Ultraschall-Füllstandsmesser USF 1000 - ELV

Bau- und Bedienungsanleitung
Ultraschall-Füllstandsmesser
Allgemeines
Viele werden das Problem kennen: Sie
haben im Garten eine Zisterne, die zum
Auffangen des Regenwassers genutzt wird.
Nach einer längeren Phase ohne Regen ist
nicht mehr bekannt, wie viel Wasser in der
Zisterne verblieben ist, nachdem aus dieser
immer wieder Wasser zur Rasenbewässerung,
zum Blumengießen oder für sonstige
Dinge entnommen wurde.
Aus diesem Grund wurde der Ultraschall-
Füllstandsmesser USF 1000 entwickelt.
Dabei sind Messeinheit USF 1000 S und
Anzeigeeinheit USF 1000 E in zwei ge-
USF 1000
Best.-Nr.: 61045
Version 5.0,
Stand: August 2005
Der hier vorgestellte Füllstandsmesser, der mittels Ultraschall arbeitet, eignet sich für die
einfache und exakte Bestimmung der Füllmenge in einer Gartenzisterne, einem Wassertank
oder einem ähnlichen Flüssigkeitsbehälter. Die Messdaten werden von der
Messeinheit zur Anzeigeeinheit, die in zwei getrennten Gehäusen untergebracht sind,
mittels eines Funksenders übertragen. Durch den Batteriebetrieb beider Einheiten ist die
Montage ohne großen Aufwand durchführbar und eine aufwändige Kabelverlegung entfällt.
trennten Gehäusen untergebracht, wodurch
die Anzeigeeinheit an einem beliebigen
gewünschten Ort platziert werden kann.
Die Messdaten werden durch die Messeinheit
mittels Funk zur Anzeigeeinheit übertragen,
so dass die Montage sehr einfach
wird und aufwändige Kabelverlegungen
entfallen.
Das eigentliche prinzipielle Verfahren
zur Ermittlung des Füllstandes ist recht
einfach. Ein Ultraschallsender sendet kurze
Ultraschallsignale aus. Der Schall bewegt
sich in der Luft (20 °C) mit einer
Geschwindigkeit v von 344 m/s. Trifft die
Schallwelle auf einen Gegenstand (in diesem
Fall die Wasseroberfläche), wird die-
Technische Daten: USF 1000
Allgemein
Betriebsfrequenz: ........... 868,35 MHz
Modulation: ..................... AM, 100 %
Reichweite: ............... 100 m (Freifeld)
Messintervall: ... Normalbetrieb 0,5 h,
Testbetrieb ca. alle 3 s
USF 1000 S
Messbereich:..................... 0,1–2,50 m
Spannungsversorgung:
3 x 1,5-V-Micro
Abm. (B x H x T): ... 115 x 165 x 65 mm
USF 1000 E
Spannungsversorgung: ...... 9-V-Block
Abm. (B x H x T): ...142 x 58 x 23 mm
1

Bau- und Bedienungsanleitung
se reflektiert und kehrt in Richtung des
Senders zurück. Mit Hilfe eines Empfängers,
der in der Nähe des Senders angebracht
ist, kann so der Abstand zum Gegenstand
ermittelt werden, indem einfach
die Zeit gemessen wird, die vom Aussenden
des Schallwellenimpulses vom Sender
bis zum Registrieren der reflektierten
Welle am Empfänger vergeht.
Die Wegstecke s des Schalls lässt sich
mittels folgender Formel berechnen:
Die Zeitdifferenz zwischen ausgesendeten
und ankommenden Schallwellenimpulsen
gibt die Zeit wieder, die der Schall vom
Sender zum Medium (Wasseroberfläche)
und vom Medium zum Empfänger benötigt.
Da Sender und Empfänger auf gleicher
Höhe montiert sind und wir nur daran
interessiert sind, wie groß der Abstand
vom Sender zum Medium ist, muss in der
Formel der Faktor „ 1 /2“ berücksichtigt werden,
oder anders formuliert, die gemessene
Zeitdifferenz muss, bevor sie in die Formel
eingesetzt wird, halbiert werden:
Bedienung und Funktion
Nach der Installation und der Inbetriebnahme
des USF 1000 findet die Bedienung
ausschließlich an der Anzeigeeinheit
USF 1000 E statt. Es stehen hier zwei
Taster zur Verfügung, wobei der Taster
mit der Bezeichnung „OK“ nur bei der
Einprogrammierung der Wassertankmaße
und eines einstellbaren Offsetwertes relevant
ist. Im Betriebsmodus wird durch den
Taster „MODUS“ zwischen der Anzeige
des Wasserinhalts in Liter und der Anzeige
in Prozent, bezogen auf das Gesamtvolumen,
gewechselt.
Um eine möglichst lange Batterielebensdauer
zu erhalten, sind die Sendeeinheit
der Messeinheit und die Empfangseinheit
der Anzeigeeinheit nur alle halbe Stunde
kurz in Betrieb, d. h. die angezeigten Daten
am Display der Anzeigeeinheit werden im
0,5-h-Raster aktualisiert.
Jede halbe Stunde wird von der Messeinheit
die Zeitdifferenz zwischen ausgesendeter
Schallwelle und ankommender
Schallwelle ermittelt und durch das Sendemodul
zur Anzeigeeinheit übertragen. Bevor
die Zeitdifferenz übertragen wird, überprüft
die Messeinheit den Zustand ihrer
Batterien. Sind diese kurz vor der Entladung,
wird auch diese Information zusätzlich
zur Zeitdifferenz an die Anzeigeeinheit
übermittelt.
2
Nachdem die Anzeigeeinheit die Daten
der Messeinheit erhalten hat, erfolgt die
Verarbeitung. Mittels der eingegebenen
Zisternenmaße wird die vorhandene Litermenge
und die prozentuelle Größe, bezogen
auf das Gesamtvolumen, berechnet
und am Display je nach ausgewähltem
Modus angezeigt.
Damit der Füllstand bzw. die Wassermenge
im Wassertank berechnet werden
kann, müssen vor der Inbetriebnahme die
Maße der Zisterne eingegeben werden.
