design och framtagning av diodbaserad mätutrustning för ...539927/fulltext01.pdf · för att...

TVE12040

Examensarbete 15 hpJuli 2012

Design och framtagning av diodbaserad mätutrustning för solinstrålning

Adam SaxénEmelie LindgrenGustav KarlssonLinus Haapala

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Design och framtagning av diodbaserad mätutrustning försolinstrålningDesign and Construction of Instruments forMeasurments of Solar Radiation using Diodes

Adam Saxén, Emelie Lindgren, Gustav Karlsson, Linus Haapala

As the world’s need of renewable energy increases, a coollection of measurement data for research is more important than ever. This project is about designing and constructing instruments to measure the solar radiation and detect its spectra using diodes. The project resulted into two instruments that can be used in the research for solar cells.

The first project was about designing an instrument that measures the solar radiation by measuring the short-circuit current of a photodiode. A circuit was designed to measure the current and save data every eight second. The circuit consisted of a microcontroller to steer the circuit and the components, a GPS-transmitter was connected to deliver information about time and position, a temperature-sensor and the information was saved on an SD-card. The goal of this project was to place several instruments over a geographical area on various distances from each other. By making synchronized measurements one can draw conclusions on how large-scale solar cell plants are affected by fast moving clouds and how the power distribution from the solar cells fluctuates.

The second project was about building a low cost spectrophotometer by using LED-technology. LED can be used as light detectors as they are sensitive in a small interval of the solar spectrum. One can combine a couple of diodes and cover most of the sun’s spectrum. The circuit has a similar design and by measuring the currents from every diode one can detect the composition of the sun’s spectra.

ISSN: 1401-5757, UPTEC F** ***Examinator: Martin Sjödin & Maria StrömmeÄmnesgranskare: Martin SjödinHandledare: Uwe Zimmermann

UPPSALA UNIVERSITET 29 maj 2012Institutionen för TeknikvetenskaperAvdelningen för Fasta tillståndets elektronik

Projektrapport: Självständigt

arbete i teknisk fysik, 15 hp

Design och framtagning av diodbaserad

mätutrustning för solinstrålning

Namn Adam Saxén

Emelie Lindgren

Gustav Karlsson

Linus Haapala

E-mail [email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

HandledareUwe Zimmermann

ÄmnesgranskareMartin Sjödin

Populärvetenskaplig sammanfattning

För att kunna utveckla och förbättra tekniken för förnyelsebar energi krävs

mängder av data av olika slag. På Uppsala Universitet pågår forskning kring

solceller och syftet med detta projekt var att utveckla mätutrustning som

samlar in data som sedan kan användas i forskningen. I projektet designades

två olika mätinstrument som gör olika sorters mätningar av solinstrålningen.

När solceller skuggas av moln sjunker e�ektuttaget snabbt till nästan noll

och går snabbt upp igen när molnet passerat. Detta kan vara ett problem för

elnätet som inte är byggt för snabba e�ektändringar. En intressant fråga är,

vad händer om man har en storskalig anläggning, eller sprider ut solcellerna

i till exempel ett bostadsområde?

Det första projektet syftade till att bygga mätutrustning som kan an-

vändas till att besvara denna fråga. Ett �ertal moduler byggdes, vilka gör

synkroniserade mätningar av solinstrålningen. De baserades på en fotodiod,

som i princip är en liten solcell. Strömmen som alstras i dioden beror på in-

tensiteten hos solinstrålningen. Genom att mäta strömmen genom fotodioden

kan man bestämma solinstrålningen.

Fotodioderna mäter den totala solinstrålningen, men för solcellsforskning-

en kan det också vara intressant att uppskatta spektrumet, det vill säga

fördelningen mellan olika färger i solljuset. I det andra projektet byggdes

en spektrofotometer baserad på lysdioder. Vanligtvis används lysdioder som

ljuskällor, men i detta projekt användes de som ljusdetektorer. Precis som

fotodioden avger de en ström då de belyses, men är däremot endast känsliga

för en färg. Mäter man strömmen från exempelvis en röd lysdiod får man

veta hur mycket av det infallande ljuset som är rött.

