MYO-ÖS 2010- Ulusal Meslek Yüksekokulları Öğrenci Sempozyumu 21-22 EKĐM 2010-DÜZCE PĐL TEST CĐHAZI Hakan SAKAR Teknik Eğitim Fakültesi - Gazi Üniversitesi ANKARA hakan.sakar@gazi.edu.tr ÖZET Piller günlük yaşantıda önemli yeri olan atık ürünlerdir. Günümüzde kullanım yerleri çok yaygındır. Evlerde, işyerlerinde, ulaşımda ve sanayide önemli miktarda pil kullanılmaktadır. Pillerin, motorlarda, elektronik cihazlarda, saatlerde, kameralarda, hesap makinelerinde, işitme aletlerinde, kablosuz telefonlarda, oyuncaklarda v.b. yerlerde geniş bir kullanım alanı bulunmaktadır. Bunun için pillerin şarj oranını test etmemiz önemlidir. Bu uygulamada pillerin şarj durumunun gösterilmesini sağlayan pil test cihazı tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarımda mikrodenetleyici (PIC 16F877) kullanılarak gerekli yazılımla pil şarj durum bilgileri LCD ekrana iletilmektedir. Sonuç olarak kullanıcı bu cihaz sayesinde pil ömrünü görebilmektedir. Anahtar Kelimeler: Pil Test; PIC 16F877; LCD. 1. GĐRĐŞ Pillerin gelişimi, 1800 yılında Đtalyan fizikçi Alessandro Volta tarafından geliştirilen Voltaik (Voltaic) pil ile başlamıştır. Dünya çapında pil endüstrisi (2005 yılı yaklaşık değeri) 48 milyar A.B.D doları ciroya sahiptir. Pil kimyasal enerjinin depolanabilmesi ve elektriksel bir forma dönüştürülebilmesi için kullanılan bir aygıttır. Piller, bir veya daha fazla elektrokimyasal hücre, yakıt hücreleri veya akış hücreleri gibi, elektrokimyasal aygıtlardan oluşur. Literatür incelendiğinde pil ömür süresinin hatasız tahmini için araştırmacılar analitik ve deneysel modeller geliştirmiş ve bunları uygulamışlardır [1]. 1922 de Eagle-Picher depolama pil teknolojisine yönelik araştırmayı başlatmış ve kendisinin ilk pil testi tesisini kurmuştur. Başlangıcından itibaren Eagle-Picher Technologies pil test etme için yenilikçi teknolojileri piyasaya sürmeye devam etmiştir [2]. Şu anda DynaTech Ltd. Şirketi nde pil montajı ve testi elle yapılmaktadır. Üretim sürecini geliştirmek için bir otomatik pil testi veri alım sistemi geliştirilmiştir. Pil veri alım sistemi; açık devre gerilimi, yüklü gerilim ve süreklilik gibi bir alkalin pilin otomatik ölçümlerini gerçekleştirmek için National Instrument ın Pc tabanlı donanımını ve yazılımını (LabVIEW) kullanmaktadırlar [3]. Ayrıca şarj kontrol aygıtları, pilleri fazla şarjdan ve/veya aşırı deşarjdan korumak için fotovoltaik sistemlerin birçoğunun içinde bulunmaktadır. Bununla birlikte bir pilin şarj durumunu belirlemek kolay değildir. Çünkü çoğu pil sistemleri seri halinde çoklu pil hücrelerini kullanmaktadır [4]. Ayrıca ÇoklukW şarj gereksinimleri altında yüksek güçlü pilleri ölçmek için yeni bir test aleti geliştirilmiş ve iki kontrol cihazı tasarlanmış, imal edilmiş ve çalışır hale getirilmiştir. Bunlardan biri hava soğutmalı sistem(16-kw güç kapasitesi) iken diğeri su soğutmalı sistemdir(36 kw güç kapasitesi). Her iki kontrol cihazındada verileri almak ve testleri kontrol etmek için Windows 98 işletim sistemini kullanan Windows PC üzerinde çalışan National Instrument LabView 1
