Der µ-Windmesser

Aus eigenem Interesse und dem erlangten Wissen durch das µ-Oszilloskop Projekt, ging ich an die Thematik heran, einen Windmesser zu bauen.

Das warf zu aller erst Fragen der einzusetzenden Techik auf. Verschiedene Möglichkeiten und Technologien standen zur Auswahl.

• Mechanische, induktive Windmessung per "Generator"
• Mechanische, drehzahlgekoppelte Windmessung
• Ultraschall - Delay Windmessung

Meine zuerst getestete Methode ist die Windmessung über die induzierte Spannung an einem Modellbau-Elektromotor, eingesetzt als Generator. Beim anfänglichen Versuch mit dem Oszilloskop erreichte der Motor eine Spannung von maximal 0,02 V also 20mV. Das war für den AD-Wandler des µ-Controllers natürlich viel zu wenig.

Um den Motor zum Drehen zu bekommen wurde kurzerhand aus Reise-Rasierschaumdosen-Kappen und drei Schaschlikspiesen ein kleines Windrad gebastelt, wie es von vielen Annemometern bekannt ist. Der große Vorteil an dieser Art der Windmessung liegt an der Richtungsunabhängigkeit.




Der Verstärker

Als Verstärker der Spannung kamen nur zwei Varianten in Frage. Ein Transistor Differenzverstärker oder ein Operationsverstärker. Da anfangs keine OP's zur Verfügung standen waren die ersten Versuche den Bipolartransistoren verschrieben. Leider langte auch hier die Verstärkung bei weitem nicht aus um den ADC ausreichend auszusteuern.

Inzwischen kam die Bestellung mit den TL081 Operationsverstärkern. Ein erster Testaufbau auf dem Steckbrett löste allgemeine Begeisterung aus. Durch das Verhältnis 1k zu 47k Ohm erreicht das Annemometer für "gängige" Windstärken den Aussteuerbereich des µCs von 0 V bis 4,5 V optimal.



Der einzige Nachteil des Aufbaus ist, dass zwei Stromquellen verwendet werden müssen. Also µC und Verstärker getrennt, um die +- Versorgungsspannung des OPs zu gewährleisten. Dazu dienen zwei 9 V Block Batterien. Der OP wird mit 0V-9V versorgt, der Pluseingang sowie die anderen GND Anschlüsse werden an den virtuellen Groundpunkt des Spannungsteilers angeschlossen.

Die Schaltung wurde gewollt oder ungewollt sehr klein aufgebaut. Man sieht, sogar eine Lochrasterplatine kann man beidseitig bestücken.





Bei dieser Lösung stellten sich zwei große Probleme, die das Projekt so nicht duplizierbar machen.
Zum Einen hat das Ausgangssignal des Generators nach der Verstärkung und sogar nach Glättung immer noch eine gewisse Welligkeit, die sich in den Werten des ADC als Rauschen niederschlägt und einige Messungen mit Mittelwertbildung erfordert.
Zum Anderen hat der Motor keine lineare Kennlinie. D. h. die Ergebnisse müssten danach noch entzerrt werden, was einen großen Aufwand zur Folge hat. Über die zwei getrennten Spannungsversorgungen ganz zu schweigen.

Daher wird nun eine Lösung verwendet, die in sich linear ist. Und zwar per Kontakt pro Umdrehung. Damit kann ein Interrupt ausgelöst werden und ein Counter zählt die Takte pro Umdrehung.

Wichtig ist nun die richtige Mechanik zu finden. In Frage für den Kontakt kommen Gabellichtschranke oder Reedkontakt. Die Lösung mit Reedkontakt ist am flexibelsten und ist leicht reproduzierbar.



Auf Grund des Gehäuses, das über die Achse und Elektronik gestülpt wird ist ein Spritzschutz gewährleistet. So ist der Einsatz im Freien über längere Zeit ohne Probleme möglich. Also wesentlich besser, als bei der Version mit dem Motor, der extra ein Gehäuse außenrum gebraucht hätte.