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp Innehåll

Innehåll

1 Inledning 1

1.1 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Teori 3

2.1 Dioder som ljusdetektorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.1 Fotodiod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.2 Lysdiod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.3 Absorbtionsspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Elektroniken i delprojekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1 Enkapseldatorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.2 Analog till digital-konvertering . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.3 Transimpedansförstärkare . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.4 Brus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.5 SD-kort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.6 GPS-mottagaren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.7 Strömförsörjning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.8 Tidsmätning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.9 Di�usor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Metod 14

3.1 Fotodiodkretsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2 Lysdiodkretsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4 Resultat 17

4.1 Fotodiodskretsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.2 Lysdiodskretsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5 Diskussion 22

5.1 Förbättringar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

i

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp Innehåll

6 Slutsats 23

A Bilagor 24

A.1 Algoritm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

ii

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp 1 Inledning

1 Inledning

1.1 Bakgrund

I takt med ett ökande energibehov och omställningen till ett hållbart samhälle

ställs högre krav på tillförseln av rena energikällor. Solceller är en teknik

på frammarsch som får allt större betydelse för energimixen. På Uppsala

universitet pågår forskning kring solceller och eftersom olika typer av solceller

påverkas på olika sätt av väder och klimat krävs ständigt en omfattande

insamling av data.

Ett återkommande problem bland förnyelsebara energikällor är att reglera

e�ekttillförseln till elnätet. Solcellers prestanda varierar med solinstrålning-

ens intensitet, som i sin tur kan variera stort beroende av väderförhållanden.

Solceller som skuggas av moln genererar ström men det är enbart några få

procent av maxe�ekt. Därför kan snabba moln leda till ett �uktuerande ef-

fektuttag och det är svårt att överföra direkt till transmissionsledningar. Det

är därför intressant att se hur snabba moln påverkar storskaliga anläggningar

och hur stor areal som måste täckas för att balansera molnvariationer.

Solcellers egenskaper och prestanda beror av solinstrålningens spektrum och

intensitet. Solceller är generellt sett känsliga för ljus från ca 350 nm. Den

undre gränsen kommer av att UV-ljus absorberas redan i solcellernas första

lager och bandgapet sätter den övre gränsen då fotoner med längre våglängd

inte har tillräckligt med energi för att absorberas av solcellen. Den övre grän-

sen beror på material och varierar mellan ca 700-1700 nm, för kiselceller och

CIGS (som forskas om på Ångströmlaboratoriet) är den ca 1200 nm 1. Idag

används spektrofotometer för att detektera solinstrålningens spektrum men

dessa är dessvärre relativt dyra och en alternativ lösning är att utnyttja LED

(Light Emitting Diode)-teknik.

1U. Zimmermann, M. Ruth, M.Edo�, CADMIUM-FREE CIGS MINI-MODULESWITH ALD-GROWN Zn(O, S)-BASED BUFFER LAYERS, sid. 3 [13]

1

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp 1 Inledning

Figur 1: CIGS-tunn�lmssolcell med olika behandlade ytor. Grafen visar cel-lens kvantverkningsgrad från 300 nm till 1200 nm. 2

1.2 Syfte

Detta projekt kommer att vara uppdelat i två mindre delprojekt men med

samma huvudområde där båda går ut på att bygga utrustning som mäter

solinstrålningen med dioder.

Det ena delprojektet går ut på att bygga ett �ertal likadana fotodiodkret-

sar som kan göra synkroniserade mätningar av den totala solinstrålningen.

Fotodiodkretsarna kan placeras ut på �era ställen på olika avstånd, och på

så sätt undersöka hur den totala solinstrålningen på en stor yta påverkas av

snabba moln. Någon sådan dataanalys ingår inte i projektet.

Det andra delprojektets syfte är att konstruera en billig spektrofotometer

för att detektera spektrumet hos solinstrålningen med hjälp av LED-lampor.

Spektrofotometern kan senare användas för att undersöka hur solcellers pre-

2U. Zimmermann, M. Ruth, M.Edo�, CADMIUM-FREE CIGS MINI-MODULESWITH ALD-GROWN Zn(O, S)-BASED BUFFER LAYERS, sid. 1833 [13]

2

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp 2 Teori

standa beror av solinstrålningens spektrum.

2 Teori

2.1 Dioder som ljusdetektorer

2.1.1 Fotodiod

Strömmen som avges från en fotodiod ökar linjärt med ljusintensiteten 3, se

�gur 2. Detta tillsammans med dess breda spektrala känslighet gör att den

är lämplig som ljusdetektor.

