Ultrasonic Level Meter Page in English
Ultrasonic Level Meter Page in English

Vorwort

Im Folgenden beschreibe den Aufbau und die Program­mierung eines Füllstands-Messgeräts für meinen Wasser­speicher, einer zylindrischen Zisterne stehenden Aufbaus, also mit konstanter Wasser­oberfläche. Die Fläche ist 3 m², der Inhalt 6000 L (die Füllhöhe also folglich 2 m). In der aktuellen Firmware habe ich auch andere Geo­metrien implemen­tiert, konnte sie je­doch nicht testen. Falls Sie hier Schwierig­keiten haben, kon­takt­ieren Sie mich bitte.
Die Wahl der verwen­deten Bau­teile (insbe­sondere der Controller und OPs) erfolgte nicht nur nach opti­malen Eigen­schaften sondern auch danach, was in der Bastel­kiste vor­handen war.

Verwendung

Die vorliegende Schaltung wurde entwickelt zur Mes­sung des Füll­standes einer Regen­wasser-Zisterne. Sie besteht aus zwei Baugruppen, einem Ultraschall-Ent­fernungs­messer der in der Zis­terne montiert wird (im Folgenden schlicht als "Sensor" be­zeichnet) und einer Anzeige­einheit die beide mit einem Daten­kabel ver­bunden sind.

Download

Auf der Download-Seite finden Sie alle Pro­jekt­dateien sowie einige andere Sachen, die Sie viel­leicht interes­sieren könn­ten (nein, keine Wer­bung!).

Die Bauteile im Schalt­plan sind aus­schließlich SMD-Typen (z.B. BC856), für den Laboraufbau habe ich natürlich die ent­sprech­enden be­drahteten Ver­sionen (BC556) ein­ge­setzt, die ge­nauso funk­tionieren.

Bevor Sie anfangen, mit der Schaltung Spaß zu haben, lesen Sie bitte auch den Abschnitt Si­cher­heit am Ende dieser Seite!

Zum Erstellen der Soft­ware be­nö­tigen Sie das kosten­lose Atmel AVR-Studio (vor­zugs­weise Version 6.1).

Werfen Sie auch einen Blick auf die Photos meines Prototypen, die vielleicht einige Fragen klären.

Für den ersten Prototyp (Version 1.0) ver­wendete ich einen ATmega162 für das Display, den ein­fachsten Controller mit zwei USARTs. Eine professionell gefertigte Leiter­platte war damals noch nicht ange­dacht. Die aktuelle Version 2.0 ver­wendet einen ATmega128, der viel mehr Möglich­keiten bietet, eine Menge mehr Gimmicks und Spaß erlaubt und dessen Mehr­kosten im Gesamtsystem nicht auffallen.

Sensor

Sensor

Der Sensor be­nutzt einen re­la­tiv kle­inen Con­trol­ler vom Typ ATtiny 2313. Um seine Kapa­zität nicht un­nötig zu for­dern ist die Firm­ware in Assemb­ler ge­hal­ten (schließ­lich wol­len wir auch das nicht ganz ver­gessen, oder?). Alle Be­rech­nungen wer­den in der An­zeige­einheit durchgeführt, die in C pro­gram­miert ist. Auch die Ver­sorgungs­span­nung des Sensors wird von dieser fern­geschaltet. Energie­verbrauch ist da­her nur am Rande ein Thema da er nur solange einge­schaltet ist wie er auch wirklich "ar­beiten" muss (in der ak­tuellen Version maximal 10 s pro Minute).

Das bedeutet aber auch, dass er sich keine Werte im RAM merken kann. Alles was er dauer­haft wissen muss ist folglich im EEPROM abgelegt. Bis zum ak­tuellen Soft­ware­stand muss er sich glücklicher­weise *nichts* merken.

