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Drehzahlmessung und Datenerfassung durch Videobeweis

Die Idee entstand beim Versuch zu ermitteln, was aus meinem Kreissägeblatt Scheibengenerator für eine Leistung kommen könnte.

Das Sägeblatt, also der Stator mit den Neodym – Magneten liegt auf einem Drehteller, der eigentlich unter einen Fernseher oder ähnliches gehört und wird per Hand angeschoben. Ein typischer Versuchsaufbau im Heimbereich eben.

Die Spulen für die Stromerzeugung, werden auch per Hand in die Richtung der Magneten geführt, was dafür sorgt, keine Hand mehr frei zu haben.

Ich kann nun punktgenau ablesen wie viel Spannung über einem Verbraucher (kleine Lämpchen) anliegt und wie viel Strom fließt. Daraus ist es einfach auf die abgegebene Leistung zu schließen.
Leider aber nur Pi mal Daumen.
Aussagen wie: Wenn ich schnell drehe, dann Leistung 1, wenn langsam, dann Leistung 2, sind möglich. Unbefriedigend.

Selbst wenn ich nun einen Drehzahlmesser zusätzlich ins Spiel bringe, wird es nicht einfach den Stator anzuschieben, die Spulen zu halten, die Werte punktgenau zur selben Zeit abzulesen.

Die Idee:

  • Sägeblatt an einer Stelle markieren, um eine Umdrehung gut nachvollziehen zu können.
  • Die Versuchsanordnung so aufbauen, dass eine Videokamera das Sägeblatt und die Messgeräte aufnehmen kann.

Das Video zur Idee:

Bemerkungen:

  • geeignet für Drehzahlen unter 300 U/min, da eine normale Videokamera nur 25 Bilder pro Sekunde aufnimmt.
  • Außer der Videokamera, werden nur noch 2 Vielzweckmessgeräte benötigt, die meist bereits vorhanden sind.
  • Das Ergebnis ist verblüffend. Ich kann damit direkt vergleichen, ob eine Änderung im Aufbau sich so auswirkt, wie ich es gern hätte.
  • Die Auswertung ist jederzeit wiederholbar. Habe ich erst mal das Video, kann ich es auch später auswerten.
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002 – automatisierte Verbrauchsgenerierung und Messung

Intro:

Wie bereits im Artikel Manuelle Verbrauchsgenerierung und -Messung dargestellt, möchte ich die Menge der Energie, welche die kleine Solarzelle liefert beziffern können.

Die manuelle Messung hat sich als nicht praktikabel erwiesen. So ist es z.B. Voraussetzung vor Ort zu sein. Scheint die Sonne also stark wenn ich im Urlaub bin, schaltet der Laderegler ab und weg ist er, der Ertrag. Auch ein Grund, warum ich im sonnigen Halbjahr soviel verschenkt habe. Die bisher gemessene Leistung habe ich auf der Seite 10 Kilowattstunden in 2012 zusammengefasst.

Ein paar Bilder vom ‘Messgerät’ und dem Aufbau der Versuchsanlage:

Video:

Zielstellung:

  • Die Batterie soll immer einen gewissen Ladezustand halten, der für Aktivitäten wie Rasen trimmen oder andere diverse Elektrogeräte in der Garage benötigt wird.
  • Die Solarzellen sollen nicht leer laufen. Das heißt, dass alles was die Sonne bringt umgesetzt werden soll und wenn es auch erst einmal nur über die 26 Watt Glühlampe verbraucht wird.
  • Die Lampe soll dementsprechend ein- oder ausgeschaltet werden, um die überschüssige Energie zu verbrauchen
  • Die Anzahl der Minuten ( 10 Minutenintervalle), die die Lampe bereits eingeschaltet war soll via. Bluetooth auf dem Handy angezeigt werden.

Ablaufschema Der entsprechenden Logik:

Quellcode meines Assemblerprogramms:

