il test jig per pannelli solari

IL TEST JIG PER PANNELLI SOLARI
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INDICE
1.
Introduzione ................................................................................................................3
2.
Lista delle abbreviazioni.............................................................................................3
3.
Requisiti e architettura del test jig pannelli solari .........................................................4
3.1
I compiti del test jig pannelli solari .........................................................................4
3.2
Le Interfacce del test jig pannelli solari...................................................................4
3.3
Lo schema a blocchi del test jig pannelli solari .......................................................5
4.
I dettagli del progetto ...................................................................................................6
5.
Il funzionamento ........................................................................................................10
6.
Realizzazione..............................................................................................................19
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1. Introduzione
Questo documento descrive l’architettura, le caratteristiche di dettaglio, lo schema
elettrico, la costruzione ed il montaggio del test jig per pannelli solari.
2. Lista delle abbreviazioni
°C Gradi Centigradi, unità di misura della temperatura
A
Unità di misura della intensità di corrente elettrica, secondo il Sistema
Internazionale
µA microAmpere, corrisponde ad un milionesimo di Ampere
A/D Analog to Digital Converter, Convertitore Analogico/Digitale
DC Direct Current - Corrente Continua
DTB Dimostratore Tecnologico di Base
DTS Dimostratore Tecnologico Satellitare.
Hz
Hertz, l’unità di misura della frequenza di un segnale periodico, secondo il
Sistema Internazionale. 1 Hz equivale ad 1 ciclo al secondo
I/O
Input/Output, Ingresso/Uscita. La funzione ed i circuiti di un computer per
gestire i dati in ingresso e in uscita
MHz megahertz, 1 Milione di Hertz
Ω
Ohm, unità di misura della resistenza elettrica, secondo il Sistema
Internazionale
RAM
Random Access Memory, Memoria ad Accesso Casuale. Indica la memoria
accessibile in lettura e scrittura normalmente utilizzata nei computer
Universal Synchronous-Asynchronous Receiver/Transmitter, Ricetrasmettitore
USART Universale Sincrono-Asincrono: in un computer ha il compito di gestire le
comunicazioni del computer con le interfacce seriali RS-232.
V
Volt: unità di misura della differenza di potenziale elettrico, secondo il Sistema
Internazionale
DUT Device Under Test – dispositivo sotto misura
RS232 Protocollo seriale standard
ASCII American Standard Code for International Interchange
BCD Binary Coded Decimal – Codice binario codificato in decimale
CAD Computer Aided Design – disegno assistito al computer
W Work Register – registro di lavoro
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3. Requisiti e architettura del test jig pannelli solari
Il test jig realizza la funzione di testing dei pannelli solari e sfrutta solo la capacità e la
flessibilità di un microcontrollore. Le azioni intraprese dal microcontrollore sono eseguite
mediante il controllo di un programma software residente nel dispositivo stesso.
3.1
I compiti del test jig pannelli solari
I compiti affidati al test jig pannelli solari sono i seguenti:
3.2
•
acquisire e monitorare la tensione dei pannelli solari collegati;
•
acquisire e monitorare la corrente dei pannelli solari collegati.
Le interfacce del test jig pannelli solari
Il termine “interfaccia”, derivato dall’inglese che a sua volta lo ha derivato dal latino,
viene usato molto frequentemente, e non solo in ambito tecnico, per indicare le modalità di
incontro e di scambio di informazioni fra due o più entità, in genere simili.
In campo elettronico ed informatico, con il termine interfaccia e con il relativo verbo
interfacciare si indica la modalità fisica e logica con la quale due o più dispositivi vengono
collegati, in modo che lo scambio di dati avvenga correttamente.
Il test jig si interfaccia con il personal computer attraverso cavo seriale standard RS232
(Figura 1). I pannelli solari vengono connessi attraverso due connettori jack per
alimentazione:
• un jack da 2.1mm per il pannello da 1W (pannello SP70);
• un jack da 2.1mm per il pannello da 5W (pannello MSX5).
Figura 1 - Le interfacce del test jig pannelli solari
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Analizzando la Figura 1 si nota:
•
alla sinistra del test jig è presente il personal computer, che, attraverso
l’applicazione HyperTerminal, consente di monitorare lo stato della batteria;
•
alla destra, connessi al test jig, i due pannelli solari, che rappresentano i dispositivi
da testare (DUT – Device Under Test).
