Ultrasonic Level Meter Page in English
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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?

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 6.1).

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 100 mAT 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 35 A 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 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.