Dazu ist vom normalen Betriebsmodus in
den Programmiermodus zu wechseln. Dieser
wird erreicht, indem beide Taster für
ca. 3 s betätigt werden. Im Programmiermodus
leuchtet im Display die „1“ auf.
Diese signalisiert, dass zur Zeit der Volumenkörper
1 aus Abbildung 1 ausgewählt
ist. Entspricht dieser Körper der gewünschten
Form, kann dies durch ein 2 s langes
Drücken der OK-Taste bestätigt werden.
Entspricht der gewünschte Volumenkörper
eher dem Körper 2 oder 3 aus der Abbildung,
kann zu diesem gewechselt werden,
indem die MODUS-Taste entsprechend
betätigt wird. Bei Volumenkörper 2 leuchtet
am Display die „2“ und beim Volumenkörper
3 leuchtet entsprechend die „3“ auf.
Wird die MODUS-Taste erneut betätigt, wird
zurück zu Volumenkörper 1 gewechselt.
Ist durch die MODUS-Taste ein Volumenkörper
ausgewählt worden, kann dieser
durch die Betätigung der OK-Taste
bestätigt werden, um danach die Maße des
Körpers einzugeben. Bei Körper 1 und 2 ist
das zunächst die Messhöhe h und anschließend
der Durchmesser d bzw. die Länge L,
bei Körper 3 sind die Messhöhe h, die
Breite b und die Tiefe T anzugeben. Nach
dem Wechsel zur Einstellung der Körpermaße
werden im Display drei Nullen und
das Maß, das gerade aktuell einzustellen
ist, durch die entsprechenden Abkürzungen
(h, d, L, b, T) am rechten Displayrand
angezeigt (die Reihenfolge der Eingabe ist
unbedingt zu beachten!).
Die Eingabe erfolgt in Zentimeter, wobei
maximal eine Größe von 999 cm an der
V=
d
h
2 d
4 h . .
h
Bild 1: Auswählbare Volumenkörper
L
V= . h . L
2
4
Anzeigeeinheit eingestellt werden kann
(nicht bei h (699 cm) und nicht beim Offset
(99 cm)). Im Display blinkt immer die
Ziffer auf, die mittels der MODUS-Taste
von „0“ bis „9“ veränderbar ist. Durch eine
kurze Betätigung der OK-Taste kann zur
nächsten Ziffer gewechselt werden, um hier
den gewünschten Wert einzustellen. Sind
alle drei Stellen für die Maßangabe wie
gewünscht eingestellt, wird durch ein etwa
2 s langes Drücken der OK-Taste zur nächsten
Maßangabe gewechselt. Hier ist die
Vorgehensweise für die Eingabe identisch.
Ist bei der Eingabe ein Fehler unterlaufen,
kann durch das wiederholte Betätigen
der OK-Taste zu jedem beliebigen Stellenwert
zurückgekehrt werden. Wenn alle
Maße eingetragen sind (für Körper 1 und 2
sind das zwei, für Körper 3 drei), wird
durch die Betätigung der OK-Taste für
ca. 2 s in den Offsetmodus gewechselt. Hier
besteht die Möglichkeit, einen Offsetwert
einzustellen, der von der ermittelten Messhöhe
abgezogen wird. Dadurch besteht nicht
der Zwang, den Sensor unbedingt unmittelbar
an der „100 %“-Marke anzubringen.
Durch ein erneutes Drücken der OK-Taste
für 2 s wird zurück in den Betriebsmodus
gewechselt, und der USF 1000 E ist funktionsbereit.
Es ist zu beachten, dass der
Einstellungsmodus unbedingt vollständig
zu durchlaufen ist, da sonst die eingestellten
Werte nicht übernommen werden. Es
ist zwar nicht möglich den Einstellungsmodus
durch eine Tastenkombination vorzeitig
zu verlassen, allerdings wird automatisch
in den Betriebsmodus zurückgewechselt
ohne die veränderten Daten zu
übernehmen, wenn während der Einstellung
innerhalb von 30 s keine Taste betätigt
vorgenommen wird.
Hatte die Anzeigeeinheit neben der Zeitdifferenz
die Information bekommen, dass
die Batterien der Messeinheit nahezu entladen
sind, wird im Display zusätzlich zu
der Liter- oder Prozentangabe noch „Bat“
und am rechten Rand „S“ (für USF 1000 S)
eingeblendet. Sind statt der Batterien der
Messeinheit die Batterien der Anzeigeein-
Körper 1 Körper 2 Körper 3
h
b
V= h . b . T
T

Bild 2: Schaltung der Messeinheit
Ultraschall-
Sender
Ultraschall-
Empfänger
US2
US1
3 x 1,5V Micro
BAT1
BAT2
BAT3
ST1
ST2
+UA
R5
56K
R6
10K
ST3
ST4
+UB
R8
120K
R9
1K5
IC1
C1
C2
100n
SMD
5
4 &
6
B
CD4093
1n
SMD
10
IC1
&
C
8
9
C7
100n
SMD
R10
10K
C8 +
10u
16V
Versorgungsspannung
C23 + C24
10u
16V
Amplitudenverdopplung
R7
100K
BC848
C10
+UA
+3V
T2
R11
1K
C11 +
IN IC2
HT-7130
OUT
GND C25
100n
SMD
CD4093
Batteriespannungsüberwachung
C9
100p
SMD
1
2
3
IC3
12
10p 13
SMD
D
14
TLC274
+
+
-
10u
16V
R12
15K
C12
heit nahezu entladen, wird statt dem „S“
ein „E“ (für USF 1000 E) am rechten Rand
eingeblendet.
Schaltung
In der Abbildung 2 ist die Schaltung der
Messeinheit und in der Abbildung 3 ist die
Schaltung der Anzeigeeinheit dargestellt.
