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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Welcher Mikrocontroller+Zusatzhardware für die folgende Projektarbeit?


Autor: Vladimir Zirin (pg-esw-08)
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Hallo. Wie viele solcher Anfragen anfangen möchte wir auch zunächst 
erwähnen, dass wir Anfänger sind, was die Mikrocontroller angeht.
Unser kleines Grüppchen macht eine Projektarbeit zum Thema 
Energiemonitoring. Wir müssen nun unserere Ergebnisse auf eine kleine 
Schlatung übertragen. Und zwar geht es folgendes:

Es wird eine Steckdosenleiste an die, wer hätte es gedacht, Steckdose 
(~230V) angeschlossen. An die Steckdose kommen Verbraucher. Wir messen 
Spannung und Strom und analysiieren das Spektrum. Für uns sind die 
ersten 10 Harmonischen (also die ersten 10 vielfachen der Grundfrequenz, 
50 Hz, 100 Hz, 150 Hz ... 500 Hz) interessant. Das errechnen wir zZ mit 
Matlab mittles der FFT. Durch u.a. dieser Analyse erhoffen wir uns die 
einzelnen Verbraucher aus einer Summenmessung unterscheiden zu können. 
Nu geht es darum das ganze auf der Mikrocontrollerebene zu realisieren. 
Uns wurde der ATmega 60 bzw 128 empfohlen, bzw nutz einen solchen 
Controller ein mit uns im Zusammenarbeit steher Lehrstuhl. Unsere Frage 
wäre eben, was man alles an Hardware dazu bräuchte und ob der ATmega die 
FFT ohne Schwierigkeiten schafft. Also noch einmal:

Eingang:
Spannung 220V (muss runtertransformiert werden)
Strom (mittels einer Stromzange in Spannung transformiert)
FFT der beiden Messsignale->Betrag der ersten 10 Harmonischen, 
Phasenwinkel zwischen Strom  und Spannung.
Die Messungen der einzelnen Verbraucher werden gespeichert.

Ausgang:
Der identifizierter Verbraucher: Bezeichnung (zB 001 für TV) und 
aktueller Verbrauch.

Würde uns sehr über Tipps freuen :)
Gruß
PG TU Dortmund

Autor: crazy horse (Gast)
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hm 10.Oberwelle..., dann brauchst du eine wieviel-Punkte-FFT?? Mind. 
8192, oder? Weiss ich jetzt nicht genau. Aber selbst das dürfte schnell 
die RAM-Kapazitäten überfordern. Mit 8bit-Auflösung wird das gnaze 
wahrscheinlich auch nichts sinnvolles -> schwups hat sich der RAM-Bedarf 
verdoppelt.
Ich würde da eher in Richtung 16/32bit-Controller gehen. Noch besser 
DSP, falls es auch auf die Rechenzeit ankommt.
Mal zum Vergleich, 2048-Punkte-Integer-FFT auf einem M16C mit 24MHz 
dauert rund 1,5s, ziemlich optimierter Code.
Denk an ausreichend RAM, nur mit internem Speicher wird das i.a. nichts.

Autor: Kai G. (runtimeterror)
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@ crazy horse

Also einer von uns liegt jetzt komplett falsch...

Ich tendiere eher zu einem ATmega16 oder ATmega32 - z.B. in einem 
STK500.
Der Speicherbedarf für die FFT ist lächerlich:

Fensterdauer liegt bei
1 / 50 Hz = 20 ms
Fenstergröße liegt bei achtfacher Überabtastung der höchsten Frequenz 
(ist eigentlich schon viel zu viel) bei
500 Hz * 20 ms * 8 = 80 Samples

Bei einer 16-Bit-Speicherung von Strom und Spannung liegen wir damit bei 
320 Bytes. Über die Rechenzeit brauchen wir dabei gar nicht reden - der 
Controller wird sich zu Tode langweilen.

Oder habe ich was übersehen?

Autor: breakpoint (Gast)
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>Oder habe ich was übersehen?

Ja, dass sich nicht jeder mit Signaltheorie und Algorithmik auskennt. 
Wenn man weniger denken will, nimmt man einfach einen Großrechner.

Autor: Sigint 112 (sigint)
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@Vladimir:
   Das Projekt hört sich wirklich interesannt an. Mich würde es zwar 
wundern, wenn man reproduzierbare Ergebnisse erhält (dafür sind z.B. 
verschiedene TV-Geräte zu unterschiedlich aufgebaut), aber vielleicht 
hat das ja doch Erfolg. Folgende Seite könnte weiterhelfen: 
http://elm-chan.org/works/akilcd/report_e.html
Mich würden die Ergebnisse mal interessieren, falls diese veröffentlicht 
werden.

Gruß,
  SIGINT

Autor: Kai G. (runtimeterror)
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Ich finde das Projekt auch sehr interessant. Ich gehe wie Sigint auch 
nicht davon aus, dass eine eindeutige Unterscheidung möglich ist, aber 
auf die Messreihen bin ich trotzdem gespannt!