0 200 400 600 800 1000 12000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Intensitet / W/m 2

Kort

slut

ning

sstr

öm /

mA

BPW34

MätdataKurvanpassning

Figur 2: När en fotodiod av märket BPW34 belyses alstras en ström propor-tionell mot det infallande ljusets intensitet. 4

I �gur 3 ses den uppmätta spektrala känsligheten hos fotodioden BPW34 5.

Denna fotodiod är en kiseldiod, och är i princip en liten kiselsolcell. Y-axeln

visar antalet elektron-hål-par som bildas per infallande foton. Den är känslig

för ljus med våglängd upp till 1200 nm, vilket är det område som är intressant

i dessa tillämpningar. Känsligheten har mätts i området 330-1200 nm, vilket

är vad mätutrustningen klarade av.3R. Rösemann a Guide to Solar Radiation Measurement, sid. 53 [11]4Mätning av Uwe Zimmermann5Datablad för BPW34 [1]

3


400 600 800 1000 12000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Våglängd /nm

Kvan

te�e

ktSpektral känslighet för BWP34

Figur 3: Den spektrala känsligheten för fotodioder av märket BPW34.

Fotodioden �räknar fotoner�, det vill säga, en absorberad foton med hög ener-

gi ger lika stor ström som en absorberad foton med låg energi. För att foto-

detektorn ska ge intensiteten i W/m2 krävs att kvantverkningsgraden beror

linjärt på frekvensen (energin hos fotonerna är omvänt proportionell mot våg-

längden, vilket innebär att till exempel blå fotoner har högre energi än röda

fotoner). Detta kan göras med ett blå�lter som �ltrerar bort en del av det

långvågiga ljuset.

Figur 4 beskriver solinstrålningens intensitet mätt iW/m2 samt antal fotoner

mot ljusets våglängd. Den totala e�ekten är integralen av den övre grafen.

Det uppskattade felet när man uppskattar e�ekten genom att mäta antalet

fotoner är integralen av den undre grafen multiplicerad med känslighetskur-

van (se �gur 3).

4


0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

3.0

eV

2.5

eV

2.0

eV

1.7

eV

1.5

eV

1.3

eV

1.2

eV

1.1

eV

1.0

eVin

strå

lnin

g [W

m−

2 nm

−1 ]

AM1.5 global

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

foto

nflö

de [1

018 m

−2 s

−1 n

m−

1 ]

våglängd [nm]

AM1.5 global

Figur 4: Intensiteten uppskattas i storheterna W/m2 samt antalet fotonernär ljuset varierar från 300 nm till 1300 nm. Graferna är inte identiska varförett fel uppstår när man mäter e�ekten från solen med en fotodiod.

I denna tillämpning är det intressanta skillnaden i solinstrålning på olika

platser vid samma tidpunkt. Det är alltså inte nödvändigt att ha intensiteten

i W/m2, och blå�lter kan utelämnas.

2.1.2 Lysdiod

Även lysdioder avger en ström proportionell mot intensiteten hos det in-

fallande ljuset, men absorbtionsspektrumet är smalare än hos fotodioder 6.

Genom att använda �era lysdioder med olika absorbtionsspektrum kan man

täcka ett brett spektrum. Man kan sedan genom att mäta strömmarna från

6D. R. Brooks, F. M. Mims III, Development of an Inexpensive Handheld LED-basedSun Photometer for the Globe Program, sid. 4735

5


de olika lysdioderna bestämma fördelningen i spektrumet hos det infallande

ljuset.

Till skillnad från fotodioder är lysdioder inte gjorda för att fungera som

ljusdetektorer, och ger därför mycket små strömmar i storleksordningen na-

noampere.

I �gur 5 visas uppmätt emissionsspektrum och absorbtionsspektrum hos en

blå lysdiod. Y-axeln saknar här betydelse; bara kurvans form är intressant.

Absorbtions och emissionsspektrumen överlappar inte varandra (förutom i ett

smalt område kring 480 nm vilket motsvarar bandgapsenergin hos dioden),

om så vore fallet skulle dioden absorbera en del av det ljus den sänder ut. I

detta projekt är endast absorbtionsspektrumet av intresse.