10p
IC1
& A
100n
SMD
1
2
11
CD4093
IC1
&
D
13
12
CD4093
R13
1K
C13
+3V
C26 +
10u
16V
R2
3K3
Funkmodul
+3V
HFS1
+Ub
C14
100p
SMD
+UB
T1
R14
1K
C15 +
PD1
BC848
Data
GND
HFS868
Sender
IC3
5
6
B
7
TLC274
+
+
10p
-
SMD
10u
16V
R3
1K
R4
100R
C3
C16
10p
10n
SMD
Signalverstärkung
PB3
20 kHz
R15
10K
R25
1K
L1
BCW66H
T4
R16
1K
3300uH
Stand-by Ein/Aus
C17
+UA
R24
10R
D1
C18
100p
SMD
C27 +
R17
1K
C19 +
100u
16V
D2
LL4148
C28 + D3
LL4148
R28
1K
IC3
10
9
C
8
TLC274
+
+
10p
-
SMD
10u
16V
R18
10K
C20
10p
220u
16V
40 kHz
C4
27p
SMD
Spannungserzeugung
UB
Es soll zunächst mit der Beschreibung der
Schaltung in Abbildung 2 begonnen werden,
um anschließend mit der Schaltung
der Anzeigeeinheit fortzufahren.
Die Schaltung der Messeinheit lässt sich
im Wesentlichen in drei Schaltungsteile zerlegen,
den Teil zum Senden des Ultraschallsignals,
den Teil zum Empfangen des Ultraschallsignals
und den Teil, der für die Erzeu-
ZPD12V
32.768 kHz C5
R26
100K
R27
56K
BC848
Q1
T5
R19
1K
C21
T6
1
2
PD1
PB3
JP1
27p
SMD
100p
SMD
BC858C
C29
R20
330K
R21
220K
C30
10p
SMD
+UB
R29
100K
C22
+UB
100n
SMD
3
2
A
1
TLC274
+
+
10p
-
SMD
14
IC1
CD4093
7
R22
1M
IC3
C31
IC4
23
29
PC0 ADC0 /RESET PC6
24
PC1 ADC1
25
PC2 ADC2
26
4
PC3 ADC3 VCC
27
6
PC4/ADC4/SDA VCC
28
18
PC5 ADC5 SCL AVCC
19 20
ADC6
AREF
22
ADC7
30
PD0 RXD
31
PD1 TXD
32
PD2 INT0
1
PD3/INT1
2
PD4 XCK T0
9
PD5 T1
10
PD6 AIN0
11
PD7 AIN1
12
PB0 ICP
13
PB1 OC1A
14
PB2 SS OC1B
15
3
PB3 MOSI OC2 GND
16
5
PB4 MISO
GND
17
21
PB5 SCK AGND
7
PB6 XTAL1 TOSC1
8
PB7 XTAL2 TOSC2
ELV04430
Mikrocontroller
Komparator
100n
SMD
R23
1K
Spannungsstabilisierung
4
IC3
TLC274
11
R1
10K
C6
BC848
C32
+3V
T3
100n
SMD
100n
SMD
gung der Betriebsspannung notwendig ist.
Die Betriebsspannung der Messeinheit
ist durch drei in Reihe geschaltete Micro-
Batterien gegeben. Durch den Spannungsregler
IC 2 und die Kondensatoren C 23
bis C 26 wird eine stabilisierte 3-V-Spannung
erreicht. Mit Hilfe dieser Spannung
werden der Microcontroller IC 4 und der
Sender HFS 1 betrieben.
3

Bau- und Bedienungsanleitung
Um den Batteriezustand zu überprüfen,
wird die Kollektor-Emitter-Spannung über
den Transistor T 2 in regelmäßigen Zeitabständen
gemessen. Dazu wird der Emitter
durch den Controller auf Masse gezogen,
und entsprechend der Batteriespannung
wird die Kollektor-Emitter-Spannung die
Sättigungsspannung des Transistors annehmen
oder im Bereich der Versorgungsspannung
liegen. Die Widerstände R 5 bis
R 7 sind so ausgelegt, dass der Transistor
T 2 nicht mehr ausreichend durchschaltet,
wenn die Batteriespannung einen Wert von
ca. 3,5 V unterschreitet. Dies wird vom
Mikrocontroller registriert, worauf dieser
ein entsprechendes Signal an die Anzeigeeinheit
sendet.
Damit der Ultraschallempfänger US 1
das durch den Ultraschallsender US 2 erzeugte
Signal hinreichend stark empfangen
kann, muss die Amplitude des Anregungssignals
an den Anschlüssen (ST 1,
ST 2) möglichst groß sein. Das bedeutet,
dass für IC1 eine möglichst hohe Versorgungsspannung
erforderlich ist.
Ein weiteres Ziel muss es aber sein, die
Batterien möglichst wenig zu belasten, damit
diese eine lange Lebensdauer haben.
Um beide Ziele zu erreichen, wird die Versorgungsspannung
für IC 1 und auch für
IC 3 nur dann erzeugt, wenn der Füllstand
auch tatsächlich gemessen werden soll.
In der Messphase wird vom Mikrocontroller
an den Transistor T 5 über den Vorwiderstand
R 28 ein High-Signal angelegt
und somit über die Widerstände R 26 und
R 27 der Transistor T 6 angesteuert und
dadurch die interne Versorgungsspannung
UB eingeschaltet. Gleichzeitig wird auch
der Transistor T 4 über den Vorwiderstand
R 25 mit einem Rechtecksignal von ca.
20 kHz angesteuert. Bei durchgeschaltetem
Transistor fließt ein Strom über L 1, so
dass magnetische Energie gespeichert wird.
Sobald der Transistor in den Sperrzustand
versetzt wird, erfolgt durch die Natur der
Spule eine Rückspeisung der magnetischen
Energie und dadurch zunächst ein Aufrechterhalten
des Stromflusses. Die Spannung,
die dabei durch die Spule erzeugt
wird (Induktionsspannung), ist um ein Vielfaches
höher als die Versorgungsspannung
UA . Entsprechend kann sich der Kondensator
C 28 aufladen, wobei dessen Spannung
durch die Z-Diode D 3 auf 12 V
begrenzt wird. Damit die Spannungsspitzen,
die beim Ein- und Ausschalten des
Transistors T 4 auftreten, die Versorgungsspannung
nicht zu sehr belasten, ist der
Kondensator C 27 als Puffer und zur Störentkopplung
einseitig an der Spule angeschlossen.