gerçek zamanlı yazılımını ve donanımını kullanmıştı [5]. Literatür incelendiğinde bilgisayar kontrollü otomatik pil test etme aracının geliştirilmesindeki en son aşamalar sunulmuştur. Potentiostatl Galvanostat (PST/GST) devresi, çoklu akım seviyesi ve Windows NT temelli yazılımı ile her bir istasyonu tam bağımsız çoklu kanal özelliğini kullanarak bilgisayarlı otomatik pil test etme aracı, pil testi yapmak için en gelişmiş özelliklerin birleşimini sağlamıştır [6]. Ayrıca pillerin geri dönüşümünün etkin bir şekilde yapılması önemlidir. Çünkü kullanılabilir durumdaki pillerin önemli bir miktarı garanti kapsamında geri dönmektedir [7]. Ayrıca elektrikli bir güç deposunda uygulama alanının tahmin edilmesi için, farklı çalışma koşullarındaki performansı mutlaka ölçülmeli ve değerlendirilmelidir. Otomatik bir test sistemi, ölçümün hızlandırılması ve yeniden üretilebilir ölçüm koşullarının garanti edilmesi için tasarlanmıştır [8]. Literatür incelendiğinde, bir 8098 çip mikrobilgisayarı tarafından kontrol edilen bir Depo Bataryası Performans Test Sisteminin (SBPTS) tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. SBPTS üç birimden oluşur: Şarj ünitesi, boşaltım ünitesi ve mikrobilgisayar kontrol ünitesi [9]. Çalışmada, batarya değerlendirmesi için bir akım havuzunun ve kaynak kontrolörünün tasarımı ve uygulaması tanımlanmıştır. Đki türde kontrolör tasarlanmıştır. Bunlardan biri düşük oranlardaki akımlar içindir ve diğeri de yüksek oranlardaki akımlar içindir. Kontrolörlerin çalışması, çalışmanın hem akım hem de gerilim modlarının yapılması için kontrol algoritmaları kullanılarak uygulanır. Kontrolör performansı, kontrolörlerden çıkan akımın doğru olduğundan emin olmak için ölçülen değerler ile istenen değerlerin karşılaştırılması ile analiz edilir [10]. Bu uygulamada pillerin şarj durumunun gösterilmesini sağlayan pil test cihazı tasarımı gerçekleştirilmiştir ve pillerin doluluk oranının görülmesi sağlanmıştır. Böylece pilin şarj oranı görülerek pilin mevcut durumu hakkında bilgi sahibi olunması mümkündür. 2. DEVREDE KULLANILAN ELEMANLAR 2.1. PIC 16F877 Denetleyici Microchip firması tarafından üretilen PIC16F877, dünyada kullanıma sunulmasıyla eş zamanlı olarak Türkiye de de uygulama geliştirenlerin kullanımına sunulmuştur. PIC16F877, kullanıcılarına yeni ve gelişmiş olanaklar sunmasıyla hemen göze çarpmıştır. PIC16F877 40 pinli bir mikroişlemcidir. 8 kanal / 10 Bit ADC si vardır. AdresH ve AdresL registerlerinde ADC sonuçları saklanır. Program belleği FLASH ROM olan PIC16F877 de, yüklenen program elektriksel olarak silinip yeniden yüklenebilmektedir. Özellikle PIC16C6X ve PIC16C7X ailesinin tüm özelliklerini barındırması, PIC16F877 yi kod geliştirmede de ideal bir çözüm olarak gündeme getirmektedir. Konfigürasyon bitlerine dikkat etmek şartıyla PIC16C6X veya PIC16C7X ailesinden herhangi bir işlemci için geliştirilen kod hemen hiçbir değişikliğe tabi tutulmadan PIC16F877 ye yüklenebilir ve çalışmalarda denenebilir. Bunun yanı sıra PIC16F877, PIC16C74 ve PIC16C77 işlemcileriyle de bire bir bacak uyumludur. PIC16F877 de 8 ayrı analog kanal vardır. Başka bir deyişle 8 farklı analog sinyal aynı anda takip edilebilmektedir. Şekil 1 de PIC16F877 nin pin görünümü verilmiştir. 2