350 400 450 500 550 6000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Våglängd / nm

Inte

nsite

t/ab

sorb

ans

[a.u

.]

Absorbtion (lila) och emission (blå) för en blå lysdiod

Figur 5: Den spektrala känsligheten och emissionsspektrum för en blå lysdiod.Y-axeln är enhetslös och endast formen på kurvorna är intressant.

2.1.3 Absorbtionsspektrum

Ett experiment genomfördes med syftet att bestämma absorbtionsspektru-

met hos ett antal lysdioder. Först uppskattades emmissionsspektrumet hos

varje lysdiod med en spektrofotometer. Därefter belystes lysdioderna med

6


ljus från en monokromator som �xerades med ett �lter och ljuset sveptes ge-

nom intervallet 330-1200 nm och strömmen från dioderna mättes. Målet med

experimentet var att kartlägga lysdiodernas absorbtionsspektrum och identi-

�era de lysdioder som utan överlapp täcker solens spektrum. Resultatet från

experimentet redovisas i �gur 6.

350 400 450 5000

0.2

0.4

0.6

0.8

1Blå/gröna lysdioder

450 500 550 600 6500

0.2

0.4

0.6

0.8

1Gula/röda lysdioder

700 800 900 1000 11000

0.2

0.4

0.6

0.8

1IR−lysdioder

400 600 800 1000 12000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Våglängd / nm

Fotodioder

Figur 6: Olika dioders känslighet när monokromatorn sveper ljus från 330nm till 1200 nm.

Vi fann att dioderna var känsliga i något av tre olika intervall, ca 350-500

nm, ca 450-650 nm och ca 700-1200 nm. Det hade varit önskvärt att �nna

en diod med absorbtionsmaximum någonstans i intervallet 650-700 nm. En

sådan diod skulle ha sitt emissionsmaximum någonstans i gränsen mellan

synligt och infrarött ljus, men är svår att hitta eftersom att man vanligtvis

vill ha bara synligt eller bara infrarött ljus.

7


De dioder som ansågs vara mest lämpade visas i �gur 7. De har branta käns-

lighetskurvor, litet överlapp och täcker tillsammans nästan hela spektrumet.

De tre dioder som absorberar ljus med kortast våglängd är lysdioder och den

sista är en fotodiod med ett IR-�lter.

400 500 600 700 800 900 1000 1100 12000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Våglängd / nm

Absorbtion för utvalda dioder

Figur 7: Genom att kombinera en blå lysdiod, en orange lysdiod, en infrarödlysdiod och en infraröd fotodiod kunde så stor del av spektrumet täckas.

2.2 Elektroniken i delprojekten

2.2.1 Enkapseldatorer

I de båda delprojekten används enkapseldatorer av typen ATmega168 för att

styra kretsarna. För att programmera datorerna används en AVR STK500

samt AVR Studio där källkoden skrivs i C. En ATmega168 har 16kB �ashmin-

ne, 512 byte EEPROM och 1024 byte SRAM 7. Jämfört med persondatorer

7Datablad för ATmega168 [2]

8


låter detta lite, men är tillräckligt för denna typ av tillämpning.

2.2.2 Analog till digital-konvertering

I de båda delprojekten ska en analog ström från dioderna mätas och sparas.

ATmega168 har en inbyggd analog-till-digital-konverterare (ADC) med 10

bitars upplösning 8. Strömmarna från dioderna måste alltså konverteras till

spänningar innan de kan läsas in i ADC. Detta kan göras med en transim-

pedansförstärkare.

Den analoga spänningen på ingången till ADC jämförs med en referensspän-

ning. ATmega168 kan ge en stabil intern referensspänning på 2.56 V, som

används i konverteringen. För att få så stor upplösning som möjligt bör allt-

så transimpedansförstärkaren designas så att maximal solinstrålning ger en

spänning på 2.56 V.

2.2.3 Transimpedansförstärkare

Strömmarna från dioderna i båda delprojekten konverteras till spänningar

med en transimpedansförstärkare 9, se �gur 8. Fotodioden avger en ström i

storleksordningen milliampere. Resistorn R4 begränsar förekomsten av läck-

strömmar in i OP-förstärkaren och kondensatorn C2 �nns inte fysiskt men

symboliserar störningar som kan uppkomma. Kondensatorn C3 smalar av

bandbredden. För en ideal OP-förstärkare gäller att U = I ·R110.