Die Versorgungsspannung UB
entspricht daher der stabilisierten 12-V-
Spannung. Zur Unterdrückung hochfrequenter
Störungen sind die Kondensatoren
C 29 bis C 32 parallel zu den Versorgungs-
4
24C02
ELV04431
13
24C02
4
100n
SMD
100n
SMD
HFE868
Empfänger
10n
SMD
1
2
3
7
100u
16V
470n
SMD
27p
SMD
27p
SMD
22p
SMD
22p
SMD
SDA
SCL
5
6
BC848C
R14
470K
IC1
IC2
GND
C15
C16
R8
22K
12
8
C10
C11
+Ub
Data
C7
EEPROM
IC2
C8+
C18
C17
C9
T4
220K
TA1
TA2
R6
10K
R13
4.194304
MHz
100u
16V
100n
SMD
MODUS OK
HFE1
100n
SMD
32.768 kHz
Empfangsmodul
GND
C6
Bild 3: Schaltung der Anzeigeeinheit
C19
+5V
IC4
HT-1030
C5 +
Q2
pins von IC 1 und IC 3 geschaltet worden.
Die optimale Arbeitsfrequenz der Ultraschallsensoren
liegt bei 40 kHz. Um ein
Signal mit einer möglichst großen Amplitude
zu erzeugen, wird die mit IC 1 aufgebaute
Schaltung benötigt.
Zur Abstandsmessung wird der Transistor
T 1 über den Vorwiderstand R 3 durch
den Mikrocontroller mit einer Frequenz
von 40 kHz angesteuert. Die Gattereingän-
Q1
IN
OUT
R12
10K
BC848C
+5V
+3V
T3
1K
R7
R4
15K
BC848C
Batteriespannungsüberwachung
+3V
T2
Mikrocontroller
R3
180K
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
16
17
18
R5
100K
/RESET
P0.0 INT4
P0.1 /SCK
P0.2 SO
P0.3 SI
P1.0 INT0
P1.1 INT1
P1.2 INT2
P1.3 TCL0
P2.0 TCLO0
P2.1
P2.2 CL0
P2.3 BUZ
P3.0 LCDCK
P3.1 SCDSY
P3.2
P3.3
P4.0
P4.1
P4.2
P4.3
P5.0
P5.1
P5.2
P5.3
P6.0 KS0
P6.1 KS1
P6.2 KS2
P6.3 KS3
P7.0 KS4
P7.1 KS5
P7.2 KS6
P7.3 KS7
TEST
XTIN
XTOUT
ELV04431
IC1
+5V
COM0
COM1
COM2
COM3
SEG0
SEG1
SEG2
SEG3
SEG4
SEG5
SEG6
SEG7
SEG8
SEG9
SEG10
SEG11
SEG12
SEG13
SEG14
SEG15
SEG16
SEG17
SEG18
SEG19
SEG20
SEG21
SEG22
SEG23
P8.0 SEG24
P8.1/SEG25
P8.2/SEG26
P8.3/SEG27
P8.4/SEG28
P8.5/SEG29
P8.6/SEG30
P8.7/SEG31
4
5
6
7
3
2
1
80
79
78
77
76
75
74
73
72
71
70
69
68
67
66
65
64
63
62
61
60
59
58
57
56
55
54
53
52
VCL0 9
VCL1 10
VCL2 11
BIAS 8
XOUT 14
XIN 15
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
9V Block
100u
16V
10u
25V
ge an Pin 2 und Pin 12 wechseln dementsprechend
mit einer Frequenz von 40 kHz
von High- nach Low-Signal. Das führt
dazu, dass am Ausgang von IC 1A und
IC 1D ein Rechtecksignal mit einer Amplitude
von ca. 12 V und einer Frequenz von
40 kHz entsteht. Dieses Signal wird auf die
Eingänge von IC 1B und IC 1C geführt,
wodurch sich an deren Ausgängen das
gleiche Rechtecksignal nur mit einer
100n
SMD
COM0
COM1
COM2
COM3
SEG0
SEG1
SEG2
SEG3
SEG4
SEG5
SEG6
SEG7
SEG8
SEG9
SEG10
SEG11
SEG12
SEG13
SEG14
SEG15
SEG16
SEG17
SEG18
SEG19
SEG20
SEG21
SEG22
SEG23
SEG24
SEG25
SEG26
SEG27
SEG28
SEG29
SEG30
36 SEG31
BAT1
C1 +
C2 +
C3
GND
IC3
HT-1050
LC-Display
IN
OUT
+5V
LCD1
Spannungsstabilisierung

Phasenverschiebung von 180° ergibt. An
ST 1 und ST 2, die direkt durch die Ausgänge
der Gatter mit um 180° phasenverschobenen
Signalen angesteuert werden,
liegt daher ein Rechtecksignal mit
einer Amplitude von ca. ±12 V an. Durch
den Kondensator C 2 wird die Gleichspannung
unterdrückt, die am Ausgang der
Gatter IC 1B und IC 1C anliegt, wenn der
Transistor T 1 nicht mehr mit einem
40-kHz-Signal angesteuert wird. Kondensator
C 1 dient der Störunterdrückung.
An ST3 und ST4 ist der Ultraschallempfänger
US1 angeschlossen, der bei einer
ankommenden Schallwelle ein entsprechendes
Wechselspannungssignal erzeugt.
Die Signalamplitude, die der Empfänger
beim Empfang erzeugt, ist je nach Abstand
zum reflektierten Körper sehr unterschiedlich.