Anzeige

Display

Die Anzeige­einheit ver­wendet einen ATmega128 mit eben­falls 3.6864 MHz. Dieser wurde gewählt weil er zwei serielle Schnitt­stellen hat, eine zur Mess­ein­heit und eine zu einem PC (RS232) oder zu einem even­tu­ellen Home-Bus (RS485). Ab Version 2.0 ist auch ein Bluetooth-Modul vor­ge­sehen. Als Baudrate wurde 9600 Baud gewählt. Diese ist zwei­fel­los aus­rei­chend für die Messung des Wasser­standes einmal pro Minute aber auch für weitere denk­bare Aufgaben, etwa der Ab­frage von Strom- oder Was­ser­zählern oder dem Schal­ten von be­lie­bigen Ver­brau­chern, aber dies ist eine an­dere Ge­schichte...

Bootloader

Ein Bootloader wurde imple­men­tiert um die Firm­ware des Sen­sors vom Dis­play aus up­daten zu kön­nen.

Leistungsaufnahme

Ein Hinweis zur Leistungs­aufnahme des Systems sei an dieser Stelle erlaubt:

Durch die Ver­wen­dung eines Schalt­reglers konnte die Ver­lust­leis­tung des Con­trol­lers samt Hinter­leuch­tung des Dis­plays erheb­lich ge­senkt wer­den (ver­glichen mit Linear­reglern à la 78xx). Ein Ab­senken der Controller-Versor­gung auf 3.3 V könnte dann nochmal etwas Leis­tung ein­sparen. Je­doch be­nö­tigt das ver­wendete Dis­play zwingend 5 V. Ins­gesamt kommt das System damit jedoch (selbst mit per­ma­nen­ter LCD-Hinter­leuchtung) auch so noch immer nicht über die magische 2 W-Marke des Conrad-Energy­meters hinaus.

Mit einem anderen, bil­ligen Leistungs­mess­gerät (wirk­lich zuver­läs­sige stehen mir lei­der nicht zur Ver­fü­gung) wurden folgende Daten ermit­telt, die jedoch ziem­lich plau­sibel klin­gen:

Leerlauf: Sensor aus, ohne Be­leuch­tung1.5 W
Während der Messung, Beleuchtung aus2.0 W
Mit Beleuch­tung 100%, Sensor aus2.9 W

Pro Jahr entspricht dies etwa 13 kWh oder €3,30 (bei 25 Cent/kWh), permanente Beleuchtung verdoppelt in etwa diesen Wert.

Ein Taster wurde eingeplant um die Hinter­leuch­tung des Dis­plays nur bei Bedarf zu akti­vieren. (Ein langer Tasten­druck erlaubt die Um­schal­tung zwi­schen per­manen­ter und akuter Hinter­leuchtung). Zusätz­lich erlaubt er das rasche Durchschalten der An­zeige und die Anzeige von Wer­ten die, man­gels Rele­vanz, sonst nicht auf dem Dis­play er­schei­nen.

Überraschen mag der hohe Ver­brauch der RS485-Schnitt­stellen. Wenn beide Sende­treiber einge­schal­tet sind und knapp 5 V in die mit 2x120 Ω ter­mi­nier­ten Lei­tungen trei­ben sind das je­weils 83 mA pro Lei­tung oder gut 0.8 W (etwa so viel wie die Hinter­leuch­tung des Dis­plays!).

Bei kurzen Leitungen und ohne oder mit nur kurzen Stich­leitungen kann man auch auf die Termi­nierung verzichten. Im Zwei­fels­falle hilft auspro­bieren... Sehen Sie auch hier.

Was den Wirkungsgrad des DC/DC-Konverters betrifft habe ich etwa 77% gemessen (bei externer Einspeisung von 15 V= und einer Last von 500 mA an 5 V). Das ist kein außerordentlich guter Wert aber für einen betagten Regler ohne Synchron­gleich­richtung durch­aus akzeptabel. 2 W Nutzleistung verursachen grob 0.6 W Verluste was pro­blem­los ohne Kühl­körper machbar ist.

