten-RAM schreiben23 3.5.3.2.Daten auslesen23 3.6.Die Spannungsversorgung24 3.6.1.Laderegelung25 3.6.2.Unterspannungswächter25 3.6.3.Der Hauptschalter26 3.6.4.Spannungsstabilisierung27 3.6.4.1.Logikspannung27 3.6.4.2.Analogspannung28 4.Software30 4.1.Aufteilung des internen RAM30 4.2.Grundeinstellungen und Definitionen32 4.3.Die RS 232 Schnittstelle32 4.3.1.Grundsätzliches32 4.3.2.First In First Out-Zwischenspeicher (FIFO)34 4.3.3.Aufgabenverteilung der Software35 4.3.3.1Eingabe-FIFO35 4.3.3.2.Ausgabe-FIFO35 4.3.4.Registerbank 136 4.3.5.Unterprogramm IN-CHAR37 4.3.6.Unterprogramm OUT-CHAR38 4.4.Interruptroutinen39 4.4.1.Serieller Port39 4.4.2.Externer Interrupt 041 4.4.3.Zeitgeber 042 4.5.Hauptschleife43 4.6.Programmodule45 4.6.1.Meßreihe aufnehmen45 4.6.2.Meßwerte ausgeben47 4.6.3.Zusatzmeßwerte49 4.6.4.ADU-Rate einstellen50 4.6.5.Einstellungsabfrage51 4.6.6.Statusabfrage51 4.6.7.Terminalbetrieb51 4.7.Energieverwaltung52 4.7.1.Power ON52 4.7.2.Power OFF53 5.Zusammenfassung54 6.Literatur56 7.Abkürzungen57 8.Bilder und Tabellen58 8.1.Bilder58 8.2.Tabellen59 9.AnhangI 9.1.Mikrocontroller-Assembler-ProgrammI 9.2.Softwareprotokoll (Norinalbetrieb)XXVIII 9.3.Unterlagen zur HardwareXXX Mikrocontroller-Steuerung mit serieller Schnittstelle für den Photovoltaik-Kennlinien-Analysator: Inhaltsangabe:Zusammenfassung: Die Diplomarbeit ist eine Weiterentwicklung eines schon existierenden, sehr bewährten Meßsystems zur Kennlinienaufnahme von Photovoltaikzellen und -generatoren. Die Arbeit ist am Institut für Solarenergieforschung in Emmerthal sehr praxisnah entstanden. Das Meßsystem wird nach der erfolgten Serienreife noch heute verkauft. Zu Anfang wird kurz auf Photovoltaik und die Kennlinien von PV-Generatoren eingegangen. Nachdem die Besonderheiten und Eigenheiten verstanden sind, wird die prinzipielle Meßwertaufnahme erklärt. Soviel vorweg: Durch Aufladen eines festen Lastkondensators werden die Werte ermittelt. Um Kennlinien von einer Zelle bis hin zu großen PV-Generatoren (Verschaltung vieler einzelner Zellen) mit einem festen Kondensator aufnehmen zu können, muß die Meßwertaufnahme sehr schnell und auch variabel sein. Dieses erfordert eine leistungsstarke Hardware, die jedoch durch den Einsatz eines 8051 Mikrocontrollers mit ausgeklügelter Software auf ein Minimum beschränkt bleibt. Somit teilt sich die Diplomarbeit in zwei Abschnitte auf: Die Hardware und die Software. Die Hardware: Das Mikrocontroller-System ist das verbindende Herzstück aller Funktionsblöcke. Für diese Anwendung reicht der kleinste Standard 8051 Mikrocontroller, ein 80C31 voll und ganz aus. Ein Konverter (MAX232) für die serielle Schnittstelle übernimmt die Anpassung der TTL-Signale an den RS232-Standard. Da im Leistungsteil (Analogteil) mit hohen Strömen und Spannungen gearbeitet wird, ist die Schnittstelle, für einen optimalen Schutz des PCs, galvanisch über Optokoppler getrennt. Neben den Komponenten für die Steuerung des Leistungsteils gibt es den Block für die Analog-Digital-Umformung der Meßwerte. Dieser besitzt einen 333 ksamples/s schnellen und 12 Bit auflösenden ADU. Über 4 Sample&Hold-Stufen können 4 Analogwerte (hier Strom, Spannung, Temperatur und Bestrahlungsstärke) zeitdiskret erfaßt werden. Die Digitalwerte werden im Daten-RAM zur weiteren Verarbeitung abgelegt. Die Abtastrate ist über die Software einstellbar, so daß möglichst viele Meßwerte, aber auch eine ganze Kennlinie im RAM Platz finden. Abgerundet wird die Hardware mit der Spannungsversorgung. Ausgelegt für ein autonomes Meßsystem beinhaltet diese auch eine Laderegelung für einen Blei-Gel-Akku. Die Software: Als netzunabhängiges Meßsystem muß mit der Energie gehaushaltet werden. Leistungshungerige