Tankdeckel mit Füllstandsanzeige

Abb. X Tankdeckel mit Füllstandsanzeige

Autoren: Jan Drupka, Fabian Soldanski
Betreuer: Prof. Göbel

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Einleitung

Abb. X Ausgangslage (Tankinhalt frontal unsichtbar)

Der Tankdeckel mit Füllstandsanzeige soll eine bestehende Kaffeemaschine aufwerten, sodass der bisher nicht einsehbare Wasserstand angezeigt wird. Dazu wird ein neuer Tankdeckel mit einem integrierten Farbdisplay konstruiert, welcher den Wasserstand grafisch anzeigt. Das Display wird so angebracht, dass der Anwender es gut ablesen kann. Als Optionen werden eine interne Stromversorgung und eine Aktivierung durch Touch festgehalten.

Das systematische Vorgehen bei der Entwicklung des Modells orientiert sich am V-Prozessmodell. Die Gliederung des Arikels ist an den gegebenen Beispielartikel angelehnt.

Anforderungen

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Wasserstand im Tank erkennen	Jan Drupka, Fabian Soldanski	08.02.2020	Jan Drupka, Fabian Soldanski	10.02.2020
2	Passend für bestehenden Wassertank	Jan Drupka, Fabian Soldanski	08.02.2020	Jan Drupka, Fabian Soldanski	11.02.2020
3	Tankinhalt vor Staub und Verunreinigungen schützen	Jan Drupka, Fabian Soldanski	08.02.2020	Jan Drupka, Fabian Soldanski	11.02.2020
4	Anzeige über Farbdisplay	Jan Drupka, Fabian Soldanski	08.02.2020	Jan Drupka, Fabian Soldanski	10.02.2020
5	Positionierung des Displays unter ergonomischen Gesichtspunkten	Jan Drupka, Fabian Soldanski	08.02.2020	Jan Drupka, Fabian Soldanski	11.02.2020
6	USB-Anschluss des Arduino von Außen zugänglich	Jan Drupka, Fabian Soldanski	08.02.2020	Jan Drupka, Fabian Soldanski	11.02.2020
7	Stromversorgung über Netzteil/Powerbank	Jan Drupka, Fabian Soldanski	08.02.2020	Jan Drupka, Fabian Soldanski	10.02.2020
8	Stromversorgung über Netzteil/Powerbank, Optional: Interne Stromversorgung durch LiPo-Akku	Jan Drupka, Fabian Soldanski	08.02.2020	Jan Drupka, Fabian Soldanski	10.02.2020
9	Optional: Aktivierung durch Touch	Jan Drupka, Fabian Soldanski	08.02.2020	Jan Drupka, Fabian Soldanski	11.02.2020
9	Optional: Angenehmer Warnton über kleinen Lautsprecher	Jan Drupka, Fabian Soldanski	08.02.2020	Jan Drupka, Fabian Soldanski	11.02.2020

Funktionaler Systementwurf

Gesamtsystem

Diese Ansicht bietet eine Übersicht über die Sensoren, den Microcontroller und die Aktoren des Systems.

Abb. X Funktionaler Systementwurf Gesamtsystem

Messstrecke

Das System kann als Messtrecke dargestellt werden.

Abb. X Funktionaler Systementwurf als Messstrecke

Regelkreis

Betrachtet man den Mensch als Stellglied, kann das System auch als Regelkreis dargestellt werden.