Praxis

Erste Versuche im Labor haben gezeigt, dass auch relativ kleine und "glatte" Objekte (etwa der eigene Arm, Vorhänge am Fenster oder die Knick­gelenke eines Meter­stabes, obwohl fast paral­lel zur Schall­richtung) Reflexionen erzeugen die weiter entfernte Ob­jekte über­lagern. Das Echo eines kleinen Fingers in 40 cm Entfernung ist eben genauso real wie das der Wasser­oberfläche in 3 m Entfernung und lässt sich schwer davon unterscheiden. Umso beein­druckender waren die ersten Mes­sungen in der Zisterne, als ich liter­weise(!) die Wasser­entnahme ver­folgen konnte. Es bleibt ab­zu­war­ten, wie bei nied­rigem Wasser­stand Objekte inner­halb der Zisterne (etwa die Steig­stufen oder der Saug­schlauch) die Mes­sung stören werden. Die er­sten Ver­suche stimmen mich zuver­sicht­lich.

In­zwi­schen hat sich gezeigt, dass auch die fast leere Zi­ster­ne noch kor­rekt ver­messen wird.

Probleme

Spinnen. Spinnen können zum Problem werden. Nach ca. einem Jahr störungs­freiem Be­trieb zeig­te das Dis­play plötz­lich nur noch "Haus­num­mern".
Es zeigte sich, dass der Sen­sor in einem Spin­nen­netz von der Größe des Zis­ter­nen­deckels ver­schwun­den war. Selbst die Be­festigungs­schnur war ein­seitig ge­ris­sen (im Spin­nen­netz, mit seltsam brau­nen Enden). Eine schwar­ze Mon­ster­spin­ne saß am Rand des Zis­ternen­deckels. Ich ken­ne mich mit Spin­nen­mimik nicht so gut aus aber ich denke es war ein ver­le­genes Grin­sen... Nun, viel mehr konnte sie mir auch nicht mehr er­zäh­len...

Feuchtigkeit ist das nächste Problem. Obwohl der Sensor noch einwand­frei funk­tioniert (also keine Feuchtig­keit einge­drungen sein dürfte) war er (im Sep­tember) außen komp­lett nass und alle Eisen­schrauben waren stark verrostet. Die aufsteigende Feuchtig­keit des (zumindest im Winter) relativ warmen Zis­ter­nen­was­sers ist dafür ver­ant­wortlich. Also für alle der Um­gebung aus­gesetz­ten Schrauben, Be­festigungs­haken oder -Seilen un­bedingt Edel­stahl oder Nylon verwenden.

Die Ultraschall­sender und -Empfänger sehen auch nicht mehr neu­wertig aus aber funk­tionieren noch im­mer pro­blem­los.

Sicherheit

Isolation

Das Display wird direkt mit 230 V~ ver­sorgt. Tren­nen Sie die Netz­ver­sor­gung all­po­lig bevor Sie an der Schal­tung ar­bei­ten. Hal­ten Sie in Ihrem Lay­out genug Iso­la­tions­abstand zwischen der Pri­mär- und der Se­kundär­seite des Transfor­mators und den damit ver­bun­denen Tei­len (mindes­tens 8 mm). Wenn Sie sich für die fer­ti­gen Lei­ter­platten ent­schei­den habe ich das für Sie getan. Für Ver­suche an der Schal­tung, verwenden Sie nicht 230 V als Ver­sor­gung son­dern speisen Sie (15..30) V= di­rekt nach dem Gleich­rich­ter aus ei­ner si­cheren Quel­le ein (also über TP2/TP4).

