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.

Methoden

Wie könn­te man den In­halt der Zis­ter­ne mes­sen?

• Wiegen: man könn­te die Zis­ter­ne kraft­iso­liert auf ei­nem Wä­ge­sen­sor mon­tie­ren. Die­se Me­tho­de wür­de zwar tat­säch­­lich den In­halt der Zis­ter­ne be­stim­men kön­nen, schei­det je­doch we­gen des irr­sin­ni­gen nö­ti­gen Auf­wan­des voll­kom­men aus.
• Messen von Zu­lauf und Ab­lauf: eben­falls kei­ne schlech­te Idee, hat je­doch den Nach­teil ei­ner Drift falls Zu­lauf- und Ab­lauf­mes­ser nicht 100%ig ge­nau sind. Da spe­zi­ell der Zu­lauf (wo auch mal Blät­ter, Tau­ben­kot etc. mit drin sind) schwer ge­nau zu mes­sen ist schei­det auch die­se Me­tho­de aus.
• Pot­en­tio­me­tri­sche Mes­sung der Füll­hö­he: Ein Schwim­mer er­zeugt über ei­nen Seil­zug ei­ne Dreh­be­we­gung ei­nes Po­ten­tio­me­ters des­sen Wi­der­stand ge­mes­sen wird. Könnte funk­tio­nie­ren aber der Seil­zug, Um­lenk­rol­len etc. wer­den durch Ver­schmut­zung schwer­gän­gig und wür­den die Mess­ge­nau­ig­keit ne­ga­tiv be­ein­flus­sen.
• La­ser, Ra­dar: ge­mes­sen wird die Lauf­zeit ei­ner elek­tro­ma­gne­ti­schen Wel­le von ei­nem fest mon­tier­ten Sen­der zur Was­ser­ober­flä­che und de­ren Rück­lauf­zeit. Da die Zei­ten bei den in Frage kom­men­den Ent­fer­nun­gen je­doch im Sub-Na­no­se­kun­den-Be­reich lie­gen schei­det auch dies zu­min­dest für ein Hob­by­pro­jekt aus.
• Tri­an­gu­la­tion: Ein La­ser leuch­tet oben von der Zis­ter­nen­wand nach schräg un­ten an die ge­gen­über­lie­gen­de Kan­te des Zis­ter­nen­bo­dens. Ei­ne (Zei­len-) Ka­me­ra misst den Ab­stand des re­flek­tier­ten La­ser­punk­tes von der Po­si­tion am Bo­den. Dies er­for­dert ei­ni­ge Ma­the­ma­tik die ich hier nicht wei­ter dis­ku­tie­ren möch­te und funk­tio­niert auch nur bei spie­gel­glat­ter Was­ser­ober­flä­che. Wel­len bei Re­gen­zu­lauf er­zeu­gen schwer zu kor­ri­gie­ren­de Mehr­fach­spie­ge­lun­gen. Die Ka­me­ra ist ins­be­son­de­re in ih­rer un­mit­tel­ba­ren Nähe sehr emp­find­lich ge­gen Ver­schmut­zung (Spinn­we­ben, In­sek­ten und de­ren Hin­ter­las­sen­schaf­ten etc.) Die Mon­ta­ge die­ser Ap­pa­ra­tur wä­re sehr schwie­rig und schei­det da­her prak­tisch auch aus.
• Bo­den­druck: ge­mes­sen wird der Druck­un­ter­schied zwi­schen ei­nem Sen­sor am Bo­den der Zis­ter­ne und ei­nem an der Ober­flä­che. Die­se Me­tho­de funk­tio­niert aber was­ser­fes­te Druck­sen­so­ren für den Bo­den­sen­sor sind nicht ganz bil­lig und sie müs­sen auch auf der elek­tri­schen Sei­te dau­er­haft was­ser­fest iso­liert sein. Das ist nicht ganz ein­fach und schei­det letzt­lich auch aus. Es gibt auch Sen­so­ren mit ei­nem Luft­schlauch zum an­de­ren En­de der Lei­tung, die le­dig­lich den Dif­fe­renz­druck vom Bo­den der Zis­ter­ne zur um­ge­ben­den Luft mes­sen. Theo­re­tisch ist das recht ge­nau aber prak­tisch eher un­prak­tisch.
• Schall­mes­sung: ge­mes­sen wird die Lauf­zeit ei­nes (Ultra-) Schall­im­pul­ses von ei­nem fest mon­tier­ten Sen­sor zur Was­ser­ober­flä­che und zu­rück. Die­se Me­tho­de ist re­la­tiv bil­lig, lei­det je­doch we­gen der Tem­pe­ra­tur­ab­hän­gig­keit der Schall­ge­schwin­dig­keit und der un­be­kann­ten Tem­pe­ra­tur­ver­tei­lung der Luft­säu­le über dem Was­ser (im Ge­gen­satz zu La­ser oder Ra­dar) un­ter sys­te­ma­ti­schen Feh­lern. Es gibt zwei prin­zi­pi­el­le An­sät­ze hier­zu, der Sen­sor könn­te die Was­ser­ober­flä­che von oben oder auch von un­ten an­pei­len. Von oben scheint mir als die güns­ti­ge­re Mög­lich­keit.

