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18-Bit Analog-Datenlogger

Immer mal wieder hat man das Problem, dass man mehrere Daten erfassen und über einen längeren Zeitraum auswerten möchte. Meist fehlt es aber an der gemeinsamen Auswertung der Messwerte, weil nicht alle Geräte  unterstützt werden oder einige Geräte eine eigene Auswerte-Software besitzen, die auch nur das spezielle Gerät auslesen kann.

Also muss eine Lösung her. Datenlogger gibt es ja nun wie Sand am Meer. Aber mir ging es auch um eine hohe Auflösung der Messwerte um z.B. auch eine Kalibrierquelle präzise messen zu können. Aber da  wird es auch  schon relativ teuer. Bei diesem 18-Bit Datenlogger beträgt die Auflösung 15,625µV! Damit kann man dann präzise genug messen. Der Selbstbau wird auch sehr viel preiswerter als eine entsprechende Kauflösung.


Oberseite 18-Bit Analog Datenlogger                    (Bild: DG1KPN)


Unterseite 18-Bit Analogdatenlogger                    (Bild: DG1KPN)

Der Aufbau ist mit wenigen Bauteilen realisiert. Kernstück ist der Controller ATMega328P, der in der Schaltung programmiert wird. Als Analog/Digitalwandler wird der MCP3424 von Microchip eingesetzt. Softwareseitig vorgesehen ist auch  der 16-Bit ADC MPC3428. Durch entsprechende Compilierung können beide ADC eingesetzt werden. Mit dem MCP3428 beträgt die Auflösung dann 62,5µV. Die Eingänge sind direkt auf den A/D-Wandler geführt. Auf vorgeschaltete Puffer wurde verzichtet, um u.a.  Offset-Probleme zu vermeiden. Für die meisten Messaufgaben sollte der Eingangswiderstand von 2,25 Megaohm auch ausreichen, ansonsten muss eine Pufferstufe vorgeschaltet werden. Für  die  Spannungsversorgung von Sensoren wurden zwei Anschlussblöcke mit je vier Klemmen für 5V und GND vorgesehen. Hierbei ist zu beachten, dass die USB-Schnittstelle nur einen begrenzten Strom liefern kann. 

Hier sind jetzt zwei Bauteile mit vielen, eng  zusammenstehenden Anschlussbeinchen verbaut; der FT232R und der ATMega328P. Normalerweise trage ich bei SMD-Bauteilen Lötpaste auf und verlöte mit Heißluft. Da stößt man aber hier an die Grenzen. Zum Auftragen der Lötpaste benötigt man hier eine Edelstahl-Schablone. Diese wird von professionellen Printherstellern auf Wunsch mit der Platine geliefert. Hier muss man also eine andere Methode wählen: Man verlötet alle Pins mit reichlich Lötzinn, ohne Rücksicht auf Kurzschlüsse. Anschließend entfernt man den überschüssigen Lötzinn mit Entlötlitze. Mit etwas Übung funktioniert das sehr gut.    

Der Messbereich beträgt -2048mV bis 2048mV bei Verwendung mit Differenzeingang. Wird der Masse-Jumper für den Minus-Eingang gesteckt, beträgt der Messbereich 0 bis 2048mV.


Schaltung des 18-Bit Analog Datenloggers

Die Verbindung zum PC erfolgt über eine USB-Schnittstelle. Beim ersten Anstecken des Datenloggers wird von Windows der erforderliche Treiber automatisch installiert und eine virtuelle COM-Schnittstelle eingerichtet. Die Einstellungen der COM-Schnittstelle entsprechen weitgehend den Standard-Einstellungen. PC-seitig muss eventuell die Fluss-Steuerung der COM-Schnittstelle ausgeschaltet werden.

Die Erfassung der Messwerte erfolgt in Echtzeit, die Ausgabe an den PC aber erst, wenn alle vier Kanäle erfasst sind. Bei 18 Bit dauert die Erfassung aller vier Kanäle etwa 1 Sekunde. Bei 16 Bit geht es wesentlich flotter, es  dauert  nur ca. 250ms. Die Auswertung kann z.B. mit einem Terminal-Programm erfolgen. Ausgegeben werden die Messwerte in mV, zwischen -2048mV bis 2048mV. Als Trennzeichen wird ein "\" (Backslash) verwendet. 