Abb. X Funktionaler Systementwurf als Regelkreis

Technischer Systementwurf

Hardware

Abb. X Technischer Systementwurf Hardware

Software

Abb. X Programmablaufplan

Abb. X Technischer Systementwurf Software

Komponentenspezifikation

Anzahl	Kategorie	Name	Link	Ausgewählt	Anmerkung	Vorhanden	Preis
1	Microcontroller	Arduino Nano	https://store.arduino.cc/arduino-nano	Ja	Für praktischen Einsatz geeigneter, ggf. Firmware Update nötig	Ja	20€
1	Stromquelle	Crazepony-UK 2pcs 1s Akku 3.7V 650mAh Lipo Battery with USB Charger	https://www.amazon.de/Crazepony-UK-Battery-Charger-Ladeger%C3%A4t-Vehicle/dp/B078HM9L7X	Nein	Erfordert individuellen Adapter, kann nur extern geladen werden	Nein	8€
		EREMIT Lithium Polymer LiPo Batterie Akku 1800mAh	https://www.amazon.de/EREMIT-Lithium-Polymer-Batterie-103450/dp/B07WTWPN6K	Nein, da BMS zu teuer	Erfordert BMS	Nein	13 €
		5000 mAh Power Bank		Ja	Wird von außen an den Mini USB Anschluss des Arduino Nano angeschlossen. Beinhaltet bereits alle Funktionen des teuren BMS (Battery Babysitter).	Ja
1	BMS (Battery Management System)	SparkFun Battery Babysitter - LiPo Battery Manager	https://www.exp-tech.de/zubehoer/batterien-akkus/lipo-charger/7370/sparkfun-battery-babysitter-lipo-battery-manager	Nein, da für diesen Einsatz zu teuer	Aktuell nicht nötig, da die 5000 mAh Power Bank als Stromquelle genutzt wird	Nein	26 €
1	Sensor für Wasserstand	HC-SR04 Ultraschallsensor		Ja	Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis, Totzone 2 cm	Ja	5€
		Sharp IR GP2Y0A41SK0F Distanz-Sensor	https://www.conrad.de/de/p/sharp-gp2y0a41sk0f-distanz-sensor-1-st-5-v-dc-reichweite-max-im-freifeld-30-cm-504596.html	Nein, da zu teuer und 4 cm Totzone	Erläuterung auf Rückfrage zur Projektmesse		29€
1	Bildschirm	SPI TFT Display 1,8 Zoll mit 128 x 160 Pixeln	https://www.amazon.de/AZDelivery-Pixeln-Display-Arduino-Raspberry/dp/B078J5TS2G/260-3424412-6872424?psc=1	Ja	Display mit SPI	Ja	8€
1	Optional: Sensor für Aktivierung	TTP223 kapazitiver Touch Sensor	https://www.ebay.de/itm/TTP223-Arduino-Capacitive-Kapazitiver-Touch-Sensor-Arduino-Raspberry-Pi/253381740902	Nein	5 x 10,5 mm (kapazitiv unsichtbar, Gehäusetouch möglich)	Ja	3€
1	Optional: Ein- und Ausschalter	Mini Kippschalter Wippschalter 9x13mm	https://www.ebay.de/itm/Mini-Kippschalter-Wippschalter-9x13mm-Switch-2-Pin-12V-24V-250V-6A-EIN-AUS/184283200524	Nein, da keine interne Stromversorgung		Ja	3€
4	Schrauben für 2 mm Löcher im Display	M2		Ja		Nein
3	Schrauben mit Muttern für das Displaygehäuse	M3		Ja		Ja
2	Schrauben mit Muttern für den Deckelboden	M3		Ja		Ja

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Die verwendeten Hardwarekomponenten sind in der Spezifikation aufgelistet. Abb. X zeigt den Aufbau des Deckels mit Füllstandsanzeige.

Abb. X Technischer Systementwurf Software

Als Display wurde ein 1,8 Zoll TFT Farbdisplay gewählt. Durch einen hohen Kontrast und eine hohe Helligkeit kann der Wasserstand gut abgelesen werden. Darüber hinaus bietet das Display die Möglichkeit zur Programmierung von grafischen Elementen, um eine anschauliche Darstellung zu ermöglichen.

Als Microcontroller kommt der Arduino Nano zum Einsatz. Bei geringer Größe bietet er genügend Ein-/Ausgänge für die verwendeten Sensoren und Aktoren.

