Tankdeckel mit Füllstandsanzeige

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

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Einleitung

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[1] 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.

Datei:Funktionaler Systementwurf V3.png
Abb. X Funktionaler Systementwurf Gesamtsystem

Messstrecke

Das System kann als Messtrecke dargestellt werden.

Datei:Messstrecke.png
Abb. X Funktionaler Systementwurf als Messstrecke

Regelkreis

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

Datei:Regelkreis.png
Abb. X Funktionaler Systementwurf als Regelkreis

Technischer Systementwurf

Hardware

Datei:Technischer Systementwurf V3.tiff
Abb. X Technischer Systementwurf Hardware

Software

Datei:PAP Wasserstandsmessung V3.png
Abb. X Programmablaufplan
Datei:Technischer Systementwurf V4.bmp
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 LiPo Akku mit integrierter Schutzschaltung 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 Für praktischen Einsatz geeigneter, ggf. Firmware Update nötig 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 Für praktischen Einsatz geeigneter, ggf. Firmware Update nötig Nein 13 €
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 zu teuer und lange Lieferzeit Für praktischen Einsatz geeigneter, ggf. Firmware Update nötig 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.

Datei:Explosion mit Beschriftung.png
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.

Datei:Tank Umriss im CAD.PNG
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.

Datei:Anschlussplan Tankdeckel.png
Abb. X Anschlussplan

Software

Der Füllstandssensor wurde zunächst mit Simulink simuliert und dann mit der Software Arduino IDE[2] programmiert.

Simulation

Datei:Simulation V2.png
Abb. X Simulation mit Simulink
Datei:Simulation Stateflow Tankdeckel.png
Abb. X Umsetzung als Stateflow
Datei:Scope mit Kommentar V2.png
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“[3] und für das Display „Ucglib“[4] zum Einsatz. Das YouTube-Video von InterlinkKnight[5] 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

Datei:Integrationstest.jpg
Komponententest Ultraschallsensor
Datei:20-2cm.png
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.

Datei:Integrationstest.jpg
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.

Zusammenfassung

Der entworfene Deckel mit Füllstandsanzeige kann als Prototyp im Einsatz an einer Kaffeemaschine verwendet werden.

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

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)
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
E5 Extra Arduino Stromversorgung System verbraucht durchgehend gleich viel Strom Deep Sleep JD

Projektunterlagen

Projektplan

Projektdurchführung

Literaturverzeichnis

  1. ↑ Prof. Dr. Mirek Göbel (2020): Beispielartikel. [1] Letzter Aufruf: 14.02.2020.
  2. ↑ wikipedia: Arduino (Plattform). [2] Letzter Aufruf: 14.02.2020.
  3. ↑ microflo, GitHub: NewPing.h Bibliothek. [3] Letzter Aufruf: 14.02.2020
  4. ↑ olikraus, GitHub: Ucglib.h Bibliothek. [4] Letzter Aufruf: 14.02.2020
  5. ↑ InterlinkKnight, YouTube: Arduino Tutorial: 1.8" TFT Color Display ST7735 128x160. [5] Letzter Aufruf: 14.02.2020


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