Ist der Körper nur einige Zentimeter
entfernt, ist die Signalamplitude sehr groß,
wird der Abstand zum Körpers größer,
nimmt die Amplitude stetig ab und wird ab
einer gewissen Entfernung nicht mehr
messbar sein. Damit eine saubere Erfassung
und Verstärkung des Eingangssignals
möglich ist, wird durch den Widerstand
R10 dafür gesorgt, dass die Spannung am
nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
wechselspannungsmäßig
auf 0 V liegt, wenn kein Eingangssignal
anliegt. Durch den Spannungsteiler R8 und
R9 wird eine definierte Offsetspannung
am Pin 12 des OPs erzeugt, wobei der
Elektrolytkondensator C8 dafür sorgt, dass
zusätzlich eine Spannungsstabilisierung
gegeben ist. Damit die Gleichspannung
nicht direkt an ST3 anliegt, ist C7 zu Gleichspannungsunterdrückung
eingebaut.
Vom Eingangssignal wird durch den
ELV
04430
Ansicht der fertig bestückten Platine des USF 1000 S mit zugehörigem
Bestückungsplan
Operationsverstärker, aufgrund seiner Versorgungsspannung,
nur der positive Spannungsanteil
des Signals des Ultraschallempfängers
verstärkt. Der Kondensator
C 11 dient zur Entkopplung und sorgt dafür,
dass bei der Verstärkung durch den OP
auch tatsächlich nur der Wechselspannungsanteil
entsprechend der Widerstände
R 11 und R 12 verstärkt werden kann.
Nach der ersten Verstärkerstufe mit IC 3D
erfolgen im Anschluss daran noch zwei
weitere Verstärkungen mittels der Operationsverstärker
IC 3B und C. Die Verstärkung
wird dabei bei IC 3B durch die Widerstände
R 14/R 15 und bei IC 3C durch die
Widerstände R 17/R 18 bestimmt. Die Kondensatoren
C 15 und C 19 sorgen auch hier,
wie bei IC 3D dafür, dass nur das Wechselspannungssignal
verstärkt werden kann.
Nach der mehrstufigen Verstärkung des
Eingangssignals wird dieses auf den Komparatoreingang
des IC 3A gegeben. Die
Schaltschwelle am Komparatoreingang ist
durch die Widerstände R20, R21 und R29
vorgegeben und kann durch den Controller
in zwei Stufen eingestellt werden. Die Stufeneinstellung
erfolgt auf Grund der starken
Amplitudenveränderung des Eingangssignals
bei den verschiedenen Entfernungen
zum Medium. Wenn das Eingangssignal
der letzten Verstärkerstufen den
Schwellwert überschreitet, führt der Komparator
an seinem Ausgang ein High-Signal
und steuert den Transistor T3 über den
Vorwiderstand R23 an. Dadurch wird der
Eingangspin PD 2 des Mikrocontrollers
auf Masse gezogen und signalisiert diesem,
dass der Ultraschallempfänger ein
Signal empfängt. Der Widerstand R 22 im
Mitkoppelzweig des Komparators dient der
Einstellung einer definierten Hysterese, so
dass in der Nähe der Schaltschwelle ein
permanentes Umschalten vermieden wird.
Zur Unterdrückung der Schwingneigung
der OPs IC 3B, C und D sind jeweils im
Gegenkoppelzweig parallel zu den Widerständen
R 12, R 15 und R 18 die Kondensatoren
C 12, C 15 und C 20 eingebaut. Um
Störungen durch hochfrequente Einkopplungen
an den Eingängen der OPs zu verhindern,
sind C 10, C 14 und C 18 sowie
C 22 vorgesehen.
Damit der Controller zwischen den Messphasen
möglichst wenig Strom verbraucht,
ist der Quarz Q1 in Verbindung mit den
Kondensatoren C4 und C5 an die Pins 7
und 8 angeschlossen. Während der Messphase
arbeitet der Controller mit einer Frequenz
von 4 MHz, die durch seinen internen
Oszillator erzeugt wird und verbraucht
einen relativ großen Strom. Zwischen den
Messphasen wird auf den externen Oszillator
umgeschaltet, wodurch der Stromverbrauch
drastisch gesenkt werden kann.
Die stabilisierte 3-V-Spannung wird an
den Mikrocontroller an die Pins 4, 16, 18
und 20 angeschlossen. Um nach einer Batterieentnahme
einen definierten Reset des
Mikrocontrollers zu erreichen, ist der Widerstand
R1 an Pin 29 angeschlossen. Der
Kondensator C6 dient der Störunterdrükkung.
Der Jumper JP 1 ist für die Inbetriebnahme
des Füllstandmelders von Bedeutung.
Im Normalbetrieb sendet die Messeinheit,
wie weiter oben schon erwähnt, aus energietechnischen
Gründen nur jede halbe
Stunde ein entsprechendes Signal an die
Anzeigeeinheit. Für die Inbetriebnahme
liegen diese periodischen Signale jedoch
viel zu weit auseinander. Aus diesem Grund
kann der Jumper entfernt werden, wodurch
die Messeinheit ca. alle 3 s ein Datenpaket
an die Anzeigeeinheit versendet. Nach der
Inbetriebnahme sollte der Jumper auf jeden
Fall wieder gesetzt werden, da ansonsten
die Batterielebensdauer erheblich verkürzt
wird.
Nach der Schaltungsbeschreibung der
Messeinheit wollen wir jetzt zur Schaltungsbeschreibung
der Anzeigeeinheit
übergehen. Betrieben wird die Anzeigeeinheit
mit einer 9-V-Blockbatterie. Durch
den Spannungsregler IC 3 und die Kondensatoren
C 1 bis C 3 wird aus dieser
Spannung eine stabilisierte 5-V-Spannung
erzeugt. C 1 und C 2 dienen diesbezüglich
als Pufferkondensatoren und C 3 zur Störunterdrückung.
Mit der stabilisierten 5-V-
Spannung werden der Mikrocontroller IC 1
und das EEPROM IC 2 versorgt.
Um das Empfangsmodul HFE1 betreiben
zu können, ist eine 3-V-Versorgungsspannung
notwendig. Diese wird mit Hilfe
des Spannungsreglers IC4 erzeugt. Zur
Spannungsstabilisierung dient in diesem
5

Bau- und Bedienungsanleitung
Fall der Kondensator C5 und zur Störunterdrückung
werden die Kondensatoren C6
und C19 eingesetzt.