Zur Ermittlung des Wasserstands kommt ein Ultraschallsensor HC-SR04 zum Einsatz. Mit seiner geringen Totzone von nur 2 cm ist er gut geeignet für den Einsatz in geringem Bauraum. Außerdem bietet er ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Das Gehäuse wurde in der CAD-Software Inventor konstruiert und in einem 3D-Drucker gedruckt. Damit das Gehäuse bzw. der Deckel auf den vorhandenen Tank passt, wurde dieser auf einem DIN A4 Blatt abgepaust und eingescannt.

Abb. X Umriss des Tanks

Nun konnten die Linien in Inventor nachgezeichnet werden (Abb. X). Zur Berücksichtigung der Wanddicken wurden diese ebenfalls ausgemessen. Die einzelnen Elemente des Gehäuses sind über M3 Schrauben verbunden. Die M3 Muttern wurden mit Hilfe eines Lötkolbens in das Gehäuse eingepresst.

Die Verkabelung der einzelnen Komponenten erfolgte über Breadboard Kabel. Abb. X zeigt die Verkabelung. Da der Arduino Nano nur einen 5V Ausgang hat, wurde der VCC Pin des Ultraschallsensors an D5 des Arduino angeschlossen.

Abb. X Anschlussplan

Software

Der Füllstandssensor wurde zunächst mit Simulink simuliert und dann mit der Software Arduino IDE programmiert.

Füllversuch

Um eine Kennlinie zwischen Distanz zur Wasseroberfläche und im Tank befindlichem Volumen erstellen zu können und von ihr eine dazugehörige Funktion ableiten zu können, wurde ein Versuch durchgeführt. Dazu wurde schrittweise mehr Wasser in den Tank gefüllt und die Füllhöhe gemessen.

Abb. X Versuchsergebnisse des Füllversuchs

Nachdem das Offset des Messmittels berücksichtigt wurde, konnte mithilfe der Positionsdaten aus dem CAD-Modell die Distanz der Wasseroberfläche zum Tankboden in die Distanz zum Sensor umgerechnet werden. Die Distanz zum Sensor wird in Abb. X im Verhältnis zum Volumen im Tank dargestellt.

Abb. X Versuchsergebnisse des Füllversuchs

Von dieser Kennlinie konnte das Polynom y = -0,0074x3 + 0,9279x2 - 89,659x + 1733,1 zur Bestimmung des Volumens des Tankinhalts anhand der gemessenen Distanz der Wasseroberfläche zum Sensor abgeleitet werden.

Simulation

Der Tankdeckel mit Füllstandsanzeige wurde zunächst mit Simulink simuliert. Dazu wurden alle im technischen Systementwurf aufgestellten Ein- und Ausgänge für den Microcontroller, der hier als Stateflow modelliert wurde, simuliert. (Abb. X) Die Auslösung durch einen Touch Sensor wurde mithilfe des Buttons "Aktivierung" simuliert. Dieser ändert während er gedrückt wird den Wert des Aktivierungssignals von 0 auf 1. Die Reaktion auf verschiedene gemessene Distanzen wurde mithilfe verschiedener Konstanten simuliert.

Abb. X Simulation mit Simulink

Da im Stateflow (Abb. X) keine Strings verarbeitet werden konnten, wird hier mit verschiedenen Zahlenwerten gearbeitet, die für verschiedene Zustände und Aktionen stehen. (Abb. X)

Abb. X Umsetzung als Stateflow

Abb. X Ergebnis der Simulation

Programmierung

Programmiert wurde der Tankdeckel mit Füllstandsanzeige mit der integrierten Entwicklungsumgebung des Arduinos. Der mit Simulink Coder generierte Code war für den einsatz im Projekt nicht hinreichend optimiert. Für den Ultraschallsensor kam die Bibliothek „NewPing“ und für das Display „Ucglib“ zum Einsatz. Die Bibliothek "NewPing" wurde genutzt, um aus mehreren Messungen einen Mittelwert zu berechnen. Dies sollte der gegebenen Ungenauigkeit des Ultraschallsensors von 3-5 mm und der vibrierenden Wasseroberfläche entgegenwirken. Das YouTube-Video von InterlinkKnight war eine gute Hilfestellung für die Ansteuerung des Displays.

