Ausgabe 23, September 1998

JUGEND FORSCHT

Winddatenlogger- Wie wähle ich den richtigen Standort?
Von Sebastian Valouch


Windanlagenbauer stehen immer wieder vor dem gleichen Problem: Nachdem man nun endlich ein paar Flecken gefunden hat, bei denen keine Straßen, Hochspannungsmasten oder Einflugschneisen den Bau einer Windkraftanlage sowieso unmöglich machen, fällt nun die Entscheidung schwer. Welcher Standort bringt mir denn nun wirklich den meisten Wind übers Jahr verteilt?

Um diese Frage zweifelsfrei zu klären werden Winddatenlogger eingesetzt. Winddatenlogger sind Geräte, die auf einem hohen Mast das ganze Jahr nichts anderes machen als die Windgeschwindigkeit zu messen und in Intervallen abzuspeichern.

Dabei werden Geräte eingesetzt, deren Stromversorgung mit Lithiumbatterien gesichert wird, die alle paar Jahre ausgewechselt werden müssen. Um das zu vermeiden haben wir uns ein System ausgedacht, wo die Sonne die Energie liefert und den Batterietausch unnötig macht. Unser System haben wir als Jugend forscht Arbeit auf dem Regionalwettbewerb Nordbaden vorgestellt und sind dort auch prompt mit einem Sonderpreis zum Thema Energietechnik belohnt worden.

Elektronik

Am Anfang der Entwicklung waren natürlich große Hürden zu überwinden, bis wir uns an den eigentlichen Aufbau machen konnten. So mußten wir uns erst einmal darüber klar werden, welche Art von Speicher wohl am geeignetsten wäre. Nach längerem Suchen fanden wir , daß die seriellen EEPROMs der 24CXXX-Serie mit I²C-Schnittstelle, durch ihre geringe Größe und äußerst geringen Stromverbrauch wohl das beste für unsere Anwendung wären. Um einen möglichst langen Meßzeitraum zur Verfügung zu stellen, wählten wir den Baustein mit der höchsten Kapazität von 256 kbit und gleichzeitig geringsten Stromverbrauch, den AT24C256-1.8 von Atmel. Doch mit dem Speicher allein ist die Sache ja nicht getan, ein "Computer" mußte also her, der die Impulse vom Meßwerk zählt, den Durchschnitt pro Zeitintervall bildet und diesen Wert dann in das serielle EEPROM überträgt. Zudem muß der "Computer", oder treffender Controller die gespeicherten Daten bei Bedarf an einen PC über eine serielle Schnittstelle weitergeben. Also begaben wir uns auch hier auf die Suche nach einem kleinen und stromsparenden Chip. Und wir wurden wieder bei Atmel fündig. Der 89c2051 schien für diese Aufgabe wie geschaffen. Mit nur 20 Pins und wenige mA Stromverbrauch bei einem weiten Spannungsbereich von 2.7V-6.0V war der 8051-kompatible Controller genau das Richtige. Um allerdings mit dem PC zu kommunizieren war noch ein dritter Chip nötig, der Schnittstellenkonverter. Wir setzten hierbei den MAX3223 ein, da der Baustein bereits mit 3.0V eine RS232C-Schnittstelle bilden kann.

Doch Bausteine ohne Strom sind natürlich sinnlos, die Stromversorgung mußte her. Durch den Einsatz von Bauteilen mit weitem Spannungsbereich (2.7V-6.0V) konnten wir auf eine Spannungsregelung gänzlich verzichten. Auch eine Laderegelung haben wir weggelassen, es wurde lediglich mit einem Strombegrenzungswiderstand eine Überlastung der Akkus verhindert.