Komponenten werden nur eingeschaltet, wenn diese benötigt werden. Und wenn einmal vergessen wurde das Gerät auszuschalten, ist dies kein Beinbruch. Die Software schaltet nach einer gewissen Zeit des Nichtstuns die Versorgungsspannung ab. Ein zweistufiger Unterspannungswächter schützt den Akku vor Tiefenentladung. Die erste Stufe meldet eine bevorstehende Unterspannung und läßt keine leistungshungerigen Aktionen mehr zu. Die zweite schaltet das Meßgerät ab. Die Software wurde so gestaltet, daß alle Befehle von einem Terrninalprogramm aus oder über ein spezielles Anwenderprogramm aufgerufen werden können. Die Behandlung der Meßwertaufnahme und der Daten wurde hier auf Photovoltaik-Kennlinien abgestimmt. So können 5 Spannungsmeßbereiche (25V, 5OV, 10OV, 20OV, 400V) und 4 Strommeßbereiche (lA, 2A, 4A, 8A) voreingestellt werden. Für eine bestmögliche Meßwertaufnahme ist auch eine automatische Meßbereichswahl möglich. Die Abtastrate des Analog-Digital-Umformers ist in 99 Stufen veränderbar. Auch eine Einzelmessung mit Durchschnittswerteberechnung von Temperatur und Bestrahlungsstärke ist integriert. Um Zeit zu sparen kann die Software veranlaßt werden, nur die relevanten Daten an den PC zu senden. Ein Statusabfrage des Systems rundet den Komfort ab. Die aufgenommenen Meßwerte werden zur Auswertung via RS232 an den PC übermittel. Da dies eine stattliche Anzahl sein kann, wurde der Übertragung besonderes Augenmerk gewidmet. Zwar besitzt der Mikrocontroller eine integrierte serielle Schnittstelle, doch ein kontinuierlicher Datenfluß ist nicht ganz einfach zu realisieren. Mit dem ausgetüftelten First-In-First-Out-Puffer ist jedoch ein reibungsloser Datenaustausch im Hintergrund möglich. Dieser wurde so programmiert, daß er in jeder beliebigen Applikation eingesetzt werden kann. Inhaltsverzeichnis: 1.Einleitung2 1.1.Institut für Solarenergieforschung (ISFH)2 1.2.Einsatzgebiet des Kennlinien-Analysators3 1.3.Kennlinien von PV-Modulen3 2.Änderungen im Meßsystem7 2.1.Ablauf einer Kennlinienaufnahme7 2.2.Das bestehende Meßsystem8 2.3.Der neue Kennlinien-Analysator9 3.Hardware9 3.1.Übersicht9 3.2.Steuerung mit dem Mikrocontroller10 3.3.Die RS 232 Schnittstelle12 3.4.Ansteuerung des Leistungsteils14 3.5.Meßwertaufnahme16 3.5.1.Vier Analogsignale16 3.5.2.Der Analog-Digital-Umformer (ADU)18 3.5.2.1.Takterzeugung für den ADU20 3.5.2.2.Ansteuerung des ADU20 3.5.3.Meßdaten zwischenspeichem22 3.5.3.1.Ins Daten-RAM schreiben23 3.5.3.2.Daten auslesen23 3.6.Die Spannungsversorgung24 3.6.1.Laderegelung25 3.6.2.Unterspannungswächter25 3.6.3.Der Hauptschalter26 3.6.4.Spannungsstabilisierung27 3.6.4.1.Logikspannung27 3.6.4.2.Analogspannung28 4.Software30 4.1.Aufteilung des internen RAM30 4.2.Grundeinstellungen und Definitionen32 4.3.Die RS 232 Schnittstelle32 4.3.1.Grundsätzliches32 4.3.2.First In First Out-Zwischenspeicher (FIFO)34 4.3.3.Aufgabenverteilung der Software35 4.3.3.1Eingabe-FIFO35 4.3.3.2.Ausgabe-FIFO35 4.3.4.Registerbank 136 4.3.5.Unterprogramm IN-CHAR37 4.3.6.Unterprogramm OUT-CHAR38 4.4.Interruptroutinen39 4.4.1.Serieller Port39 4.4.2.Externer Interrupt 041 4.4.3.Zeitgeber 042 4.5.Hauptschleife43 4.6.Programmodule45 4.6.1.Meßreihe aufnehmen45 4.6.2.Meßwerte ausgeben47 4.6.3.Zusatzmeßwerte49 4.6.4.ADU-Rate einstellen50 4.6.5.Einstellungsabfrage51 4.6.6.Statusabfrage51 4.6.7.Terminalbetrieb51 4.7.Energieverwaltung52 4.7.1.Power ON52 4.7.2.Power OFF53 5.Zusammenfassung54 6.Literatur56 7.Abkürzungen57 8.Bilder und Tabellen58 8.1.Bilder58 8.2.Tabellen59 9.AnhangI 9.1.Mikrocontroller-Assembler-ProgrammI 9.2.Softwareprotokoll (Norinalbetrieb)XXVIII 9.3.Unterlagen zur HardwareXXX TECHNOLOGY & ENGINEERING / Electrical, Diplomica Verlag<