<div style="width:100%; height:300px; overflow:auto; border: 2px solid #000">

Einbinden der Bibliotheken:
<pre>
#include <NewPing.h> //für den Ultraschall-Sensor
#include <Ucglib.h> //für das TFT-Display
</pre>

Definition aller Pins, globaler Variablen, Einstellungen für die genutzten Bibliotheken, sonstige Einstellungen

Setup:
<pre>
// SETUP
void setup() {

  // ULTRASCHALLSENSOR PLUSPOL
  pinMode(5,OUTPUT);
  digitalWrite(5,HIGH);
  
  //---------
  // DEBUG
  Serial.begin(9600);

  // ---------
  // DISPLAY SETUP
  ucg.begin(UCG_FONT_MODE_SOLID);
  ucg.clearScreen();
  ucg.setRotate90();  // Put 90, 180 or 270, or comment to leave default
  ucg.setFont(ucg_font_profont15_mr);

  // ---------
  // DISPLAY STATISCHER INHALT
  // Gruß
  ucg.setColor(0, 255, 255, 255);  // Set color (0,R,G,B)
  ucg.setColor(1, 0, 0, 0);  // Set color of text background (1,R,G,B)
  ucg.setPrintPos(0,24);  // Set position (x,y)
  ucg.print("Bester Kaffee :)");  // Print text or value
  
  //"Aktueller Fuellstand"
  ucg.setColor(0, 255, 255, 255);  // Set color (0,R,G,B)
  ucg.setPrintPos(0,45);  // Set position (x,y)
  ucg.print("Aktueller");  // Print text or value
  ucg.setPrintPos(0,60);  // Set position (x,y)
  ucg.print("Wasserstand:");  // Print text or value
  
  // Rahmen vom Tank
  ucg.setColor(0, 255, 255, 255);  // Set color (0,R,G,B)
  ucg.drawFrame(90, 36, 65, 80);  // Start from top-left pixel (x,y,width,height)

  // Einheiten
  ucg.setPrintPos(35,80);  // Set position (x,y)
  ucg.print("ml");  // Print text or value
  ucg.setPrintPos(35,95);  // Set position (x,y)
  ucg.print("%");  // Print text or value
}
</pre>

Loop:
<pre>
// LOOP
void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:

  // ---------
  // DEEPSLEEP
  // kommt evtl. später

  // ---------
  // MESSUNG MIT MITTELUNG
  delay(500); // Wartezeit zwischen Pings (ca. 20 pings/sec). nicht kleiner als 29ms!
  sensorZeit = sonar.ping_median(anzahlMessungen);
  //Alternativ sensorZeit = sonar.ping() ohne Mittelung
  berechneteDistanz = (sensorZeit/2)*0.0343; // Umrechnung Zeit in Abstand

  // ---------
  // UMRECHNUNGEN
  // berechneteWasserlinie = LEVELEMPTY-berechneteDistanz;
  // berechnetesVolumen = 0.5108*berechneteDistanz*berechneteDistanz-81.479*berechneteDistanz+1684.9;
  // berechnetesVolumen = 0.4642*berechneteDistanz*berechneteDistanz-80.846*berechneteDistanz+1684;
  if(berechneteDistanz<2.5){
    berechnetesVolumen=1600;
  }
  else{
      berechnetesVolumen = -0.0074*berechneteDistanz*berechneteDistanz*berechneteDistanz+0.9279*berechneteDistanz*berechneteDistanz-89.659*berechneteDistanz+1733.1;
  }
  if (berechnetesVolumen<20){
    berechnetesVolumen=0;
  }
  else{}
  gerundetesVolumen = (int)(berechnetesVolumen+0.5);
  volumenProzent = berechnetesVolumen/1600*100;

