{"id":229,"date":"2020-03-07T00:29:35","date_gmt":"2020-03-06T23:29:35","guid":{"rendered":"https:\/\/www.pohle.it\/?page_id=229"},"modified":"2020-07-14T11:59:19","modified_gmt":"2020-07-14T09:59:19","slug":"tiefbrunnenpumpen-steuerung-teil-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.pohle.it\/index.php\/2020\/03\/07\/tiefbrunnenpumpen-steuerung-teil-2\/","title":{"rendered":"Tiefbrunnenpumpen Steuerung – Teil 2"},"content":{"rendered":"\n

Willkommen zur\u00fcck zum zweiten Teil der Serie „Tiefbrunnenpumpen Steuerung“.<\/p>\n\n\n\n

Im heutigen Blogbeitrag wollen wir die im ersten Teil verwendeten Klappschwimmschalter durch einen Ultraschall Sensor ersetzen. Der geneigte Leser mag sich nun vielleicht fragen, wozu das gut sein soll! Hierf\u00fcr gibt es mehrere Gr\u00fcnde.<\/p>\n\n\n\n

Der erste Grund ist, dass die Befestigung des Schwimmers bei vielen Klappschwimmschaltern aus einem Teflon Band oder einem Kunststoff Band besteht. Die dauerhafte mechanische Belastung durch das Heben und Senken des Schwimmk\u00f6rpers f\u00fchrt dazu, dass diese mit der Zeit br\u00fcchig wird und irgendwann rei\u00dft. Passiert dies unbemerkt, z.B. beim oberen Schalter, so haben wir keinen „Sensor“ mehr, der uns mitteilt, wenn das Fass vollgelaufen ist – die Tiefbrunnenpumpe pumpt dann weiter Wasser in das Fass und es l\u00e4uft \u00fcber. Ein Wasserschaden w\u00e4re der Fall!<\/p>\n\n\n\n

Der zweite Grund ist, und diesen finde ich pers\u00f6nlich viel wichtiger, dass wir unter Verwendung der Klappschwimmschalter nicht wissen k\u00f6nnen, wie viel Wasser sich aktuell im Fass befindet. Plant man also, demn\u00e4chst den Garten zu bew\u00e4ssern oder den Fischteich aufzuf\u00fcllen, ben\u00f6tigt man also eventuell mehr Wasser, als vorhanden ist. Das am Fass angeschlossene Hauswasserwerk zieht mehr Wasser aus dem Fass ab, als die Tiefbrunnenpumpe f\u00f6rdert. Folglich k\u00f6nnte das Fass unbemerkt schnell leer laufen.<\/p>\n\n\n\n

Hier hilft uns der Ultraschall Sensor. Mit ihm k\u00f6nnen wir den Wasserpegel im Fass bis auf einen Zentimeter genau messen. Damit und mit den Ma\u00dfen des Fasses k\u00f6nnen wir den F\u00fcllstand berechnen. <\/p>\n\n\n\n

Der Ultraschall Sensor<\/h4>\n\n\n\n

Der Ultraschall Sensor besteht aus einem Sende-Modul (40kHz Signal), einem Empf\u00e4nger-Modul (im Prinzip ein Mikro) und einem Kontroll-Chip. Ausgel\u00f6st wird die Messung, wenn am Trigger Pin f\u00fcr mind. 10\u00b5s eine LOW-HIGH-LOW Flanke anliegt. Dann sendet das Sende-Modul acht kurze Ultraschall Impulse und liefert \u00fcber den Echo Pin ein HIGH Signal f\u00fcr die Dauer des reflektierten Signals. Dieses Signal m\u00fcssen wir dann in eine Entfernung umrechnen. <\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure><\/div>\n\n\n\n

Bei der Schallgeschwindigkeit m\u00fcssen wir beachten, dass diese von der Umgebungstemperatur abh\u00e4ngig ist. Daher muss zum Grundwert der Schallgeschwinditkeit noch eine Temperaturkorrektur hinzugef\u00fcgt werden. Daraus ergibt sich dann f\u00fcr 20\u00b0C eine Schallgeschwindigkeit von:
331,5 m\/s + (0,6 * 20) = 343,5m\/s<\/strong>
Da unser Signal aber nicht in Metern pro Sekunden gemessen wird, sondern in cm pro \u00b5s, m\u00fcssen wir die Schallgeschwindigkeit noch von m\/s in cm\/\u00b5s umrechnen. Dies erfolgt, in dem wir den Wert von 343,5m\/s zun\u00e4chst durch 1000^2 dividieren und anschlie\u00dfend mit 100 multiplizieren:
343,5m\/s \/ 1000^2 * 100 = 0,03435cm\/\u00b5s<\/strong> <\/p>\n\n\n\n