Mechanik

Prinzipiell war an der Mechanik nichts besonderes. Ein wasserdichtes Gehäuse, in dem sich eine kugelgelagerte Welle, die Stecker für Solarmodul und serielle Schnittstelle sowie natürlich die Elektronik einschließlich Batterie befindet. Dabei trägt die Welle einen Kunststoffzylinder, in den Magneten mit Epoxydharz eingeklebt wurden. Diese Welle wird von einem Schalenkreuz angetrieben, wodurch die Drehzahl, und damit die Impulsfrequenz, proportional zur Windgeschwindigkeit ist. Ursprünglich war geplant, die Platine noch mit Silikon zu überziehen, der besseren Vorführbarkeit halber haben wir aber darauf verzichtet. Doch leider gestaltete sich die Herstellung des Gehäuses nicht so einfach und problemlos wie geplant und verschärft wurde das ganze noch durch den extremen Zeitdruck, denn wir hatten uns erst im Januar ans Gehäuse gemacht, während im Februar der Vorführungstag war. Also konnten wir nicht lange experimentieren und bauten auf die Erfahrung unseres Werkstattlehrers Herrn Schönwald. Ihm gelang es in Rekordzeit die Kugellagerflansche zu entwerfen und zu drehen. Auch bei kleineren Fräsarbeiten, die am Gehäuse noch notwendig waren (Aussparungen für Stecker, Wegfräsen störender Kanten) konnten wir zum Glück immer auf seine Hilfe bauen. Unseren Dank an dieser Stelle.

Software

Die Software, der Kern des Ganzen, war ebenfalls eine Odyssee. Da wir keinerlei Erfahrung mit Microcontrollern hatten, war es nötig, sich innerhalb weniger Monate die wichtigsten Funktionsweisen anhand verschiedener Bücher und vor allem Online-Dokumenten klarzumachen. Da der sehr beschränkte Speicherplatz von nur 2 kbyte Programmspeicher effektiv ausgenutzt werden mußte, mußte das gesamte Programm in Assembler, also maschinennaher und damit kryptischer Sprache geschrieben werden. Auch hier wurden wir zum Glück von verschiedenen Leuten der Elektronik-Newsgroups unterstützt. So stammt die Routine zur Ansteuerung des Speichers von Roland Wundig, der mir auch half, sie für den 24c256 anzupassen. Zum Glück hatten wir aber durch den Einsatz eines Universalprogrammiergeräts (hed.chip von Höpping Elektronik Design siehe auch eigener Artikel in dieser Ausgabe) die Möglichkeit sowohl den 89c2051 als auch das EEPROM ganz nach Belieben zu beschreiben/auszulesen. Manchmal haben wir innerhalb von 10 min den Controller 5 mal neu programmiert, um danach festzustellen, das nur ein klitzekleiner Programmfehler an einer anderen Stelle der wahre Grund für die Fehlfunktion war.

Die Funktionsweise der Software dagegen ist schnell erklärt: Der Controller zählt alle Impulse, die während eines Intervalls von 10 sec eintreffen, zusammen und mittelt dann diesen Wert in einem Intervall von 10 min. Nach dieser Zeit wird der Mittelwert aus 10 min nun in das EEPROM geschrieben. Wenn keine Impulse eintreffen, setzt sich der Controller in einen Ruhemodus, in dem er sehr wenig Strom verbraucht. Trifft ein Impuls ein, "wacht" der Controller sofort wieder auf. Wird allerdings ein Knopf an der seriellen Datenleitung gedrückt, so liest der Controller alle Daten aus dem EEPROM aus und sendet sie durch die RS232-C Schnittstelle zum angeschlossenen PC.

Auch der PC benötigt natürlich eine Software, die sowohl die Daten vom Gerät empfängt, als auch in ein gebräuchliches Datenformat umwandelt. Zusätzlich zeichnet die Software jeden 100ten Wert in ein Schaubild ein, so daß man sich bereits beim Herunterladen einen ersten Eindruck von den gelieferten Daten machen kann.

Um die Bedienung des Geräts einfach zu machen wurde das PC-Programm mit Visual Basic realisiert, so daß der Anwender mit einer einfach zu bedienenden Windowsoberfläche arbeiten kann. Die spätere Endauswertung kann z.B. mit Excel erfolgen.

Vorführung

Das Meßgerät wurde von Jochen Kieser (Programmierung der PC-Software) und Sebastian Valouch (Entwurf und Bau des Meßgerätes) entwickelt. Jochen Kieser ist in der 10. Klasse des Leibniz-Gymnasiums in Östringen und Sebastian Valouch ist am technischen Gymnasium in Bruchsal in der 11. Klasse.