Şekil 1. PIC 16F877 işlemcisinin pin görünümü 2.2. Likit Kristal Ekran (LCD) LCD (Liquid Cristal Display) paneller ilk olarak 1960 yılında kullanılmaya başlanmış ve ilerleyen teknolojiyle günlük hayatimizin bir parçası olmuş, örneğin cep telefonları, hesap makineleri, dijital saatler, CD çalarlar, ORT robotları gibi çoğu yerde bu panellere rastlamak mümkündür. LCD panelleri en basit olarak PC nizin seri veya paralel portundan ya da bir PicMicro dan (örneğin 16F84, 16F877 gibi) veri göndererek kontrol edebilirsiniz. Çeşitli satır ve karakter boyutlarında olabilirler, örneğin; 1x8, 2x8, 1x16, 1x20, 2x20, 2x20, 2x10, 1x40, 2x40 gibi ilk sayı satır sayısını ikinci sayı bir satırdaki karakter sayısını belirtir. Şekil 2 de LCD genel görüntüsü verilmiştir. Ayrıca LCD pin bağlantısı Tablo1 de görülmektedir. Şekil 2. Likit kristal ekran(lcd) 3
Tablo 1. LCD pin bağlantısı 3. TASARIM VE UYGULAMA Bu çalışmada pil test cihazı tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Şekil 3 te pil test cihazının blok diyagramı verilmiştir. Burada pilin doluluk oranı LCD ekrana PIC 16F877 kullanılarak aktarılmaktadır. Şekil 3. Pil test cihazı blok diyagramı Uygulamadaki amaç pildeki gerilimin PIC ADC kanalından okunulup LCD ekranda pil durum bilgisinin gösterilmesidir. Bu uygulama ile 0-1,5 V arasındaki gerilimler okunabilir. Bilgisayarda hazırlanan yazılım 16F877 denetleyicisine yüklenerek ekranda görülen pil durum bilgileri denetleyici yardımıyla ekrana yazdırılmıştır. Mikrodenetleyiciye (PIC 16F877) gelen analog pil gerilim bilgisi mikrodenetleyicinin ADC kısmından okunup LCD ekrandan dijital bilgi olarak görülmektedir. LCD ekrandan pilin voltaj ve durum bilgileri okunabilmektedir. Pil, pil yatağına yerleştirildiğinde pil durum bilgisi ekranda okunmaktadır. Pil durum bilgisi dolu, zayıf ve boş olarak ekranda görülmektedir. Pilden okunan gerilim 1,3 volt un üzerindeyse pil durumu dolu, 1 volt un altındaysa pil durumu boş, 1 volt ile 1,3 volt arasındaysa pil durumu zayıf olarak ekranda görülmektedir. Ayrıca devreye eklenmiş led diyotlarla da pil durumunu görebilmekteyiz. Yeşil ışık pilin dolu, sarı ışık pilin zayıf, kırmızı ışık ise pilin boş olduğunu göstermektedir. Şekil 4 te pil test cihazı devre uygulaması görülmektedir. 4
Şekil 4.Pil Test Cihazı Devre Uygulaması 3.1. PIC16F877'de ADC Modülünün Kullanımı Mikrodenetleyicilerin sadece belli değerlerlerde çıkış verebildiğini, giriş olarak ise belli bir değerin üzerini 1, altını ise 0 olarak yorumladığını bilinmektedir. Ama bazı durumlarda analog değerlere ihtiyaç duyarız. Bu değere çıkış olarak ihtiyaç duyduğumuzda bunu PWM ile hallederiz. Giriş olarak ihtiyaç duyulduğunda ise ADC modülü olan mikrodenetleyicilerin bu özelliklerinden faydalanılabilir. ADC kısaltması Analog-Digital Converter'dan gelir, Türkçe'ye analog-dijital çevirici olarak tercüme edilebilir. PIC16F877'de 8 kanallı ADC modülü bulunmaktadır, bu modüllerden 10 bitlik giriş alınabilir. Bu kanallar PIC16F877'de PORTA ve PORTE'de bulunur. ADC modülünün işlemlerinde 4 önemli yazmaç vardır. Bunlar ADCON0, ADCON1, ADRESH, ADRESL'dir. ADCON'lar A/D çevriminin kontrolünü yönetirler. ADRES'ler ise sonuçların yazıldığı yazmaçlardır. Burada bir noktayı belirtmemiz yararlı olacaktır, ADCON0 ve ADRESH yazmaçları Bank0'da bulunurken, ADCON1 ve ADRESL yazmaçları Bank1'de bulunur. Banklar doğru ayarlanmazsa program çalışmayacağı için programı yazarken buna dikkat edilmesi gerekir. 