// ---------
  // DISPLAY DYNAMISCHER INHALT
  // ucg.clearScreen();
  // Aktueller Wasserstand
  ucg.setColor(0, 0, 76, 153);

  if (gerundetesVolumen>=1000){
    ucg.setPrintPos(0,80);  // Set position (x,y)
    ucg.print(gerundetesVolumen);  // Print text or value
  }
  else if (gerundetesVolumen>=100){
    ucg.setPrintPos(0,80);  // Set position (x,y)
    ucg.print(gerundetesVolumen);  // Print text or value
    ucg.setPrintPos(21,80);  // Set position (x,y)
    ucg.print(" ");  // Print text or value
  }
  else if (gerundetesVolumen >=10){
    ucg.setPrintPos(0,80);  // Set position (x,y)
    ucg.print(gerundetesVolumen);  // Print text or value
    ucg.setPrintPos(14,80);  // Set position (x,y)
    ucg.print("  ");  // Print text or value
  }
  else{
    ucg.setPrintPos(0,80);  // Set position (x,y)
    ucg.print(gerundetesVolumen);  // Print text or value
    ucg.setPrintPos(7,80);  // Set position (x,y)
    ucg.print("   ");  // Print text or value
  }
  
  // ucg.setPrintPos(35,80);  // Set position (x,y)
  // ucg.print("ml");  // Print text or value

  // ucg.setPrintPos(0,80);  // Set position (x,y)
  // ucg.print(gerundetesVolumen);  // Print text or value

  if (volumenProzent==100){
    ucg.setPrintPos(0,95);  // Set position (x,y)
    ucg.print(volumenProzent);  // Print text or value
  }
  else if (volumenProzent>=10){
    ucg.setPrintPos(0,95);  // Set position (x,y)
    ucg.print(volumenProzent);  // Print text or value
    ucg.setPrintPos(14,95);  // Set position (x,y)
    ucg.print(" ");  // Print text or value
  }
  else{
    ucg.setPrintPos(0,95);  // Set position (x,y)
    ucg.print(volumenProzent);  // Print text or value
    ucg.setPrintPos(7,95);  // Set position (x,y)
    ucg.print("  ");  // Print text or value
  }
  
  // ucg.setPrintPos(35,95);  // Set position (x,y)
  // ucg.print("%");  // Print text or value

  // Wasserstand-Grafik
  grafikFuellHoehe = 78*volumenProzent/100;
  grafikFuellYPosition = 37+(78-grafikFuellHoehe);
  ucg.setColor(0, 0, 128, 255);  // Set color (0,R,G,B)
  // ucg.setColor(0, 153, 76, 0);  // Set color (0,R,G,B)
  ucg.drawBox(91, grafikFuellYPosition, 63, grafikFuellHoehe);  // Start from top-left pixel (x,y,wigth,height)
  grafikLeerHoehe=78-grafikFuellHoehe;
  grafikLeerYPosition=37;
  ucg.setColor(0, 0, 0, 0);  // Set color (0,R,G,B)
  ucg.drawBox(91, grafikLeerYPosition, 63, grafikLeerHoehe);

  // DEBUG
  Serial.print(berechneteDistanz);
  Serial.print(" cm; ");
  Serial.print(gerundetesVolumen);
  Serial.print(" ml; ");
  Serial.print(volumenProzent);
  Serial.println(" %;");
}
</pre>

</div>

Komponententest

Abb. X Komponententest Ultraschallsensor

Abb. X Komponententest Display

ID	Komponente	Test	Erwartete Funktion	Testergebnis	Testperson	Datum
1	Ultraschallsensor	Distanzermittlung mit Lineal als Referenz	Distanzermittlung	OK	Fabian Soldanski	10.02.2020
2	Display	Darstellung eines Testframes	Fehlerlose Anzeige von Text und grafischen Elementen	OK	Jan Drupka	10.02.2020
3	3D-gedrucktes Gehäuse	Anprobieren am Tank	Passt auf den Tank	OK	Jan Drupka, Fabian Soldanski	11.02.2020

Integrationstest

Bevor der Tankdeckel mit Füllstandsanzeige in dem eigens für ihn entwickelten und produzierten 3D-gedruckten Gehäuse montiert wurde, erfolgte ein Integrationstest auf dem Breadboard.