Zur Führung dient ein Kugellager, das mit Spezialreiniger vom schwergängigen Fett befreit wurde. Als Achse dient vorerst ein Rundstab aus Polydingsbums. An der Achse ist der Reedkontakt fixiert, der Magnet und das gegenüberliegende Gegengewicht sind an der Gehäuseinnenseite angebracht.




Prinzipieller Aufbau des Windgeschwindigkeitsmessers

Für eine angemessene Darstellung der Windgeschwindigkeit und geringem Bauteilaufwand finden zwei 7-Segmentanzeigen Verwendung. Das erste Bild zeigt den ersten Test mit einer Anzeige. Inzwischen werden zwei verwendet, deren Ansteuerung gemultiplext wird. Als Basis dient wieder der Atmega8. Dabei ist PORTB für die Ansteuerung verantwortlich, PORTC 1 und 2 wählen die jeweilige Anzeige aus.





Die 7 Segmentanzeige ist eine Ansammlung von 7 LED's und es gibt sie mit gemeinsamer Anode oder gemeinsamer Kathode. Für die Ansteuerung benötigt man also 7 Vorwiderstände. Die einzelnen Segmente werden wie folgt gekennzeichnet.



Verbindet man die Segmente nach 0-a, 1-b,... kann ein Array mit den Werten zusammenstellen die den dezimalen Anzeigen entsprechen. Zur Herleitung hier eine Tabelle.




Die hier verwendeten 7 Segmentanzeigen arbeiten laut Datenblatt bei 1,7V und 20mA. Daraus lässt sich der jeweilige Vorwiderstand errechnen.



Entwicklung der Platine


Das Layout wurde mit Eagle erstellt, dann mit einem Laser auf Fotopapier ausgedruck und auf die Platine aufgebügelt.



Nach dem Ätzen in Natriumpersulfat kann der Toner, der durch das Bügeln auf die Platine aufgetragen wurde, wieder mit einem handelsüblichen Nagellackentferner entfernt werden. Alkohol, Waschbenzin und Terpentinersatz zeigten bei mir keine Wirkung. Anscheinend wirkt beim Nagellackentferner das Azeton.



Um die Platine bestückungsfertig zu machen müssen die Löcher noch gebohrt werden. Es empfiehlt sich ein "Dremel" mit Bohrständer wie es Proxon zum Beispiel anbietet. Es kann aber auch per Hand gebohrt werden. Man muss bei beiden Varianten aber darauf achten, dass wirklich ein feiner, passender Bohrer verwendet wird.
Leider sieht die Platine von oben etwas kahl aus. Abhilfe kann mit dem gleichen Verfahren geschaffen werden, mit dem wir das Layout auf die Kupferseite bekommen haben. Ein gutes Beispiel dazu findet ihr in der Gallerie.



Nachdem alle Bauteile aufgebracht wurden, kann der erste Test anlaufen. In dem Windmesserprojekt habe ich bewusst auf eine stabilisierte Spannungsversorgung verzichtet, da er nur im Batteriebetrieb gefahren wird. D. h. zum Einen ist die Spannung stabil genug und der Atmega8L sehr tolerant in der Versorgungsspannung, zum anderen benötigt der 7805 nur unnötig Leistung und würde die Laufzeit der Batterien verkürzen.



Als Testprogramm wurde ein einfacher Zähler von 0 - 99 implementiert. Alles funktionierte auf den ersten Anlauf, so dass die Windmesserfirmware aufgespielt werden konnte und der Ü-Ei Windmesser zum Funktionstest angeschlossen wurde. Aus Platzgründen wurde auf eine ISP Schnittstelle verzichtet, so musste der µC zum Programmieren immer aus der Fassung genommen werden. Aber da ich nicht allzu häufig ein Update plane sollte es im Rahmen liegen...



Zu guter Letzt wurde die schöne, eigene Platine in ein passendes Pultgehäuse gepackt. Die Lebensdauer mit drei AA Batterien kann ich noch nicht genau vorhersagen, sie sollte aber auf Grund der 40% Ansteuerung der 7-Segmentanzeige und dem energiesparenden Schaltungsdesigns recht lange halten.

Alles in allem ein sehr schönes und vorallem ein abgeschlossenes Projekt mit viel Lernerfolg und einem gutaussehenden Endprodukt.