8Datablad för ATmega168 [2]9J. Graeme, Photodiode Ampli�ers, sid 23 [8]10J. Graeme, Photodiode Ampli�ers, sid 23 [8]

9


Figur 8: Transimpedansförstärkaren som används i lysdiod-projektet.

Lysdioderna ger mycket mindre strömmar än fotodioderna. Att använda sam-

ma sorts transimpedansförstärkare skulle kräva mycket stora motstånd för att

få önskad spänning. Därför används en T-koppling 11, se �gur 9. För ideal

OP-förstärkare gäller att U = I ·R1(1+R2/R3). Jämför man med den första

transimpedansförstärkaren fungerar de på samma sätt, men motståndet R1

�ser ut� att vara en faktor 1+R2/R3 större. Detta gör att mindre storlek på

motstånden kan användas, men nackdelen är att det kräver �er motstånd.

11J. Graeme, Photodiode Ampli�ers, sid 59 [8]

10


Figur 9: Transimpedansförstärkaren som används i lysdiods-projektetmed enT-koppling istället för återkopplingsresistor.

2.2.4 Brus

På grund av störningar från resten av ATmega168 uppstår betydande brus

vid AD-konverteringen. Det �nns två sätt att minska detta brus. Det första är

att göra mätningarna när ATmega168 är i �Sleep Mode� 12, AD-konverteraren

kan användas ändå och brusnivån minskar. Det andra är att göra ett �ertal

mätningar omedelbart efter varandra och beräkna ett medelvärde. Eftersom

bruset är slumpmässigt borde medelvärdet av mätningarna ha en lägre brus-

nivå. I kretsarna görs 32 successiva spänningsmätningar. Detta tar endast

några millisekunder och ger acceptabel strömförbrukning. Strömförbrukning-

en i kretsen diskuteras i ett senare avsnitt.

Brus kan uppstå även i den analoga delen av kretsen. Detta kan minskas

genom att bandbredden i transimpedansförstärkaren görs smalare.

2.2.5 SD-kort

För att lagra mätdata används SD-kort. Med ett 512 MB SD-kort och data-

lagring var åttonde sekund fås ca 2.5 års lagringskapacitet, vilket är mycket12Datablad för ATmega168, sid 39 [2]

11


längre än batteritiden för mätutrustningen.

Lagring på kortet sker utan �lsystem och informationen sparas som ASCII

direkt på kortets sektorer. Att använda ett �lsystem som exempelvis FAT

skulle kräva en enkapseldator med större �ashminne, varför �lsystem valdes

bort. Fördelen med ett �lsystem vore att data skulle kunna ha sparats på

kortet i ett lättillgängligt format (till exempel i en text�l), nu krävs ett

program som WinHex eller HxD för att läsa data.

Kommunikationen mellan SD-kortet och enkapseldatorn sker genom SPI 13.

SD-kortet kommunicerar endast om dess CS (Chip Select)-pin sätts låg (0V),

vilket gör att SPI även kan användas till att programmera om enkapseldatorn.

2.2.6 GPS-mottagaren

GPS-mottagaren ger position och en exakt tidssignal. Det är tidssignalen som

är den viktiga för dessa tillämpningar och att mottagaren även ger position är

en bonus. Att få en exakt tidssignal är nödvändigt för att klockorna i de olika

kretsarna ska gå lika och på så sätt möjliggöra synkroniserade mätningar.

Enkapseldatorn kommunicerar med GPS-mottagaren via UART (Universal

Asynchronous Receiver/Transmitter). En textsträng som skickas av GPS-

mottagaren14 till UART kan se ut som följande:

$GPRMC,064951.000,A,2307.1256,N,12016.4438,E,0.03,165.48,260406,

3.05,W,A*55

2.2.7 Strömförsörjning

Fotodiodkretsarna kommer inte ha någon möjlighet att anslutas till elnätet,

som strömförsörjning används därför AA-batterier (1,5 V). ATmega168 krä-

13Datablad för ATmega168, sid 205 [2]14Datablad för GPS-mottagare [3]

12


ver en driftspänning mellan 2,7 - 5,5 V vid en klockfrekvens på 8MHz 15.