Ausgabebeispiel der Messwerte via  "HyperTerminal"

Vorgesehen ist aber ein Betrieb mit dem Programm "RealView" von ABACOM. Hiermit ist eine sehr komfortable Auswertung - mit beliebig vielen Kanälen - möglich. Der Datenlogger muss hier als "User-Interface" ausgewählt werden. Die Nummer der COM-Schnittstelle und die Anzahl der Kanäle werden eingetragen: fertig. Damit ist der Datenlogger in RealView eingebunden und kann nun für Messungen verwendet werden.

                          
                            Bildschirm Copy RealView User Interface

Jede Messkurve kann jetzt einem beliebigen Kanal des User Interfaces frei zugeordnet werden. Benötigt man mehr als 4 Kanäle, können auch mehrere Datenlogger eingebunden werden.


Bildschirm Copy aus der Software "RealView", 3 Kanäle werden verwendet

Die einzelnen Kanäle können - passend zum Sensor - in beliebigen physikalischen Einheiten frei skaliert werden. Im obigen Beispiel mV und  °C. Es können auch virtuelle Kanäle eingerichtet werden, die beispielsweise das Produkt oder die Differenz aus anderen Kanälen darstellen. Der Anzeigewert kann auch durch Berechnung aus dem Messwert gebildet werden.

Bei Verwendung z.B. eines LM35-Temperatursensors, kann die Skalierung auch in °C angelegt werden.

                                     
                                      LM35 Temperatursensor

Der LM35 kann direkt am Datenlogger angeschlossen werden. Die Ausgabe entspricht 10mV/°C. Bei 25°C werden 250mV ausgegeben. Einfacher geht es nicht. Der Sensor im obigen Bild wurde mit Schrumpfschlauch überzogen, welcher innen mit Schmelzkleber beschichtet ist. Nach dem Schrumpfen ist der Sensor absolut dicht mit der Leitung verbunden und es können auch z. B. Flüssigkeiten gemessen werden.

Wenn auch negative Temperaturen gemessen werden sollen, muss in der Sensor-Schaltung eine virtuelle Masse gebildet werden. Spannungen können vom A/D-Wandler des Datenloggers nur in einem Bereich zwischen GND und Vcc gemessen werden. Der  Masse-Jumper darf in diesem Fall nicht gesteckt werden.

                  
Beispiel für einen Temperatursensor -55°C bis 150°C mit dem LM35


Anzeige einer Minustemperatur mit dem obigen Sensor

Die Temperaturabsenkung erfolgte durch die Anwendung von Kältespray.

Alternative Auswerte-Software
Wie schon beschrieben, arbeite ich mit der kostenpflichtigen Software "RealView". Das ist für mich eine sehr komfortable Software um solche Aufgaben durchzuführen. Aber es gibt auch gute Freeware-Lösungen. Auf der Webseite von Ulrich Albert Maassen findet man beispielsweise gute Lösungen. Freeware ist es aber nur für den privaten Gebrauch!


Hier beispielsweise eine Auswertung mit "Serial ComGrapher"

Im Bild links sieht man, als Beispiel, ein analoges Instrument, welches man z.B. mit dem Programm "SerialComInstruments" - von der gleichen Webseite - zur Darstellung von Messwerten verwenden kann. Weiter Anzeigen stehen zur Verfügung. Auch kann man mit dem Programm Messwerte oder Kommandos an den Controller senden. Bei Bedarf kann man mit der Software - für eine bestimmte Aufgabenstellung - einen kompletten Frontend realisieren.

Die Datenformate sind hier sehr gut beschrieben, so dass eine entsprechende Anpassung kein großes Problem darstellt. Für alle angebotenen Programme gibt es jeweils ein Manual mit einer ausführlichen deutschen Beschreibung. Wo findet man heute sowas noch?

Platine

Nano-Logger


Datenlogger mit  dem  Arduino Nano