Mit Hilfe der Widerstände R 3 bis R 5
und dem Transistor T 2 wird eine Überprüfung
der Batteriespannung durch den
Mikrocontroller vorgenommen. Ist die Batteriespannung
zu weit abgesunken, kann
der Transistor T 2 nicht mehr durchgesteuert
werden und der Mikrocontroller
erhält an seinem Eingang P 4.0, der mit
dem Kollektor des Transistors verbunden
ist, ein High-Signal. Dies wiederum signalisiert
dem Controller, dass die Batterie
nahezu entladen ist und dass im Display
„Bat“ „E“ anzuzeigen ist.
Der Quarz Q 1 in Verbindung mit den
Kondensatoren C 10 und C 11 wird zur
Stabilisierung des internen Hauptoszillators
des Mikrocontrollers eingesetzt. Auch
hier wird wie beim USF 1000 S, um Strom
zu sparen zwischen den Messphasen die
Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers gewechselt.
Dazu wird einfach der zweite
Quarz Q2 in Verbindung mit den Kondensatoren
C17 und C18 während dieser Zeit
als Oszillator eingesetzt. Um beim Zuschalten
der Betriebsspannung für einen
Reset-Impuls und damit definiert Zustände
beim Batteriewechsel zu erhalten, ist
der Kondensator C7 an Pin 19 angeschlossen.
Damit nach einem Batteriewechsel
weiterhin alle einprogrammierten Daten
zur Verfügung stehen, werden diese im
EEPROM IC 2 abgespeichert. Die Programmierung
des Gerätes erfolgt über die
angeschlossenen Taster TA 1 (MODUS)
und TA 2 (OK).
Für eine lange Batterielebensdauer ist
der Empfänger nicht kontinuierlich empfangsbereit,
sondern wird nur dann über
den Transistor T 3 angesteuert, wenn Sendesignale
zu erwarten sind.
Nachbau
Der Aufbau der USF-1000-Einheiten erfolgt
bis auf einige wenige konventionell
bedrahtete Bauelemente mit SMD-Bauteilen
anhand des Bestückungsplans, der
Stückliste und des Bestückungsdrucks auf
der Platine. Für die Bestückung sind unbedingt
ein geregelter Lötkolben mit einer
schmalen Lötspitze, eine SMD-Pinzette,
SMD-Lötzinn, Entlötlitze und eine Lupe
erforderlich.
Es soll nun zunächst mit der Bestückungsbeschreibung
der USF-1000-S-Leiterplatte,
die nur einseitig zu bestücken ist,
begonnen werden. Als Erstes sind hier mit
Hilfe des Bestückungsplans und des Bestückungsdruckes
die ICs polrichtig einzulöten.
Dazu ist zur Markierung bei IC 1
und IC 3 die zu Pin 1 zugeordnete Gehäuseseite
leicht angeschrägt. Pin 1 beim Mikrocontroller
(IC 4) ist durch eine runde
6
Widerstände:
10 /SMD ....................................R24
100 /SMD ....................................R4
1 k/SMD .. R3, R11, R13, R14, R16,
................. R17, R19, R23, R 25, R 28
1,5 k/SMD ...................................R9
3,3 k/SMD ...................................R2
10 k/SMD .. R1, R6, R10, R15, R 18
33 k/SMD ..................................R12
56 k/SMD .......................... R5, R 27
100 k/SMD ............... R7, R26, R 29
120 k/SMD ..................................R8
220 k/SMD ................................R21
330 k/SMD ................................R20
1 M/SMD ..................................R22
Kondensatoren:
10 pF/SMD ....... C10, C12, C14, C16,
........................... C18, C20, C22, C29
27 pF/SMD .............................. C4, C5
100 pF/SMD ........ C9, C13, C17, C21
1 nF/SMD .......................................C1
10 nF/SMD .....................................C3
100 nF/SMD ........... C2, C6, C7, C24,
........................... C25, C30, C31, C32
10 μF/16 V .................. C8, C11, C15,
.................................... C19, C23, C26
100 μF/16 V .................................C27
220 μF/16 V .................................C28
Gehäusevertiefung in der IC-Oberfläche
erkennbar. Um die ICs sauber aufzulöten,
ist zunächst ein beliebiges Lötpad, vorzugsweise
ein Lötpad an einer Gehäuseecke,
vorzuverzinnen. Nun ist das entsprechende
IC positionsrichtig über die Lötpads
auszurichten und am vorverzinnten
Lötpad anzulöten. Ist dies geschehen, sollte
durch eine kurze Überprüfung kontrolliert
werden, ob alle Pins exakt über ihrem
angeordneten Lötpad liegen. Ist das der
Fall, können die restlichen Pins verlötet
werden, dabei sollte mit der Verlötung des
Pins auf der diagonal gegenüberliegenden
Seite des bereits festgelöteten Pins fortgefahren
werden.
Sind alle ICs aufgelötet, kann mit der
Bestückung der SMD-Widerstände und der
SMD-Kondensatoren begonnen werden.
Bei den Kondensatoren ist dabei erhöhte
Aufmerksamkeit gefragt, da auf diesen
keine Beschriftung angebracht ist und somit
die Gefahr der Vertauschung besteht.
Es ist daher ratsam, diese einzeln aus ihrer
Verpackung zu nehmen und danach die
Verlötung sofort vorzunehmen. Ist diese
Arbeit beendet, bleibt noch die Bestückung
einiger konventioneller Bauteile. Diese
sind auf der Platinenrückseite zu verlöten.