;Pollin Board Stromverbrauchsgenerator und Messeinheit mit ATMega8
;Ausgabe via UART
.NOLIST
.INCLUDE "m8def.inc"
.LIST
;
; Henry Koch 5.8.2012
;
.def vierSekunden       = r1
.def Ladewert           = r2
.def IntervallCounter   = r3
;----------------------------
.def temp               = r16                   ; Register für kleinere Arbeiten
.def zeichen            = r17                   ; in diesem Register wird das Zeichen an die
                                                ; Ausgabefunktion übergeben
.def count              = r18
.def temp1              = r19
.def temp2              = r20
.def sync1              = r21
.def sync2              = r22
;
;.def messungen  = r23
.equ Schwellwert = 212                          ; 212 entspricht ca. 13,3 Volt bei meinem Spannungsteiler
.equ F_CPU = 4000000                            ; Systemtakt in Hz
.equ BAUD  = 9600                               ; Baudrate
;
; Berechnungen
.equ UBRR_VAL   = ((F_CPU+BAUD*8)/(BAUD*16)-1)  ; clever runden
.equ BAUD_REAL  = (F_CPU/(16*(UBRR_VAL+1)))     ; Reale Baudrate
.equ BAUD_ERROR = ((BAUD_REAL*1000)/BAUD-1000)  ; Fehler in Promille
;
.if ((BAUD_ERROR>10) || (BAUD_ERROR Ende
serout_string_wait:
    sbis    UCSRA,UDRE                          ; Warten bis UDR für das nächste
                                                ; Byte bereit ist
    rjmp    serout_string_wait
    out     UDR, r0
    adiw    zl:zh,1                             ; Zeiger erhöhen
    rjmp    serout_string                       ; nächstes Zeichen bearbeiten
serout_string_ende:
    ret                                         ; zurück zum Hauptprogramm
;
; Umwandlung in Dezimalzahlen
;**********************************************************************
;
; Eine 8 Bit Zahl ohne Vorzeichen ausgeben
;
; Übergabe:      Zahl im Register temp1
; veränderte Register: keine
;
lcd_number:
    push    temp1                               ; die Funktion verändert temp1 und temp2,
    push    temp2                               ; also sichern wir den Inhalt, um ihn am Ende
                                                ; wieder herstellen zu können
 
    mov     temp2, temp1                        ; das Register temp1 frei machen
                                                ; abzählen wieviele Hunderter
                                                ; in der Zahl enthalten sind
 
;** Hunderter **
    ldi     temp1, '0'-1                        ; temp1 mit ASCII '0'-1 vorladen
lcd_number_1:
    inc     temp1                               ; ASCII erhöhen (somit ist nach dem ersten
                                                ; Durchlauf eine '0' in temp1)
    subi    temp2, 100                          ; 100 abziehen
    brcc    lcd_number_1                        ; ist dadurch kein Unterlauf entstanden?
                                                ; nein, dann zurück zu lcd_number_1
    subi    temp2, -100                         ; 100 wieder dazuzählen, da die
                                                ; vorherhgehende Schleife 100 zuviel
                                                ; abgezogen hat
    rcall   lcd_data                            ; die Hunderterstelle ausgeben
;** Zehner  **
    ldi     temp1, '0'-1                        ; temp1 mit ASCII '0'-1 vorladen
lcd_number_2:
    inc     temp1                               ; ASCII erhöhen (somit ist nach dem ersten
                                                ; Durchlauf eine '0' in temp1)
    subi    temp2, 10                           ; 10 abziehen
    brcc    lcd_number_2                        ; ist dadurch kein Unterlauf enstanden?
                                                ; nein, dann zurück zu lcd_number_2
    subi    temp2, -10                          ; 10 wieder dazuzählen, da die
                                                ; vorherhgehende Schleife 10 zuviel
                                                ; abgezogen hat
           rcall lcd_data                       ; die Zehnerstelle ausgeben
 
;** Einer **
    ldi     temp1, '0'                          ; die Zahl in temp2 ist jetzt im Bereich
    add     temp1, temp2                        ; 0 bis 9. Einfach nur den ASCII Code für
    rcall   lcd_data                            ; '0' dazu addieren und wir erhalten dierekt
                                                ; den ASCII Code für die Ziffer
 
    pop     temp2                               ; den gesicherten Inhalt von temp2 und temp1
    pop     temp1                               ; wieder herstellen
    ret                                         ; und zurück
 
lcd_data:
    mov     zeichen, temp1
    loop1:
    rcall   serout                              ; Unterprogramm aufrufen
    rcall   sync
    brne    loop1                               ; solange die Null nicht erreicht ist springe zur loop
    ret
 
my_Schwellwert:     .db "ges. SchwellWert:  ",0
my_Ladewert:        .db "akt. Ladewert:  ",0
my_Intervalle:      .db "Anz. 10 Min. Int.: ",0
my_10MinIntervall:  .db "**10 Min. Int. **",10,0

Schaltplan und technische Details:

Das Pollin Board ist an der Stelle des ATMega8 Prozessors mit einem 4 MHZ Quarz bestückt.
Das ist so, weil der Stromverbrauch des Prozessors so niedriger ist und die 16 MHZ für die Anwendung absolut nicht erforderlich sind.
Das hat den Haken, dass die Baud Rate für die Kommunikation via UART nicht riesig sein kann. Aber 9600 Baud sind vollkommen ok.