Ich ha­be mich in die­sem Pro­jekt für die Ul­tra­schall-Lauf­zeit­mes­sung ent­schie­den. Sie ist re­la­tiv bil­lig und so­fern es tat­säch­­lich ge­lingt, die Ent­fer­nung bis zur Was­ser­ober­flä­che zu mes­sen (und nicht bis zur nächs­ten Steig­stu­fe oder ei­nem Schlauch oder ei­ner Spinn­we­be, die ir­gend­wo he­r­um hängt) ist sie re­la­tiv ge­nau und kann ins­be­son­de­re kurz­fris­ti­ge Än­de­run­gen mit Li­ter­ge­nau­ig­keit ab­bil­den oh­ne dass Mess­auf­lö­sun­gen im ns-Be­reich oder da­r­un­ter nö­tig sind.

Al­le Me­tho­den, die nur die Füll­hö­he er­mit­teln, sind prin­zi­pi­ell von der Zis­ter­nen-Geo­me­trie ab­hän­gig.

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 6.2).

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

Der Sen­sor be­nutzt ei­nen re­la­tiv klei­nen Con­trol­ler vom Typ ATtiny2313 mit ei­ner Takt­fre­quenz von 3,6864 MHz. 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.

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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...

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.

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.

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

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.

Nein. Trans­for­ma­to­ren sind zum di­rek­ten Netz­an­schluss aus­ge­legt. Sowohl Primär ge­gen Se­kun­där als auch über der Pri­mär­wick­lung hal­ten sie Tran­si­en­ten wie in den Prüf­nor­men de­fi­niert stand. Na­tür­lich kön­nen z.B. bei Blitz­ein­schlä­gen Er­eig­nis­se auf­tre­ten, die dies über­stei­gen aber das könn­te auch der Va­ris­tor dann nicht mehr ver­kraf­ten. Den Va­ris­tor müss­ten Sie durch ei­ne ther­misch ge­kop­pel­te Tem­pe­ra­tur­si­che­rung schüt­zen da Va­ris­to­ren da­zu nei­gen, auch bei Nenn­span­nung zu über­hit­zen wenn sie ein paar Tran­si­en­ten ab­sor­biert ha­ben.

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.

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 da­ma­li­ger Ar­beit­ge­ber, die Bär In­dus­trie-Elek­tro­nik GmbH ist lei­der in­zwi­schen pleite so dass ich ih­nen auch kei­ne Lei­ter­plat­ten oder Ge­häu­se mehr an­bie­ten kann. Sie wer­den wohl zu Schrott da kei­ner ei­nen wirt­schaft­li­chen Nutzen da­r­aus zie­hen kann, ge­nau­so wie mei­ne Er­in­ne­run­gen. Die meis­ten Leu­te, die in 32 Jah­ren Ar­beit zu so et­was wie ei­nem Teil der Fa­mi­lie ge­wor­den sind, ha­ben sich in­zwi­schen in al­le Winde zer­streut. Ei­ne sehr trau­ri­ge Epi­so­de mei­nes Le­bens...

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.