Tre stycken 1,5 V AA-batterier ger 4,5 V spänning och kretsen drivs med

en matningsspänning på 3,3 V (SD-kort, GPS-mottagare och ATmega168

fungerar alla bra vid denna spänning). En spänningsregulator används för

att få ned matningsspänningen till 3,3 V. Till fotodiodskretsen används en

spänningsregulator av typ LP2950ACZ-3,3G.

Om hela kretsen är igång skulle batterierna ta slut på några dagar. För att

få en batteritid på �era månader kan man stänga av de �esta funktionerna i

enkapseldatorn och övriga kretsen mellan mätningarna. Man kan alltså mä-

ta solinstrålningen, lagra data för att sedan stänga ner kretsen och därmed

spara på batterierna. GPS-mottagaren är den största energiboven (ström-

förbrukning på över 40 mA, jämfört med ATmega168:s ca 1 mA), och slås

bara på en gång i timmen. I sömnläge ligger strömförbrukningen på 260

mikroampere, vilket skulle ge en batteritid på ca 400 dagar om inga andra

processer sattes igång. Största delen av denna förbrukning kommer av att

spänningsregulatorn är igång hela tiden, men den kan inte heller stängas av.

Lysdiodkretsen kommer att placeras på Ångströmlaboratoriets tak och kopp-

las till elnätet.

2.2.8 Tidsmätning

Processorn i ATmega168 alternativt en kristall kan användas för tidsmätning.

Problemet med processorn som tidsmätare är att dess klockfrekvens varie-

rar med temperatur och mellan enheter. Den duger därför inte för denna

tillämpning.

För tidsmätning används en 32,768 kHz kristalloscillator. Kristallen har har

en låg strömförbrukning och en noggrann stabil frekvens. En klocka baserad

på kristallen skulle endast gå några sekunder fel per dygn. I denna tillämp-

15Datablad för ATmega168, sid. 8 [2]

13

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp 3 Metod

ning är några sekunder per dygn dock inte acceptabelt och tidsmätningen

synkroniseras därför med data från GPS-mottagaren en gång i timmen.

2.2.9 Di�usor

Fotodiodkretsen kommer placeras i en vattentät behållare. En te�onskiva 16

används som di�usor för att släppa in och sprida ljus. Te�on har egenska-

pen att det infallande ljuset fördelas jämt över alla utfallsvinklar. Dessutom

kommer di�usorn att förbli ren, då inget fäster på te�on.

3 Metod

3.1 Fotodiodkretsen

Fotodiodkretsen består av en fotodiod, en transimpedansförstärkare, en GPS-

mottagare, ett SD-kort, en temperaturgivare, en transistor, en spänningsre-

glerare, en kristalloscillator och en enkapselsdator. Strömmen från fotodioden

ska mätas och tillsammans med tid, datum, position och temperatur sparas

på SD-kortet. Hela kretsen styrs av enkapseldatorn som är av typen ATme-

ga168.

Först byggdes en prototyp på en kopplingsplatta. All programkod skrivs i

C i AVRstudio4. En STK500 användes för att programmera enkapseldatorn

över SPI. För att möjliggöra omprogrammering av enkapselsdatorn place-

rades även en SPI-kontakt i den färdiga kretsen. När protypen var färdig

designades ett kretsschema i programmet EAGLE 17 och ritningarna skicka-

des till företaget Cogra Pro18 för tillverkning. Det slutgiltiga kretsschemat

redovisas nedan.16R. Rösemann, a Guide to Solar Radiation Measurement, sid. 51 [11]17http://www.cadsoftusa.com/18http://www.cogra.se/

14


Figur 10: Schema för kretsen i fotodiodsprojektet.

3.2 Lysdiodkretsen

Denna krets liknar fotodiodkretsen, men innehåller ingen GPS-mottagare

eller SD-kort eftersom instrumentet ska stå på Ångströmlaboratoriets tak

och kommer ha tillgång till elnätet och databasen.

Här konstruerades en enkel prototyp med fotodiodskretsen som utgångs-

punkt, både vad gäller den analoga kretsen samt mjukvaruprogrammeringen.

Lysdiodkretsen har ännu ej byggts ihop då detta skrivs, men kommer snart

att göras.

15


Figur 11: Schema för kretsen i lysdiodsprojektet.