Die Relaiseinheit zum schalten der 26 Watt Glühbirne und die Bluetoothkarte ist von Ebay

Die 5V Stromversorgung für das Pollin Board und die Relais Steuereinheit wurde mit einem handelsüblichen KFZ – USB Adapter realisiert.

Wünsche an eine verbesserte Version:

  • Stromzuführung für das Bluetooth Modul mit Taster des Pollin Boards steuern
  • UART Kommunikation in der Programmlogik nur aktiv betreiben, wenn das Bluetooth Modul angeschaltet ist
  • Es sollte ein Tageswechsel erkennbar sein, z.B. Start eines neuen Counters, mit jedem neuen Tag und Ausgabe einer Counterliste
  • Die 10 Minuten AUS Intervalle sind ungünstig. Möglicherweise ist der Ladezustand schon während der 10 Minuten wieder erreicht, bzw. geht so hoch, dass der Laderegler abschaltet. Habe ich am 9.8.2012 beobachtet!
  • normales Relais durch SSR tauschen und dementsprechend ansteuern
  • bessere Stabilisierung der Spannung, so dass die Messwerte nicht so sehr schwanken
  • den Spannungsteiler evtl. mit einer 10 Volt Zehnerdiode realisieren
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001 – manuelle Verbrauchsgenerierung und Messung

Mein Ziel für 2012 ist es 10 KW Stunden Strom selbst herzustellen.

Das erfordert die hergestellte Menge in irgendeiner Form zu quantifizieren.
Also habe ich mir Gedanken gemacht, wie das am einfachsten, mit einer relativ hohen Genauigkeit realisiert werden kann.

Da ich als Speichermedium eine Autobatterie verwende, bietet es sich an eine Glühlampe vom Auto zu nutzen.
Ich hatte eine Lampe zur Hand, die 2 Glühfäden enthält. Einmal 21 Watt für das Abblendlicht und einmal 5 Watt für das Standlicht. Beide zusammen geschaltet ergibt in Summe 26 Watt.

Wird diese nun eine Stunde lang eingeschaltet, hat Sie genau 26 Wattstunden oder ganze 0,026 KWh Energie verbraucht.
Nach 38,47 Stunden Dauerlicht hat die Lampe 1 KWh verbraucht. Das klingt ewig, aber bei dem kleinen 20 Watt Panel (bei voller Sonneneinstrahlung) dauert es ja auch recht lang bis die Energie mal in die Batterie hinein gelaufen ist.
Da kann ich dann den Verbrauch auch ein wenig genießen.

Vorteile der Lösung:

  • absolut geringer Materialaufwand
  • relativ genau
  • sehr schnell umsetzbar

Nachteile der Lösung:

  • manuelles Ein- und natürlich auch wieder Ausschalten ist erforderlich
  • manuelles notieren der Verbrauchszeiten erforderlich
  • hohes Risiko die Batterie zu stark zu entladen, im Falle, dass das Ausschalten verspätet erfolgt

Messergebnisse:

Summe 5554 2,41 KWh
Datum Startzeit Endzeit Summe Summe in Minuten Verbrauchte Leistung Verbraucher Erzeuger Ablesemodus
21.05.12 08:49:00 12:53:00 04:04:00 244 105,73 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
22.05.12 08:35:00 14:25:00 05:50:00 350 151,67 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
25.05.12 08:28:00 17:28:00 09:00:00 540 234,00 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
28.05.12 13:53:00 18:25:00 04:32:00 272 117,87 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
29.05.12 15:48:00 20:25:00 04:37:00 277 120,03 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
31.05.12 08:09:00 17:38:00 09:29:00 569 246,57 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
07.06.12 08:04:00 15:29:00 07:25:00 445 192,83 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
16.06.12 09:02:00 13:15:00 04:13:00 253 109,63 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
18.06.12 08:08:00 15:54:00 07:46:00 466 201,93 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
28.06.12 09:00:00 09:30:00 00:30:00 30 13,00 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
01.07.12 15:26:00 19:26:00 04:00:00 240 104,00 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
03.07.12 14:22:00 19:06:00 04:44:00 288 124,80 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
08.07.12 09:04:00 13:28:00 04:24:00 264 114,40 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
11.07.12 17:17:00 22:20:00 05:03:00 303 131,30 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
13.07.12 15:58:00 20:51:00 04:53:00 293 126,97 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
24.07.12 18:08:00 21:27:00 03:19:00 199 86,23 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand
01.08.12 08:26:00 17:07:00 08:41:00 521 225,77 W 26 Watt Birne Solarzelle 20W per Hand