Die Entfernungsmessung \u00fcber die Laufzeit des Signals erfolgt nach folgender Formel:
Distanz = (Schallgeschwindigkeit in cm\/\u00b5s) * Signalzeit \/ 2<\/strong>
Die Laufzeit muss durch zwei geteilt werden, da das Signal ja einen Hin- und eine R\u00fcckweg hat – es wird ja reflektiert. <\/p>\n\n\n\n

Die Formel zum Berechnen des F\u00fcllstandes und der Wassermenge<\/h4>\n\n\n\n

Das Volumen des Fasses k\u00f6nnen wir \u00fcber das Volumen f\u00fcr Zylinder berechnen. Dabei m\u00fcssen wir ein wenig idealisieren, da das Fass kein reiner Zylinder ist, sondern im unteren und oberen Bereich leicht nach innen hin abf\u00e4llt. Dies ist aber f\u00fcr uns vernachl\u00e4ssigbar.<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Das Fass<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Das Fass hat folgende Ma\u00dfe: H\u00f6he (h) = 98cm, Durchmesser (d) = 57cm. Das Volumen ergibt sich wie folgt:
V = (d\/2)^2 * 3,141 * h = 250025,1705 cm^3 = 250L
<\/strong>
Im Programm berechnen wir dann \u00fcber folgende Formel zun\u00e4chst die F\u00fcllstandh\u00f6he in Prozent:
waterLevel = (1-(gemesseneDistanz\/Fassh\u00f6he))*100;<\/strong>

Daraus leiten wir dann sp\u00e4ter (f\u00fcr den dritten Teil dieser Serie) die tats\u00e4chlich vorhandene Wassermenge ab:
waterQuantity = waterLevel * 250 \/ 100;<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Der Schaltungsaufbau auf dem Breadboard<\/h4>\n\n\n\n
\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Betrachten wir den Breadboard Aufbau, so f\u00e4llt auf, dass nicht nur die Klappschwimmschalter verschwunden sind, sondern neben dem Ultraschall Sensor noch ein Bauteil hinzugekommen ist: ein Logic Level Converter<\/a>. Dieser ist notwendig, da die GPIO Pins des ESP32 nur mit 3,3V angesteuert werden d\u00fcrfen. Da der Ultraschallsensor aber mit 5V arbeitet, m\u00fcssen wir die Spannungspegel des Sensors auf das Niveau des ESP32 bringen. Dies \u00fcbernimmt der Logic Level Converter f\u00fcr uns. <\/p>\n\n\n\n

Der Logic Level Converter<\/h4>\n\n\n\n

Bei dem hier verwendeten Logic Level Converter handelt es sich um einen 8-kan\u00e4ligen bi-direktionalen Converter. Soll hei\u00dfen, er kann bis zu acht Signale gleichzeitig von A nach B oder von B nach A wandeln. Die Beschaltung ist in unserem Fall sehr einfach:<\/p>\n\n\n\n
VA<\/td>3.3V<\/td><\/tr>
OE<\/td>3.3V (Output Enabled)<\/td><\/tr>
VB<\/td>5V<\/td><\/tr>
GND<\/td>GND (Masse)<\/td><\/tr>
A1<\/td>GPIO21 (Trigger Signal des Ultraschall Sensors)<\/td><\/tr>
A2<\/td>GPIO22 (Echo Signal des Ultraschall Sensors)<\/td><\/tr>
B1<\/td>Trigger Pin des Ultraschall Sensors<\/td><\/tr>
B2<\/td>Echo Pin des Ultraschall Sensors<\/td><\/tr><\/tbody><\/table>\n\n\n\n

Alternative zum Logic Level Converter<\/h4>\n\n\n\n

Alternativ zum Logic Level Converter, solltet ihr keinen zur Verf\u00fcgung haben, k\u00f6nnt ihr auch einen Spannungsteiler<\/a> verwenden. Ein Spannungsteiler ist, simpel gesprochen, eine Reihenschaltung von Widerst\u00e4nden. Im einfachsten Fall, wie dem unseren, besteht diese Reihenschaltung aus zwei Widerst\u00e4nden. Die Widerst\u00e4nde werden so gew\u00e4hlt, dass die Spannung zwischen dem ersten und zweiten Widerstand auf 1\/3 zu 2\/3 aufgeteilt wird. Exemplarisch ein Breadboard Aufbau.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Die Spannungsversorgung des Breadboard liefert 5V, so wie es der Ultraschall Sensor auch tun w\u00fcrde. Das Verh\u00e4ltnis der Widerst\u00e4nde, hier ein 10k und ein 22k Widerstand, ist ca. 1\/3 zu 2\/3. Messen wir die Spannung am zweiten Widerstand (gelbe Leitung), so bekommen wir ca. 3.4V. Damit k\u00f6nnen wir bedenkenlos auf die GPIO Pins des ESP32 gehen.<\/p>\n\n\n\n