Sicherungen

Der Trans­for­ma­tor ist nicht kurz­schluß­fest. Um alle Vor­schrif­ten einzu­hal­ten, der Her­stel­ler hat mir dies auf Nach­frage be­stä­tigt, muss er sowohl primär- als auch se­kundär­sei­tig abge­sichert wer­den. Die se­kun­däre Si­cher­ung ist auf dem Trafo an­ge­ge­ben und muss 250 mAT sein. Sie stellt sicher, dass der Trafo auch bei Über­last ge­schützt ist. Als primär­seitige Sicherung habe ich 100mAT ge­wählt. Sie schützt gegen Feh­ler im Trafo und 'fliegt' bei einem Kurz­schluß in der Pri­mär­wick­lung. Setzen Sie hier unbe­dingt eine Si­cher­ung mit Lösch­mittel­fül­lung (un­durch­sich­tig, mit Sand­fül­lung) ein da diese ein erheb­lich hö­heres Ab­schalt­ver­mögen auf­wei­sen. Wäh­rend nor­male (durch­sichtige) Glas­si­cherungen nur 35A Ab­schal­ten kön­nen (bei höheren Kurz­schluss­strö­men kann ein Licht­bo­gen ent­stehen der nicht von selbst ver­löscht und die Si­cherung da­mit über­brückt) liegt das Ab­schalt­ver­mögen lösch­mit­tel­gefül­lter Si­cher­ungen bei typisch 1500 A. Bei einem di­rekten Kurz­schluss zwi­schen Phase und Neutral­leiter (so unwahr­schein­lich er auch schei­nen mag) muss man locker mit ei­nigen 100 A rech­nen!

Copyright

Die Schaltung und die Software wurden von Grund auf von mir entwickelt und ich be­an­spruche da­für das Copy­right. Ich ver­öf­fent­liche den Schalt­plan un­ter der FDL und die Sourcen un­ter der GPL. (ab­wei­chende Li­zen­zen auf An­frage.)

Vereinfacht heißt das, Sie können die Schal­tung und die Soft­ware beliebig nutzen und weiter Ver­breiten, unent­gelt­lich oder gegen Ent­gelt, so­lange Sie mich als Ur­heber aus­wei­sen und even­tuelle Än­derungen als die Ihren kennt­lich machen. Außer­dem müssen Sie Schal­tung und Soft­ware wie Sie sie ver­wenden weiter­hin frei und im Quell­code öffentlich zu­gänglich machen.

Die Bilder der Formeln wurden mit latex2png erzeugt.

Bezugsquellen

Die verwendeten Bauteile sind prin­zipiell nichts unge­wöhnliches und Sie kön­nen sie bei di­ver­sen Händ­lern be­ziehen. Allerdings ver­mut­lich nicht al­le bei einem. Ver­sand­kosten und Minder­mengen­zu­schlä­ge kön­nen mö­glicher­weise den Wert ein­zelner Be­stel­lungen über­stei­gen. Ich habe viele Bau­teile bei Reichelt be­stellt, der Rest war ein­fach bei uns im La­ger.

In der Stück­liste habe ich für je­des Bau­teil einen Di­stri­butor samt Be­stell­num­mer ange­geben. Es mag nicht unbe­dingt der bil­ligste sein aber es ist zu­min­dest ein An­fangs­wert.

Mein Ar­beit­geber, die Bär Industrie-Elektronik GmbH hat sich freund­licher­weise bereit erklärt, die un­bestückten Leiter­platten oder wahl­weise die kom­plett be­stückten und geprüften Bau­grup­pen samt unbe­arbeiteten Ge­häusen zur Ver­fügung zu stel­len. Hier der Link: Usdist Bau­satz
In­zwischen ist auch si­cher, das Ge­häuse des Dis­plays wird von Heiden­reich profes­sionell be­arbei­tet, Sie müs­sen also das Dis­play nicht selbst aus­sägen!
Die ersten bearbei­teten Ge­häuse sind auch schon einge­trof­fen und passen per­fekt.
Die Firma Heiden­reich hat sich hier sehr ko­operativ gezeigt und die Fer­ti­gung der Serie mit mini­malen Ini­tial­kosten auch bei ge­ringen Stück­zahlen ermög­licht.

Bitte be­achten Sie auch hier, es han­delt sich um ein Hobby­projekt. Ga­ran­tie er­streckt sich nur auf die Funk­tion der Bau­grup­pen, nicht auf die Ver­wend­bar­keit in einem speziel­len An­wen­dungs­fall, die auch ich Ihnen lei­der nicht ga­ran­tieren kann.

Ich freue mich auf Rück­meldungen, kon­struk­tive Kri­tik und Ver­bes­serungs­vorschläge, kann Ihnen je­doch leider nur Sup­port gewähren soweit es meine Frei­zeit er­laubt. Bitte haben Sie dafür Ver­ständnis! Ich tue was ich kann.