3.3
Lo schema a blocchi del test jig pannelli solari
Nell’architettura del test jig, riportata in Figura 2, si distinguono tre blocchi funzionali:
•
il circuito per l’acquisizione della telemetria di corrente;
•
il circuito per l’acquisizione della telemetria di tensione;
•
il circuito di interfaccia seriale standard RS232.
Interfaccia seriale
RS232
Telemetria
tensione
microcontrollore
Telemetria
corrente
Figura 2 - Lo schema a blocchi del test jig pannelli solari
Il circuito di acquisizione della tensione dei pannelli solari consiste in un partitore resistivo
dimensionato opportunamente al fine di non danneggiare il circuito di ingresso del
convertitore A/D.
Il circuito di acquisizione della corrente dei pannelli solari utilizza un sensore di corrente
INA198 che fornisce una tensione proporzionale alla corrente che circola attraverso una
resistenza di sensing.
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Il circuito di interfaccia seriale consente di inviare le telemetrie di tensione e corrente
acquisite verso il personal computer al fine di visualizzarle sullo schermo tramite
l’applicazione HyperTerminal.
4. I dettagli del progetto
Dallo schema di Figura 3 si nota la presenza di due canali pressoché identici dal punto
di vista topologico tranne che per il valore di alcuni componenti. Il canale superiore è
quello relativo al pannello SP-70, mentre quello in basso è relativo al pannello MSX-5.
Il primo partitore costituito dalle resistenze R1 ed R2 viene utilizzato per rilevare la
tensione sul pannello solare. In particolare, indicando con Vp la tensione in uscita al
pannello, la tensione all’ingresso del convertitore A/D del PIC (Vo) sarà:
 R2 
Vo = Vp 

 R1 + R 2 
La scelta dei valori delle resistenze si basa sui parametri di targa dei pannelli da
misurare. Per il pannello SP-70 la tensione massima disponibile è di circa 12V mentre
la corrente massima è circa 180mA. Fissando una corrente di 100µA nella serie
formata da R1 ed R2, si ottiene un valore complessivo di resistenza pari a:
Rs =
12V
= 120 KΩ
100 µA
A questo punto, tenendo presente che la tensione massima ammissibile in ingresso al
convertitore è di 5V, il valore della resistenza R2 è dato da:
R2 =
5V
= 50 KΩ
100µA
Si è scelto il valore commerciale di 47KΩ per R2 e il valore di 68KΩ per R1. La
capacità di 220nF in parallelo alla resistenza R2 consente di filtrare il segnale con una
frequenza di taglio1 pari a:
fc =
1
≅ 15 Hz
2πC1 R2
La frequenza di taglio è la frequenza alla quale la grandezza in ingresso viene attenuata di una quantità
pari a 1/√2.
1
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Figura 3 - Schema elettrico del test jig pannelli solari
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Il diodo D1 serve per proteggere il circuito qualora venisse invertita la polarità del
pannello solare.
Il potenziometro R3 ed la resistenza R13 vengono utilizzati per il rilevamento della
corrente.
Tenendo presente che la tensione massima ammissibile in ingresso all’A/D è di 5V con
una corrente massima di 180mA fornita dal pannello, il valore di R13 è dato da:
R13 =
5V
≅ 27Ω
180mA
Il potenziometro scelto è di tipologia monogiro da 5KΩ. In ingresso al convertitore A/D
viene riportata la caduta di tensione presente sulla resistenza R13 per cui la corrente
misurata sarà:
Ip =
Vo
27Ω
La potenza massima dissipata nella resistenza sarà quindi:
2
Pd = 27 ⋅ (180mA) = 0.8W
Si sceglie una resistenza da 27Ω con capacità dissipativa di 1W.
Anche in questo caso viene utilizzata una capacità in parallelo per filtrare eventuali
spurie in alta frequenza. La caduta di tensione Vo viene riportata anche sul piedino
invertente di un comparatore al fine di confrontarlo con il valore di tensione presente
sul pin non invertente ovvero, 5V. Se per qualche motivo la corrente dovesse superare
il valore di targa del pannello solare in esame, l’uscita del comparatore si porta a 5V
portando in conduzione il transistor Q1 che chiude il circuito verso massa, preservando
l’integrità del microcontrollore.
Per quanto riguarda il secondo canale i passi di calcolo sono identici tenendo presente
che in questo caso la tensione massima del pannello MSX-5 è di 23V, mentre la
corrente massima è di 270mA.