16

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp 4 Resultat

4 Resultat

4.1 Fotodiodskretsen

Sex moduler �nns tillgängliga för provmätning på Ångströmlaboratoriets tak.

De mäter solinstrålningens intensitet var åttonde sekund och sparar data på

ett SD-kort tillsammans med tid, datum och temperatur.

Nedan visas en kretskortslayout för fotodiodsprojektet.

Figur 12: Layout för kretsen i fotodiodsprojektet.

17


Figur 13: En färdig modul. Kretskortet med alla dess komponenter är inför-sluten i en vattentät behållare. Batterihållaren med 3 st 1,5 V batterier ärplacerad under kretskortet.

Mätdata från två moduler som gör synkroniserade mätningar placerade bred-

vid varann på Ångströmlaboratoriets tak redovisas nedan.

12.7 12.8 12.9 13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.620

40

60

80

100

120

Tid /h

Inte

nsite

t

Mätning av solinstrålningens intensitet den 22 maj på Ångströmlaboratoriets tak

Figur 14: Solinstrålningens intensitet på Y-axeln är inget annat än den spän-ning som matats in i enkapseldatorn när strömmen från fotodioden konverte-rats. På X-axeln visas tiden i timmar och man ser tydligt att det blev molnigtstrax efter kl 13.

18


Tre moduler placerades på Ångströmlaboratoriets tak enligt nedanstående

karta. De röda prickarna betecknar var provmätningarna sker.

Figur 15: Flygfoto över Ångströmlaboratoriet.

Provmätning ägde rum den 25 maj. Modulerna var okalibrerade vilket för-

klarar varför de inte ligger på samma intensitetskurva. Man ser dock hur de

följer samma form med �dalar och toppar�. Förutom på ett ställe där man

kan ana att en av komponenterna skuggats av ett moln eftersom de inte har

samma kurva längre.

19


6.15 6.2 6.25 6.3 6.35 6.4 6.45 6.5

x 104

0

50

100

150

Tid / s

Inte

nsite

t / a

.u

Okalibrerad mätdata från tre tak

Hus 2Hus 4Hus 3

Figur 16: Provmätningen visar att intensiteten varierade lika mycket för deolika modulerna. Kring 6,3 ser man däremot en skillnad i formen hos de olikakurvorna och man kan därför misstänka att en av modulerna (hus 2) skuggasav ett moln.

4.2 Lysdiodskretsen

Ett kretskort designades men vid projektets slutskede fanns inte tid att di-

mensionera transimpedansförstärkarna. Någon programkod har heller inte

skrivits, men det går att basera den på fotodiodsprogrammet.

Nedan visas en kretskortslayout för lysdiodsprojektet.

20


Figur 17: Layout för kretsen i lysdiodsprojektet.

Nedan visas det färdiga kretskortet med några komponenter fastlödade.

Figur 18: Halvfärdig lysdiodskrets. Till höger syns en fotodiod och någralysdioder.

21

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp 5 Diskussion

5 Diskussion

5.1 Förbättringar

För att förlänga batteritiden skulle man kunna låta batterierna laddas upp

av en liten solcell. Eftersom ett SD-kort kan lagra data i �era år är det

batteritiden som är den begränsande faktorn.

Till spektrofotometern skulle man kunna experimentera med �er lysdioder

och identi�era de som har brantast lutning i absorbtionsspektrumet och mi-

nimal överlappning för att istället använda dessa. Det vore även önskvärt att

hitta en diod som täcker området kring 700 nm.

En möjlighet till högre upplösning skulle vara att identi�era två dioder med

liknande känslighetskurvor. Betrakta �guren nedan som är ett urklipp av

�gur 6.

440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 6600

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Våglängd/nm

Gula/röda lysdioder

Våglängd/nm

Figur 19: Två dioders känslighet när monokromatorn sveper ljus från 330 nmtill 1200 nm.

I större delen av ljusspektrumet kommer diodernas känslighet följas åt, men

i intervallet 600-640 nm kommer enbart en av dioderna vara känslig.