Hier sind nun zunächst die Elektrolyt-
Kondensatoren einzulöten. Es ist dabei besonders
auf die richtige Polarität zu achten,
da bei falscher Polung die Gefahr der Explosion
besteht. Es folgt der Einbau der
Stückliste: USF 1000 S
Halbleiter:
HCF4093/SMD/SGS .................... IC1
HT7130/SMD ............................... IC2
TLC274C/SMD ............................ IC3
ELV04430/SMD .......................... IC4
BC858C .......................................... T6
BC848C ............................. T1–T3, T5
BCW66H/Infineon ......................... T4
LL4148 ................................... D1, D2
ZPD 12 V/0,4 W ........................... D3
Sonstiges:
Quarz, 32,768 kHz ........................ Q1
Festinduktivität, 3300 μH............... L1
Ultraschall-Empfänger
UST-40R, print ......................... US1
Ultraschall-Sender UST-40T,
print .......................................... US2
Sendemodul HFS868, 3 V,
868 MHz ................................. HFS1
Mikro-Batteriekontakt,
print ........................... BAT1–BAT3
Mikro-Batterie-Kontaktrahmen
....................... BAT1–BAT3
Stiftleiste, 1x2-polig, gerade, print ..JP1
1 Jumper ....................................... JP1
1 Industrie-Aufputz-Gehäuse IP 65,
Typ G304, komplett, bearbeitet und
bedruckt
Spule L 1 sowie der Einbau des Quarzes
Q 1. Abschließend sind noch die drei Batterieschächte,
der Jumper JP 1 sowie das
Sendemodul anzulöten.
Damit ist der Platinenaufbau beendet
und der Einbau in das Gehäuse kann erfolgen.
Dazu ist die Platine in den Gehäusedeckel
zu legen und anschließend sind die
Sensoren von außen durch die Löcher im
Gehäusedeckel zu stecken. Dabei ist zu
beachten, dass die isolierten Beinchen der
Ultraschallsensoren an ST 2 und ST 4
angelötet werden. Um zu verhindern, dass
Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringen
kann, sollte allerdings vorher ein kleiner
Klecks Silikon in die Löcher gespritzt werden.
Die Sensorkontakte sollten nach dem
Durchstecken an den vorgesehenen Löchern
an der Platinenoberfläche herausragen.
Es ist beim Einbau unbedingt darauf zu
achten, dass die unterschiedlichen Sensoren
(Sender, Empfänger) richtig platziert
werden (vgl. Schaltbild) und die Platine
sowie die Sensoren vollständig auf dem
Gehäuse aufliegen. Sind Platine und Sensoren
richtig platziert, können die Sensorkontakte
mit der Platine verlötet werden.
Damit ist der Aufbau des USF 1000 S fertig
gestellt und der Deckel kann, nach der Befestigung
des Gehäuseunterteils an der
gewünschten Stelle, aufgeschraubt werden.
Kommen wir nun zur Bestückung des
USF 1000 E. Hier ist zunächst die gelieferte
Leiterplatte an der perforierten Stelle

Ansicht der fertig bestückten Platine des USF 1000 E mit zugehörigem Bestückungsplan,
oben von der Bestückungsseite, unten von der Lötseite
durchzubrechen. Dadurch erhalten wir eine
größere (Basis-) und eine etwas kleinere
(Display-) Platine. Die Beschreibung der
Bestückung soll zunächst mit der Display-
platine fortgeführt werden, um danach auf
die Basisplatine detailliert einzugehen.
Als Erstes ist der Mikrocontroller (IC 1)
auf der Platinenvorderseite mit Hilfe des
ELV 04431
Bestückungsplans und Bestückungsdruckes
polrichtig einzulöten. Als Markierung
für Pin 1 ist dabei die runde Gehäusevertiefung
am IC angebracht. Das Vorge-
7

Bau- und Bedienungsanleitung
hen gleicht dem des Aufbaus der Leiterplatte
des USF 1000 S. Es werden zuerst
die SMD- und anschließend die größeren
konventionellen Bauteile aufgelötet. Dazu
wird auch hier für das jeweilige IC ein
beliebiges Lötpad vorverzinnt, um anschließend
die vollständige Verlötung nach der
exakten Positionsüberprüfung vornehmen
zu können.
Nach der Verlötung des IC 1 an der
Vorderseite und des IC 2 an der Rückseite
der Display-Leiterplatte werden die SMD-
Widerstände und SMD-Kondensatoren
aufgelötet. Zum Schluss folgen der Quarz
und die Stiftleisten ST 1 und ST 2 an der
Unterseite der Platine, durch die die Display-Leiterplatte
später mit der Basis-Leiterplatte
verbunden wird. Danach kann mit
dem Aufbau des Displays begonnen werden.
Dazu wird das LC-Display so in den
Klarsichthalter gelegt, dass die seitliche
Glasverschweißung (linke Displayseite) in
die entsprechende Aussparung des Rahmens
ragt. Der Befestigungsrahmen wird
danach von der rechten Seite aufgeschoben
und mit zwei Leitgummistreifen bestückt.
Die zusammengebaute Display-
Konstruktion ist anschließend mit 6 Knippingschrauben
über dem Controller auf der
Vorderseite der Leiterplatte zu montieren.
Es folgt die Bestückung der Basisplatine.
Hier sind zunächst die SMD-Transistoren,
die SMD-Widerstände und die
SMD-Kondensatoren auf der Rückseite
der Leiterplatte aufzulöten. Danach werden
die Elektrolyt-Kondensatoren liegend
an der Bestückungsseite platziert und anschließend
auf der Rückseite sauber verlötet.
Hierbei ist erneut ganz besonders auf
die richtige Polarität der Elektrolyt-Kondensatoren
zu achten. Es folgen der Einbau
des Spannungsreglers sowie der Einbau
der Taster. Auch diese sind von der Vorderseite
zu bestücken und auf der Rückseite
zu verlöten.
Damit die Batteriezuleitung eine Zugentlastung
erhält, ist diese von der Vorderseite
der Leiterplatte ausgehend durch die
Bohrungen zur Rückseite und anschließend
zurück zu führen. Von der Platinenoberseite
ist diese dann durch die vorgesehenen
Bohrungen zu führen und zu verlöten.
Als Letztes wird das Empfangsmodul an
die richtige Position gebracht und an der
Platinenunterseite mit den vorhandenen
3 Pins verlötet. Dabei sollte zwischen der
Platine und dem Modul ein Abstand von
ca. 6 mm eingehalten werden.