Wir haben unser Projekt erfolgreich beim Regionalwettbewerb Nordbaden in Mannheim vorgestellt und dabei wie erwähnt einen Sonderpreis gewonnen. Leider hatten wir durch Kabelbruch (Kabel vom PC zum Meßgerät) keine Möglichkeit, der Jury einen vollständigen Datentransfer zu zeigen. Desweiteren haben wir im Rahmen der Jugend forscht AG Bruchsal unser Gerät auf mehreren Veranstaltungen vorgestellt.

Danksagung

Wir möchten folgenden Personen/Firmen unseren besonderen Dank aussprechen. Ohne die Unterstützung aller wäre das Projekt sicher zum Scheitern verurteilt gewesen:

Fa. Höpping Elektronik Design ... schenkte uns die 24c256, sowie viele nützliche Tips für den 89c2051
Fa. Lehnert Solar- und Modellbau ... gab uns Rabatt auf die Solarmodule und Kugellager.
Fa. Dech Fenster- und Rolladenbau ... schenkte uns das Schalenkreuz
Herr Schönwald ... hat uns bei der Mechanik geholfen und viele Stunden seiner Freizeit mit uns in der Werkstatt verbracht
Herr Dörflinger ... kaufte für uns das Universalprogrammiergerät und half uns in seiner Funktion als Rektor, wo er konnte
Herr Wundig ... seine I²C-Routinen ersparten uns eine Menge Ärger
Herr Höpping, Geschäftsführer der Firma Höpping Elektronik Design
Herr Dahm half uns bei der Auswahl der richtigen Akkus

Und allen Newsgroup-Benutzern, die meine teilweise primitiven Fragen beantwortet haben.

Zukunft

So komisch es auch klingen mag, aber wir haben dieses Projekt mittlerweile komplett auf Eis gelegt. Das hat mehrere Gründe: Zum einen ergab eine Anfrage bei der Firma Maywind, daß ein ähnliches Gerät dort bereits im Prototypstatus vorhanden sei, zum anderen wollten wir ein neues Projekt beginnen und nicht mit einer alten Idee stecken bleiben.

Zumal wir dazugelernt haben: Eine genauere Recherche ergab, das andere Microcontroller als der 89c2051 für Meßanwendungen mit äußerst geringem Stromverbauch wesentlich geeigneter sind.

Angesichts der guten Erfahrungen mit dem Einsatz von Microcontrollern wollen wir nun ein anspruchsvolleres Projekt in Angriff nehmen, wir möchten einen Miniroboter mit nur 16 cm Länge und 10 cm Breite bauen. Dieser soll dabei modular aufgebaut werden, so daß je nach Anwendung verschiedene Platinen mit Sensoren oder Funkmodulen auf die Grundplattform aufgesteckt werden können. Wir suchen dazu übrigens noch Sponsoren.

Förderzentrum

10 Schüler von verschiedenen Schulen im Umkreis haben sich in einer Jugend forscht Arbeitsgemeinschaft organisiert, die im Moment dabei ist, ein regelrechtes Zentrum für Jugend forscht Interessierte auf die Beine zu stellen. Es soll das Zusammenspiel von Schülern, Kontaktpersonen mit Know-How, Schulen, Lehrern und natürlich Firmen gefördert werden, da viele Ideen durch Probleme bei der Umsetzung, die für andere Leute zum Tagesgeschäft gehören, einfach verloren gehen oder schon im Planungsstadium aufgegeben werden. Deshalb wurde das BJFZ (Bruchsaler Jugend forscht Förderzentrum) ins Leben gerufen. Es werden natürlich Interessenten gesucht, seien es Personen mit besonderen Kenntnissen (Elektronik, Biologie, Maschinenbau, ...), die bereit sind, ab und zu ein paar Fragen von Schülern zu beantworten, oder Firmen, die mit ihrem Sponsoring (egal ob auf Wissens- Produkt-, oder Geldebene) innovative Projekte unterstützen möchten.

Melden kann man sich bei:

Sebastian Valouch
Wilhelm-Furtwängler-Str.1
76684 Östringen

Tel: 07253/22077
e-mail: sebastian.valouch@gmx.de


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