Der Sketch<\/h4>\n\n\n\n
\/\/ 2020-03-02 Brunnenpumpe V2\n\/\/ (c) Markus Pohle @Creative Commons BY-NC-SA\n\/\/ https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/File:Cc-by-nc-sa_icon.svg\n\/\/ \n\/\/ Brunnenpumpen Steuerung mittels Ultraschall-Sensor\n\nconst int relayPin = 23;\nconst int triggerPin = 22;\nconst int echoPin = 21;\nconst int barrelHeight = 98;\nint pumpActive = 0;\nfloat waterLevel = 0;\n\n\nvoid setup() {\n\/\/  Serial.begin(115200);\n  pinMode(relayPin, OUTPUT);\n  \n  \/\/ PIN-Modes\n  pinMode(triggerPin, OUTPUT);\n  pinMode(echoPin, INPUT);\n  digitalWrite(triggerPin, HIGH);\n}\n\nfloat distance() {\n  float d = 0;\n  long t = 0;\n\n  noInterrupts();\n  digitalWrite(triggerPin, LOW);\n  delayMicroseconds(3);\n  digitalWrite(triggerPin, HIGH);\n  delayMicroseconds(10);\n  digitalWrite(triggerPin, LOW);\n  t = pulseIn(echoPin, HIGH);\n  d = (t\/2) * 0.03435;\n  interrupts();\n  return(d);\n}\n\nvoid loop() {\n  \n  waterLevel = (1-(distance()\/barrelHeight))*100;\n\n  if (!pumpActive && (waterLevel <= 15) ) {\n    pumpActive = 1;\n  }\n\n  if (pumpActive && (waterLevel >= 92) ) {\n    pumpActive = 0;\n  }\n\n  \n\/\/  Serial.println(waterLevel);\n\n  \/\/ vor der n\u00e4chsten Messung warten wir eine Sekunde\n  delay (1000);\n  \n  if (pumpActive) {\n    digitalWrite(relayPin, HIGH);\n  } else {\n    digitalWrite(relayPin, LOW);\n  }\n\n}<\/code><\/pre>\n\n\n\n
Der Sketch unterscheidet sich nicht sonderlich viel vom Sketch des ersten Teils. Wir definieren wieder einige Konstanten (die GPIO Pins) und Variablen. In der setup()<\/strong> Routine definieren den Relay Pin als OUTPUT, das gleiche gilt f\u00fcr den Trigger Pin. Den Echo Pin definieren wir als INPUT (wir wollen ja das ECHO Signal des Ultraschall Sensors dar\u00fcber einlesen).  <\/p>\n\n\n\n
Interessant ist dann noch das eigentliche Messen. Hierzu deaktivieren wir zun\u00e4chst die Interrupts<\/a> des ESP32 – sicher ist sicher. Dann ziehen wir den Trigger Pin f\u00fcr 3\u00b5s auf LOW, anschlie\u00dfend f\u00fcr 10\u00b5s auf HIGH und danach wieder auf LOW. Dies l\u00f6st beim Ultraschall Sensor die Messung aus, dessen Ergebnis wir dann \u00fcber den ECHO Pin auslesen k\u00f6nnen. Nachdem die Messung (und die Berechnung der Entfernung) abgeschlossen ist, schalten wir die Interrupts wieder ein. <\/p>\n\n\n\n
In der loop()<\/strong> Schleife f\u00fchren wir dann die Distanzmessung aus (Besonderheit hier bei unserer Formel: wir bestimmen anhand des gemessenen Abstands zu wie viel Prozent das Fass gef\u00fcllt ist). \u00dcber zwei if<\/strong> Abfragen zum zuvor berechneten F\u00fcllstand legen wir dann fest, ob das Relay geschaltet werden muss oder nicht. <\/p>\n\n\n\n
Das Sensor Geh\u00e4use<\/h4>\n\n\n\n
Wenn wir so weit sind, dass wir die Schaltung zur Steuerung der Tiefbrunnenpumpe verbauen, m\u00fcssen wir uns auch Gedanken \u00fcber ein Geh\u00e4use f\u00fcr den Ultraschall Sensor machen. Dieser wird ja innerhalb des Fasses mittig auf die Unterseite des Fassdeckels montiert werden m\u00fcssen, damit er vern\u00fcnftig messen kann. Daher habe ich mittels TinkerCAD ein passgenaues Geh\u00e4use f\u00fcr den Sensor erstellt. <\/p>\n\n\n\n