All’interno del PIC è presente un firmware che coordina le varie operazioni e gli I/O
proveniente dall’interfaccia seriale tramite il software HyperTerminal. Essendo il
convertitore A/D a 10 bit, il passo di quantizzazione è dato da:
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q=
5V
= 4.8828mV
1024
E’ stato quindi necessario implementare delle operazioni di moltiplicazione e divisione
in virgola fissa con operandi a 16 bit nonché operazioni di conversione binario/BCD e
BCD/ASCII
per
la
visualizzazione
sul
terminale.
La
Figura
4
mostra
la
rappresentazione adottata, con 6 bit per la parte intera e 10 per la parte frazionale.
Figura 4 - Rappresentazione in virgola fissa a 16 bit
Il motivo di tale scelta viene espletato qui di seguito. Come indicato in precedenza, la
tensione fornita dal partitore di ingresso (R1,R2) sull’ingresso del convertitore è data:
 R2
V ADC = V p 
 R1 + R2



La tensione in uscita al pannello è data da:
 R + R2
V p = V ADC  1
 R2



E’ quindi necessario moltiplicare per la costante:
kr =
R1 + R2
= 2.4468
R2
Poiché il campionamento è a 10 bit, la costante di moltiplicazione diventa:
 5 
k = k ADC * k r = 
 ⋅ 2.4468 = 0.0119473
 1024 
Al fine di aumentare la precisione del calcolo e ottenere, in secondo luogo, il valore
della corrente direttamente in mA, si considera anche un fattore 1000 per cui
k=11.9473. Per ottenere la tensione fornita dal pannello solare è dunque necessario
moltiplicare il valore campionato dall’A/D per la costante k. A titolo di esempio viene
riportata la rappresentazione binaria in virgola fissa della costante k (2FCA
esadecimale):
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Per la parte intera, partendo dal primo bit a sinistra del punto si ha:
I = 1 ⋅ 2 0 + 1 ⋅ 21 + 0 ⋅ 2 2 + 1 ⋅ 2 3 + 0 ⋅ 2 4 + 0 ⋅ 2 5 = 11
mentre per la parte frazionale, partendo dal primo bit a destra del punto, si ha:
F = 1 ⋅ 2 -.1 + 1 ⋅ 2 -2 + 1 ⋅ 2 -3 + 1 ⋅ 2 -4 + 0 ⋅ 2 -5 + 0 ⋅ 2 -6 + 1 ⋅ 2 -7 + 0 ⋅ 2 -8 + 1 ⋅ 2 -9 + 0 ⋅ 2 -10 = 0.947265
che rappresenta un’ottima approssimazione della costante k calcolata in precedenza.
5. Il funzionamento
Le procedure da seguire per l’utilizzo del test jig pannelli solari sono:
•
connettere il pannello solare all'unità;
•
connettere l'unità alla porta RS232;
•
avviare sul computer il programma HyperTerminal (e settarlo correttamente come
da istruzioni). HyperTerminal è presente di default su qualsiasi PC con Windows
XP;
•
alimentare l'unità;
•
illuminare il pannello solare.
E’ consigliabile illuminare il pannello poco prima di effettuare le misure in maniera da non
alterare il valore letto con il drift termico causato dal riscaldamento indotto dalla sorgente
luminosa.
Attraverso HyperTerminal è possibile inviare comandi e/o ricevere i dati relativi alle
acquisizioni delle tensioni e correnti misurate sul pannello solare. E’ necessario
controllare alcune impostazioni prima di avviare l’acquisizione dai pannelli solari.
Occorre, prima di tutto, creare e dare nome alla connessione come mostrato nella
Figura 5.
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Figura 5 - Impostazioni nuova connessione
Cliccando su “OK” compare la finestra mostrata nella Figura 6 dove è possibile
selezionare la porta COM alla quale il test jig è connesso.
Figura 6 - Impostazione porta COM
Dopo aver cliccato nuovamente su “OK” compare la schermata di Figura 7 dove è
necessario impostare i parametri come segue:
• bit per secondo: 9600;
• bit di dati: 8;
• parità: nessuno;
• bit di stop: 1;
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• controllo flusso: nessuno.
Figura 7 - Impostazione parametri porta di comunicazione
Cliccando su “OK” la connessione è pronta per la ricetrasmissione dei dati con il test
jig pannelli solari.
