IL TEST JIG PER PANNELLI SOLARI

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1 IL TEST JIG PER PANNELLI SOLARI

2 INDICE 1. Introduzione...3. Lista delle abbreviazioni Requisiti e architettura del test jig pannelli solari I compiti del test jig pannelli solari Le Interfacce del test jig pannelli solari Lo schema a blocchi del test jig pannelli solari I dettagli del progetto Il funzionamento Realizzazione...19

3 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.. 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 I/O Hertz, l unità di misura della frequenza di un segnale periodico, secondo il Sistema Internazionale. 1 Hz equivale ad 1 ciclo al secondo 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 RAM USART V Ohm, unità di misura della resistenza elettrica, secondo il Sistema Internazionale 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 Universale Sincrono-Asincrono: in un computer ha il compito di gestire le comunicazioni del computer con le interfacce seriali RS-3. Volt: unità di misura della differenza di potenziale elettrico, secondo il Sistema Internazionale DUT Device Under Test dispositivo sotto misura RS3 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 3

4 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: acquisire e monitorare la tensione dei pannelli solari collegati; acquisire e monitorare la corrente dei pannelli solari collegati. 3. 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 RS3 (Figura 1). I pannelli solari vengono connessi attraverso due connettori jack per alimentazione: un jack da.1mm per il pannello da 1W (pannello SP70); un jack da.1mm per il pannello da 5W (pannello MSX5). Figura 1 - Le interfacce del test jig pannelli solari 4

5 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, 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 RS3. Interfaccia seriale RS3 microcontrollore Telemetria tensione Telemetria corrente Figura - 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. 5

6 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 R 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: R Vo = Vp R1 + R 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 1V mentre la corrente massima è circa 180mA. Fissando una corrente di 100µA nella serie formata da R1 ed R, si ottiene un valore complessivo di resistenza pari a: 1V Rs = = 10KΩ 100µ A A questo punto, tenendo presente che la tensione massima ammissibile in ingresso al convertitore è di 5V, il valore della resistenza R è dato da: 5V R = = 50KΩ 100µ A Si è scelto il valore commerciale di 47KΩ per R e il valore di 68KΩ per R1. La capacità di 0nF in parallelo alla resistenza R consente di filtrare il segnale con una frequenza di taglio 1 pari a: f 1 = Hz c C R 15 π 1 1 La frequenza di taglio è la frequenza alla quale la grandezza in ingresso viene attenuata di una quantità pari a 1/. 6

7 Figura 3 - Schema elettrico del test jig pannelli solari

8 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: 5V R 13 = 7Ω 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: I p Vo = 7 Ω La potenza massima dissipata nella resistenza sarà quindi: ( 180mA) = 0. W P d = 7 8 Si sceglie una resistenza da 7Ω 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 3V, mentre la corrente massima è di 70mA. 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:

9 5V q = = mV 104 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,R) sull ingresso del convertitore è data: V ADC = V p R R1 + R La tensione in uscita al pannello è data da: V p = V ADC R1 + R R E quindi necessario moltiplicare per la costante: k r R1 + R = R =.4468 Poiché il campionamento è a 10 bit, la costante di moltiplicazione diventa: k 5 k ADC * k =.4468 = = r 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= 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 (FCA esadecimale): 9

10 Per la parte intera, partendo dal primo bit a sinistra del punto si ha: I = = 11 mentre per la parte frazionale, partendo dal primo bit a destra del punto, si ha: F = = 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 RS3; 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. 10

11 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; 11

12 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 1

13 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 acquisire 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. 13

14 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 1. Figura 1 - 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: 14

15 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). 15

16 Figura 15 - Importazione del file txt su un foglio di calcolo Figura 16 - Formattazione dei dati Figura 17 - Formattazione dei dati, separatore di colonne 16

17 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 17

18 Il grafico ottenuto è mostrato nella Figura 0 dove sulle ordinate viene riportato il valore della corrente, mentre sulle ascisse quello della tensione. Figura 0 - Realizzazione della curva 18

19 6. Realizzazione Il test jig pannelli solari trova posto su di un circuito stampato, la cui disposizione è mostrata nella Figura 1 e Figura che seguono, tratte dal progetto eseguito tramite un programma CAD tridimensionale. La Figura 1 mostra la parte superiore. Figura 1 - 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;. sulla destra l interfaccia seriale standard RS3; 3. in basso e in alto i partitori resistivi e i sensori di corrente. Nella Figura è mostrata la parte inferiore dello stesso circuito. 19

20 Figura - Circuito stampato del test jig pannelli solari, parte inferiore Notiamo solo la presenza del regolatore lineare nella parte alta. Infine, la Figura 3 mostra la realizzazione elettronica del test jig pannelli solari. Figura 3 - Test jig pannelli solari realizzato fisicamente 0

21 Documento: Il test jig pannelli solari Testi: Michele Marino Illustrazioni: Michele Marino 1