Abb. X Integrationstest

Systemtest/Ergebnis

Die am Anfang des Projektes aufgelisteten Anforderungen wurden erfüllt. Der Wasserstand wird über ein Farbdisplay gut erkennlich angezeigt. Der Anwender muss seine Körperhaltung nicht verändern, um das Display bei Bedienung der Kaffeemaschine ablesen zu können. Der Deckel deckt den Tank vollständig ab und schützt den Inhalt somit vor Schmutz. Der USB-Anschluss des Arduino ist von Außen gut zugänglich, sodass wahlweise eine Powerbank oder ein Netzteil angeschlossen werden kann.

Im Langzeittest stellte sich heraus, dass die Vibrationen der Kaffeemaschine sich stark auf Klebebefestigungen auswirken. Die 5000 mAh Power Bank konnte den Tankdeckel mit Füllstandsanzeige drei bis vier Tage durchgehend betreiben. Möglichkeiten zur Verbesserung wurden in der [#Verbesserungstabelle Verbesserungstabelle] gesammelt.

Zusammenfassung

Der entworfene Deckel mit Füllstandsanzeige kann als Prototyp im Einsatz an einer Kaffeemaschine verwendet werden. Der Rapid Prototyping Approach führte für die verfügbare Zeit zu einem sehr guten Ergebnis.

Lessons Learned

Jedoch gibt es ein paar Verbesserungen, wie den Einsatz eines integrierten Akkus. In Kombination mit einem Aktivierungssensor kann der Deckel so autark und stromsparend (Deep Sleep Funktion) eingesetzt werden.

Verbesserungstabelle

Die folgende Verbesserungstabelle zeigt eine Auswahl der gesammelten Verbesserungsmöglichkeiten, die für den nächsten Prototyp berücksichtigt werden.

ID	Typ	Komponente	Subkomponente	Problem	Lösung	Zuständigkeit
P2	Problem	Arduino	Code	Warnung bei niedrigem Wasserstand noch nicht auffällig genug	Auffällige Warnung programmieren	JD
P3	Problem	Gehäuse	Allgemein	Etwas zu klein	Im CAD etwas größer machen	FS
P5	Problem	Gehäuse	Oberteil	Durch starke Vibration fällt das Display ein	Schraubbefestigung	FS
P7	Problem	Gehäuse	Unterteil/Deckel	Spalt und Ausbiegung durch Druck von innen	2 Weitere Schraubbefestigungen im CAD hinzufügen, evtl. kürzere & flexiblere Kabel, da 2 weitere Schraubverbindungen viel Platz weg nehmen	FS
P8	Problem	Gehäuse	Unterteil	Arduino sitzt noch nicht sicher genug	Besseres "Bett" bzw. Mounting Bracket (Inspiration: https://www.google.com/search?safe=active&tbm=isch&q=arduino+nano+mounting) oder Schraubbefestigung	FS
E1	Extra	Arduino	Code	Misst durchgehend	Messung nach Auslösung (Touchsensor oder Vibrationssensor)	JD, FS
E2	Extra	Gehäuse	Unterteil	Sehr schwere Montage	Schablone für Pins von unten	JD
E3	Extra	Arduino	Code	Warnmeldung nicht auffällig genug	Warnung auf neue Seite programmieren	JD
E4	Extra	Arduino	Stromversorgung	Powerbank muss immer daneben liegen	Stromversorgung im Tankdeckel unterbringen	JD, FS
E5	Extra	Arduino	Stromversorgung	System verbraucht durchgehend gleich viel Strom	Deep Sleep	JD

Projektunterlagen

Projektplan

Im Projektplan ist auch zu erkennen wie das neue Projekt bereits parallel zum alten Projekt anlief, um einen Übergang mit darauf folgendem Rapid Prototyping Approach umzusetzen. Aufgrund der zügig aufeinander folgenden Schritte werden hier Tage anstelle von KW angegeben.

Abb. X Projektplan

Direktlink zum Projektplan in Originalgröße.

Projektdurchführung

Die vollständigen Unterlagen zur Durchführung des Projekts befinden sich hier im SVN.

Video

Direktlink zum Video.

Literaturverzeichnis

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