Autor: Vladimir Zirin (pg-esw-08)
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Das mit dem Ram ist ne gute Frage. Die FFT von der Spannnung wird man 
sich wohl sparen können. Das interessante ist der Strom. Über den 
Speicherbedarf habe ich mir wirklich noch nicht so viele Gedanken 
gemacht. Na ja, es ist eher der Auswertungsalgorithmus, der dahinter 
steckt, nicht einfach nur die Ergebnisse der FFT g Den müssen wa noch 
ausarbeiten. Die Analye mit Matlab geht ganz gut vorran. Wir wollen auch 
nicht gleich mit komplizierten Geräten anfagen. Zudem ist das schon so 
aufgebaut, dass man durchaus reproduzierbare bzw nützliche Sachen 
erhält. Auf der Hannovermesse gab es schon Ansätze, aber in einem viel 
zu uninteressanten Ausmass.
Wir melden uns natürlich, falls das Erfolg hat und veröffentlich wird. 
Es ist ne Arbeit von drei Lehrstuhlen und ist schon ein wenig breiter 
ausgelegt.
Bisher haben wir für die Abtastung den Oszilloskop mit Fs=10KHz genutzt. 
Die Abtastfrequenz sollte ja min. das doppelte der vorkommenden Frequenz 
betragen. Es gibt insgesamt 50 Harmonischen, wovon wir die ersten 10 
brauchen. Entweder muss man das ganze cutten oder mit min. 5KHz 
abtasten. Eine Sekunde liefert bereits 10000 Werte. Na ja, eigentlich 
müssen wir das noch kürzer als eine Sekunde betrachten, besonders für 
Geräte wie eine Lötstation oder eben el. Heizgeräte. Das mit dem 
Speicher ist echt eine gute Frage.

Autor: Kai G. (runtimeterror)
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>Eine Sekunde liefert bereits 10000 Werte.

Die Grundfrequenz beträgt aber konstant 50 Hz, weshalb es völlig 
ausreicht 10000 / 50 = 200 Werte zu speichern und diese 50 mal pro 
Sekunde auszuwerten.

Wenn ihr immer 10000 Werte am Stück nehmt verlagern sich zu viele 
Signalinformationen in die höheren Obertöne, die ihr aber nicht 
auswerten wollt/sollt.

Ihr müsst ohnehin einen Tiefpass vorschalten. Den kann man bei bekanntem 
Frequenzgang (was er für euer Projekt haben sollte) evtl. auch noch was 
enger ziehen und die Dämpfung der Oberwellen im Ergebnis wieder 
rausrechnen. Damit könnte man das Signal bei Bedarf noch langsamer 
abtasten und den Speicherbedarf weiter reduzieren.

Über die FFT würde ich mir keine Sorgen machen.

>Der identifizierter Verbraucher: Bezeichnung (zB 001 für TV) und
>aktueller Verbrauch.

Das stelle ich mir kniffliger vor und ich empfehle das zuvor auf einem 
Rechner mit genug Freiheiten (RAM und CPU) auszutesten. Hier kann ich 
zumindest den Resourcenbedarf nicht abschätzen, weil ich den Algorithmus 
nicht kenne. Bei der FFT ist das einfacher. Ihr solltet zum Testen des 
Erkennungsalgorithmus auf jeden Fall dieselbe FFT wählen wie die, die 
später auf dem Mikrocontroller implementiert wird, sonst fangt ihr u.U. 
nochmal von vorne an.

>Die FFT von der Spannnung wird man sich wohl sparen können.
Wie wollt ihr dann den oben erwähnten Phasenwinkel zwischen Strom und 
Spannung bestimmen (den ich im Übrigen besonders interessant finde)?

Schöne Grüße
Kai

Autor: Vladimir Zirin (pg-esw-08)
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Stimmmt, mit 200 Werten und 50 Mal pro Sek auswerten ist eine gute Idee. 
Wir müssen ohnehin öfter als ein Mal pro Sekunde auswerten.
Das mit dem Phasenwinkel ist mir vorhin entfallen, sollte nicht posten, 
wenn ich müde bin.
D.h. es werden 50 Mal pro Sek zwei FFTs ausgeführt. Den Speicherbedarf 
könnte man doch gut drücken bei der Spannungsfft, da interessiert uns ja 
nur die Phaseninformation.
Gut, wir werden erst einmal weiter an dem Algorithmus arbeiten, dann 
könnte man auch eher abschätzen, was alles gebraucht wird.
Danke für die Tipps.

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Kai Giebeler wrote:
> Ich finde das Projekt auch sehr interessant. Ich gehe wie Sigint auch
> nicht davon aus, dass eine eindeutige Unterscheidung möglich ist, aber
> auf die Messreihen bin ich trotzdem gespannt!

Sehe ich auch so.

Man kann höchtens die Verbrauchertypen unterscheiden, aber weniger am 
Spektrum, sondern eher an Stromverlauf und Phasenwinkel.

Z.B. ohmsche Last, induktive Last, kapazitive Last, Graetzbrücke mit 
Elko, Schaltnetzteil mit oder ohne PFC, Phasenanschnitt.

Der Stromverlauf läßt sich zwar indirekt über das Spektrum ermitteln, 
ist aber erhöhter Rechenaufwand.


Es gibt aber Überlegungen, in den Geräten Modulatoren einzubauen, die 
einen digitalen Code versenden können. Dabei geht es darum, den Gewinn 
der Energieversorger zu steigern (Verbraucher kauft Zusatzgeräte für 
Lastverteilung oder zahlt mehr).


Peter

Autor: Vladimir Zirin (pg-esw-08)
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Ihr denkt teilweise ein wenig zu weit nach vorn. Ist aber nicht schlimm. 
Wir können leider nicht all zu viel verraten, aber es sollte machbar 
sein ;)

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