4. SONUÇ Bu uygulamada pil durum bilgisini ölçebileceğimiz pil test cihazı tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu cihaz kullanılarak pilin durumu hakkında bilgi sahibi olmamız mümkündür. Pil, pil yatağına yerleştirildiğinde pil durum bilgisi LCD ekranda görülmektedir. Bilgisayarda hazırlanan yazılım 16F877 denetleyicisine yüklenerek ekranda görülen pil durum bilgileri denetleyici yardımıyla ekrana yazdırılmıştır. Hazırlanan yazılım daha da geliştirilebilir. Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde cihaz benzer çalışmalar için uygundur. Buna benzer çalışmaların kolay ve güvenilir bir şekilde PIC ile yapılabileceği gösterilmiştir. 5. TEŞEKKÜR Bu bildiri ELK-410 Mesleki Tasarım Dersi kapsamında hazırlanmıştır. Yazarlar sağladığı katkılardan dolayı ders öğretim üyesi Doç. Dr. Ramazan BAYINDIR a teşekkür eder. 5
6. KAYNAKLAR [1] Simjee, F., Chou, P.H., Accurate Battery Liftime Estimation Using High-Frequency Power Profile Emulation. Low Power Electronics and Design, 2005. ISLPED '05 Proceedings of the 2005 International Symposium on Publication., Sayfa 307 310, 2005. [2] Girard, S.L., Thompson, R.E., Miller, G.L, New Architectures Battery Test Systems. Battery Conference on Applications and Advances, 1999. The Fourteenth Annual Digital Object Identifier: 10.1109/BCAA.1999.795979 Publication, Sayfa 129 133, 1999. [3] Lockhart, M., Clabon, L., Lott, C., James, M., Ali, W.H., Northern J., Automated Battery Tester Data Acquisitio System Using LabVIEW. Region 5 Conference, 2008 IEEE Digital Object Identifier: 10.1109/TPSD.2008.4562740, Sayfa 1 6, 2008. [4] Marwali, M.K.C., Maricar N.M., Shrestha S.K., Battery Capacity Tests Evaluation For Stand-Alone Photovoltaic Systems. Power Engineering Society Winter Meeting, 2000. IEEE Volume: 1 Digital Object Identifier: 10.1109/PESW.2000.850021, Cilt 1, Sayfa 540 545,2001. [5] Butler, P., Moya, L., Reichman, D., Ripple, R., Peterkin, F., High Power Battery Tester Development. Power Modulator Symposium, 2002 and 2002 High-Voltage Workshop. Conference Record of the Twenty-Fifth International, Sayfa 257 261, 2002. [6] Zhang, J., Piao, T., Battery Testing Facility Improving Performance. Battery Conference on Applications and Advances, 1998., The Thirteenth Annual Digital Object Identifier: 10.1109/BCAA.1998.653852, Sayfa 117 120, 1998. [7] Buchmann, I., Battery Analysis in CyberSpace. Applications and Advances, 2001. The Sixteenth Annual Battery Conference on Digital Object Identifier: 10.1109 / BCAA. 2001. 905136, Sayfa 267 268, 2001. [8] Schweighofer, B., Raab, K., Brasseur,G., Modelling of High Power Automotive Batteries by the Use of an Automated Test System. Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2002. IMTC/2002. Proceedings of the 19th IEEE Volume: 2 Digital Object Identifier: 10.1109/IMTC.2002.1007217, Cilt 2, Sayfa 1707 1710, 2002. [9] Zhi-Yong, Zhang., Shi-Fu, Wang., Chong-Zhi, Fang., Jing-Li, Kang., Storage Battery Perfformance Testing System Controlled by 8098 Chip Microcomputer Industrial Electronics, 1992., Proceedings of the IEEE International Symposiumon Digital Object Identifier: 10.1109/ISIE.1992.279671, Sayfa 598 601, 1992. [10] Lynch, W., Casacca, M., Salameh, Z., Linear Current Mode Controller for Battery Test Applications Energy Conversion, IEEE Transactions on Volume: 8, Issue: 1 Digital Object Identifier: 10.1109/60.207401, Sayfa 20 25, 1993. 6