22

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp 6 Slutsats

6 Slutsats

Det var möjligt att konstruera diodbaserad mätutrustning för solceller. De

färdiga fotodiodsmodulerna är i dagsläget utplacerade på Ångströmlabora-

toriets tak för provmätning för att se om det går att samla in data som

kartlägger hur den totala solinstrålningen varierar och påverkas av snabba

moln. En omfattande analys av insamlad mätdata kan sedan beskriva hur

storskaliga solcellsanläggningar påverkas av snabba molnvariationer.

Det går även att använda lysdioder som ljusdetektorer trots att den ström

som går genom dioden är mycket liten. Genom att kombinera �era dioder

kan man nästan täcka hela solens färgspektrum. Om dimensioneringen av

transimpedansförstärkarna görs rätt i lysdiodsprojektet �nns föhoppningen

att kunna konstruera en billig spektrofotometer genom att utnyttja LED-

teknik. Det �nns också möjlighet till förbättring och ökad noggrannhet genom

att använda �era dioder.

23

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp A Bilagor

A Bilagor

A.1 Algoritm

Nedan förljer en beskrivning av programkoden som användes för att program-

mera ATmega168.

1. Starta samt initiera nödvändiga processer som behövs i programmet.

2. Sök efter första lediga block på SD-kortet för att undvika att spara över

gammal data vid eventuell omstart vid t.ex. batteribyte.

3. Gå in i en evighetsloop.

(a) Kontrollera om man ska hämta data ifrån GPS-mottagaren. Detta

ska ske en gång varje timme och varje varv medan man väntar på

giltig data.

i. Starta GPS-mottagaren.

ii. Vänta på en sträng i rätt format från GPS-mottagaren.

iii. Kolla ifall strängen innehåller korrekt data. Om den gör det,

slå av GPS-mottagaren. Om inte, låt GPS-mottagaren vara

påslagen och gå in i loopen nästa mätning igen och kontrollera

igen.

(b) Uppdatera den inre klockan.

(c) Starta den analoga delen av kretsen, utför mätningarna och stäng

sedan ner den analoga delen av kretsen igen.

(d) Leta efter temperatursensor och om det �nns en inkopplad så häm-

ta temperaturdata. Om en sensor inte detekteras så hoppa över

detta steg.

(e) Starta SD-kortet och spara mätresultaten i det aktuella blocket

(f) Alla inre processer stängs ner och mikrokontrollern sätts i sömn-

läge i väntan på att bli väckt för nästa mätomgång.

24

Projektrapport: Självständigt arbete i teknisk fysik, 15 hp Referenser

Referenser

[1] Datablad för BPW34, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/vishay/81521.pdf.

1999.

[2] Datablad för ATmega168, http://www.atmel.com/Images/doc2545.pdf.

2011.

[3] Datablad för GPS-mottagare, http://www.nghobbies.com/cart/datasheet/GT-

GPSdatasheet.pdf. 2007.

[4] Datablad för temperatursensor, http://datasheets.maxim-

ic.com/en/ds/DS18B20.pdf. 2008.

[5] Richard Barnett, Larry O'Cull & Sarah Cox, Embedded C Programming

and the Atmel AVR. Delmar, New York, 2nd Edition, 2007.

[6] David R. Brooks & Forest M. Mims III, Development of an Inexpensive

Handheld LED-based Sun Photometer for the GLOBE Program. Phila-

delphia, Pennsylvania, 2001.

[7] G.B. Glayton, Operational Ampli�ers. Liverpool, England, 2nd Edition,

1979.

[8] Jerald Graeme, Photodiode Ampli�ers. Boston, Massachusetts, 1996.

[9] Jimmy Ly, Lars-Gunnar Olofsson, LED-teknik - LED lampan som ljus-

detektor. Uppsala Universitet, 2012.

[10] Bengt Molin, Analog Elektronik. Lund, 2001.

[11] Reinhold Rösemann, A Guide to Solar Radiation Measurement. Geng-

enbach, Messtechnik, 2nd Edition, 2011.

[12] Neil Storey, Electronics - A Systems Approach. Warwick, Coventry, 3rd

Edition, 2006.

25

[13] Uwe Zimmermann, Marta Ruth & Marika Edo�. CADMIUM-FREE

CIGS MINI-MODULES WITH ALD-GROWN Zn(O, S)-BASED BUF-

FER LAYERS. Uppsala, 2006.

26

design och framtagning av diodbaserad mätutrustning för ...539927/fulltext01.pdf · för att...

Documents