Seguendo le indicazioni mostrate nella Figura 8, affinché i comandi vengano gestiti in
modo corretto, bisogna selezionare il ritorno a capo nelle impostazioni ASCII.
Figura 8 - Impostazioni ASCII HyperTerminal
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La Figura 9 mostra il diagramma di flusso del test jig.
Figura 9 - Flow-chart test jig
Una volta acceso, compare la schermata di Figura 10, che illustra una breve
introduzione sui comandi disponibili corrispondente al nodo di connessione, subito
dopo lo start, del diagramma di flusso di Figura 9.
Figura 10 - Schermata iniziale
Dal menu è possibile scegliere se acquisire2 dal pannello SP-70 (lettera “Z”) o dal
pannello MSX-5 (lettera “X”). A questo punto di entra nel sub-menù relativo al
pannello solare selezionato. Un led indicherà quale dei pannelli è stato selezionato.
L’esempio di Figura 11 mostra la schermata relativa alla pressione del tasto “Z”.
L’implementazione software è case-insensitive per cui è possibile inviare indifferentemente, i comandi con
caratteri minuscoli o maiuscoli.
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Figura 11 - Schermata relativa al pannello SP-70
Digitando “A” sulla tastiera, ha inizio l’acquisizione in maniera automatica della
tensione e corrente con frequenza di campionamento ad 1 Hz. Per interrompere
l’acquisizione è necessario digitare la lettera “S”, mentre per ritornare al menù
principale basta digitare “R”. Per salvare i dati acquisiti su un file di testo basta
attivare la funzione “Capture text” come indicato nella Figura 12.
Figura 12 - Funzione cattura testo
Verrà chiesto il nome e il percorso del file nel quale salvare i dati di acquisizione. A
questo punto è possibile far partire l’acquisizione premendo il tasto “A” sulla tastiera.
Variando il valore del potenziometro (dal valore minimo a quello massimo) otteniamo
la seguente schermata:
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Figura 13 - Uso di HyperTerminal per l'acquisizione dei dati
I valori vengono salvati nel file *.txt impostato in precedenza (una volta fermata
l’acquisizione col tasto “S” e il salvataggio dei dati da parte del programma come
mostrato nella Figura 14).
Figura 14 - Arresto della funzione cattura testo
A questo punto è possibile processarli con qualsiasi programma di elaborazione dati,
come ad esempio Excel. Apriamo Excel e importiamo il file TXT selezionando dal menu
“Tipo file” l’estensione “*.txt” (file di testo).
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Figura 15 - Importazione del file txt su un foglio di calcolo
Figura 16 - Formattazione dei dati
Figura 17 - Formattazione dei dati, separatore di colonne
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Figura 18 - Tabella nel foglio di calcolo
A questo punto è possibile estrapolare un grafico dai dati campionati selezionandone il
tipo come mostrato nella Figura 19.
Figura 19 - Finestra per la selezione del tipo di grafico
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Il grafico ottenuto è mostrato nella Figura 20 dove sulle ordinate viene riportato il
valore della corrente, mentre sulle ascisse quello della tensione.
Figura 20 - Realizzazione della curva
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6. Realizzazione
Il test jig pannelli solari trova posto su di un circuito stampato, la cui disposizione è
mostrata nella Figura 21 e Figura 22 che seguono, tratte dal progetto eseguito tramite un
programma CAD tridimensionale. La Figura 21 mostra la parte superiore.
Figura 21 - Circuito stampato del test jig pannelli solari, parte superiore
Si possono notare:
1. sulla sinistra il microcontrollore che esegue l’acquisizione delle telemetrie di
corrente e tensione sui pannelli solari e invia i dati acquisiti al personal computer;
2. sulla destra l’interfaccia seriale standard RS232;
3. in basso e in alto i partitori resistivi e i sensori di corrente.
Nella Figura 22 è mostrata la parte inferiore dello stesso circuito.
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Figura 22 - Circuito stampato del test jig pannelli solari, parte inferiore
Notiamo solo la presenza del regolatore lineare nella parte alta. Infine, la Figura 23 mostra
la realizzazione elettronica del test jig pannelli solari.
Figura 23 - Test jig pannelli solari realizzato fisicamente
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Documento:
Il test jig pannelli solari
Testi:
Michele Marino
Illustrazioni:
Michele Marino
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