Um die Displayplatine mit der Basisplatine
präzise mit dem korrekten Abstand
zueinander durch die Stiftleisten verlöten
zu können, sind diese am besten in das
Frontgehäuse zu legen. Dadurch wird erreicht,
dass sich automatisch der richtige
Abstand zwischen den Platinen einstellt.
Zu diesem Zweck wird die Displayplatine
8
mit dem Display positionsrichtig in das Gehäuse
gelegt und danach die Basisplatine
entsprechend in Position gebracht. Durch
leichte Positionskorrekturen der kleineren
Platine sollten die Stifte der Stiftleiste direkt
auf die Bohrungen fallen und somit an
der Vorderseite der größeren Platine sichtbar
sein. Nach erneuter Überprüfung, ob
beide Platinen in der korrekten Lage sind,
können die Stifte an der Platine angelötet
werden. Bevor das Gehäuse nun mittels der
Rückwand des Frontgehäuses durch Zusammenschieben
geschlossen wird, ist zur Spannungsversorgung
eine 9-V-Blockbatterie
an die Batteriezuleitung anzuschließen.
Montage
Bei der Montage der Messeinheit ist
darauf zu achten, dass diese möglichst im
Zentrum der Abdeckung des Flüssigkeitsbehälters
angebracht wird. Um die sichere
Funktion des USF 1000 S zu gewährleisten
und um Fehlmessungen zu vermeiden,
ist ein minimaler Abstand von 300 mm zu
den Seitenwänden der Zisterne einzuhalten.
Wird die Messeinheit zu nahe an einer
Wand montiert, kann es durch diese zu
Reflexionen kommen, die dann vom Empfänger
als gültiges Signal gewertet würden.
Außerdem sollte die Sendeeinheit so
befestigt werden, dass kein Spritzwasser in
die Sensoren eindringen kann und somit
die Funktion nicht mehr gewährleistet ist.
Die Anzeigeeinheit kann, wie schon am
Anfang erwähnt wurde, an einem beliebigen
Ort platziert werden. Es ist diesbezüglich
nur die Reichweite des Systems zu
beachten. Die maximale Reichweite hängt
natürlich stark vom Material des Behälters
ab. Das Sendesignal wird beispielsweise
durch Kunststoff wesentlich weniger beeinflusst
als durch Metall, entsprechend
geringer fällt bei Metall dann auch die
Reichweite aus.
Um die Inbetriebnahme einfach vornehmen
zu können, ist der Jumper JP 1 auf der
Leiterplatte der Messeinheit USF 1000 S
zu entfernen. Dadurch wird erreicht, dass
nun ca. alle 3 Sekunden eine Messung
vorgenommen wird und das USF 1000 S
Daten zum USF 1000 E sendet. Dadurch ist
eine Überprüfung der Funktionstüchtigkeit
leicht möglich, da nun die Daten an der
Anzeigeeinheit ebenfalls alle 3 Sekunden
aktualisiert werden. Um eine lange Batterielebensdauer
zu gewährleisten, sollte der
Jumper nach der Inbetriebnahme wieder
gesteckt werden.
Nach einem Batteriewechsel des Empfängers
wird das Empfangsmodul so lange
aktiviert, bis dieses ein Signal vom Sender
empfangen hat. Dadurch kann eine Initialisierung
vorgenommen und das Zeitraster
des Senders erkannt werden. Im Display
sind so lange 4 Striche eingeblendet.
Stückliste: USF 1000 E
Widerstände:
1 k/SMD ......................................R7
10 k/SMD ........................... R6, R12
15 k/SMD ....................................R4
22 k/SMD ....................................R8
100 k/SMD ..................................R5
180 k/SMD ..................................R3
220 k/SMD ................................R13
470 k/SMD ................................R14
Kondensatoren:
22 pF/SMD .......................... C10, C11
27 pF/SMD .......................... C17, C18
10 nF/SMD .....................................C9
100 nF/SMD .. C3, C6, C15, C16, C19
470 nF/SMD ...................................C7
10 μF/25 V .....................................C2
100 μF/16 V ..................... C1, C5, C8
Halbleiter:
ELV04431/SMD .......................... IC1
24C02/SMD ................................. IC2
HT1050 ........................................ IC3
HT1030 ........................................ IC4
BC848C .............................. T2, T3,T4
LC-Display ............................... LCD1
Sonstiges:
Quarz, 32, 768 kHz ....................... Q2
Quarz, 4,194304 MHz, HC49U4 .. Q1
9-V-Batterie-Clip ..................... BAT1
Stiftleiste, 1 x 3-polig, gerade,
print .................................. BU1/ST1
Stiftleiste, 1 x 6-polig, gerade,
print .................................. BU2/ST2
Empfangsmodul HFE868-T,
3 V, 868 MHz ......................... HFE1
Mini-Drucktaster, B3F-4050,
1 x ein ..............................TA1, TA2
2 Tastknöpfe, 18 mm ..........TA1, TA2
2 Leitgummis
1 Display-Scheibe
1 Displayrahmen
6 Kunststoffschrauben, 2,2 x 5 mm
1 Profil-Gehäuse, komplett, bearbeitet
und bedruckt
Müssen die Batterien des Senders ausgewechselt
werden, ist zunächst die Batterie
des Empfängers zu entfernen und die
Batterien des Senders einzulegen. Dadurch
wird erreicht, dass sich das System, wie
oben schon erwähnt, initialisiert.
Kann der Sender keine Höhe messen (Abstand
zum Medium ist zu groß), werden im
Display 4 Striche angezeigt. Befindet sich
der Empfänger im normalen Betriebsmode
und erhält innerhalb des eingestellten Zeitfensters
kein Signal vom Sender, zeigt dieser
weiterhin den letzten gemessenen Wert an.
Im Display erscheint allerdings zusätzlich
die Information „Hold“. Erhält der Empfänger
dreimal nacheinander kein Datenpaket
vom Sender, wird im Display „FAIL“ angezeigt.
Nun ist in jedem Fall eine neue Initislisierung
durch zu führen.