HotCup-Assistent
Autoren: Laura Fricke & Jan Müller
Betreuer: Prof. Göbel & Prof. Schneider
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Einleitung
Zu Zeiten von Homeoffice & Teams-Meetings ist das selbst zubereitete Heißgetränk ein immer wichtigerer Bestandteil unseres Alltags geworden. Bei den teilweise eng getakteten Terminen, die über einen Tag hinweg anfallen, kann man sein Heißgetränk schonmal vergessen. Verbrannte Zungen, weil man zu früh einen genüsslichen Schluck aus seiner Tasse nehmen wollte oder ein kalter Tee, der viel zu lange zog, sind Probleme, die uns lange beschäftigt haben.
Diese gehören nun allerdings endgültig der Vergangenheit an. Der "HotCup-Assistent" wird uns zukünftig bei all diesen Problemen unterstützen. So soll über einen Temperatur-Sensor erfasst werden, ob das Heißgetränk noch zu warm zum Trinken ist. Zusätzlich wird der "HotCup-Assistent" nach einer zuvor eingestellten Zeit den Teebeutel aus der Tassen nehmen, sodass der Tee nicht zu lange zieht.
Anforderungen
- Spannungsversorgung über Batterien für mehr Flexibilität
- Stromsparender Aufbau: z.B. System schaltet sich erst bei anwesender Tasse ein
- Auswahl ob Tee oder anderes Heißgetränk
- Timer (für den Tee) einstellen
- Mechanismus zum herausnehmen des Teebeutels
- Erfassung der Temperatur des Heißgetränks
- Auswertung und Anzeigen der Temperatur über LED (z.B.: Rot = zu heiß, Gelb = Gut, Grün = angenehm)
- Akustisches Signal, wenn Getränk entsprechend abgekühlt ist
Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf
Der in Abb. 1 abgebildete Systementwurf gibt einen groben Überblick über die Sensoren und Aktoren, sowie ihre entsprechenden Funktionen im System. Der Arduino ist dabei das Herzstück des Systems. Dieser soll über eine 9 Volt Blockbatterie mit Spannung versorgt werden, sodass das System leicht zu transportieren und unabhängig von Steckdosen betrieben werden kann. Die Sensoren und Aktoren werden an den Mikrocontroller angeschlossen und über diesen gesteuert. Zum Ein- & Ausschalten des Systems wird ein Schalter vor den Mikrocontroller in Reihe verdrahtet, sodass das System spannungslos geschaltet werden kann, wenn es nicht benötigt wird. Das LCD-Modul, die LED-Dioden und der Piezo Speaker dienen der Kommunikation mit dem Anwender.
Mechanisch muss das System und sein Gehäuse so ausgelegt sein, dass es mindestens Spritzwassergeschützt ist und die Elektrik nicht durch beispielsweise einen tropfenden Teebeutel beschädigt werden kann. Darüber hinaus muss die Ablagefläche, auf der die Tasse gestellt wird, stabil sein und das hohe Gewicht einer vollen Tasse aushalten können. Für ein stabiles Fundament, auf welchem die Tasse stehen soll, habe wir uns für das Material Holz entschieden. Dieses soll so beschichtet werden, dass es das unter Umständen tropfende Wasser nicht aufnehmen kann. Auf diesem Holz-Fundament aufbauend, wird ein Turm aufgebaut. Dieser hat auf mittlerer Höhe den Temperatursensor verbaut. Darüber wird ein Gelenk mit einem Hebelarm aufgebaut. Über diesen Hebelarm soll später der Teebeutel nach einer eingestellten Zeit aus der Tasse gehoben werden.
Komponentenspezifikation
Stepper-Motor:
Damit der Teebeutel aus der Tasse herausgezogen werden kann, wurde sich für einen Stepper-Motor entschieden. Bei dem Motor kann die Geschwindigkeit und die Strecke variiert werden.
Der Stepper-Motor treibt eine Gewindestange an. Auf dieser befindet sich ein Schlitten, welcher auf einer Welle aufliegt und dort geführt wird. An dem Schlitten kann später der Teebeutel befestigt werden.
Temperatur-Sensor TMP36:
Bei dem Temperatursensor handelt es sich um den TMP36. Er hat drei Anschlüsse, einmal GND, 5V und einen PIN für das Temperatursignal. Am PIN des Temperatursignals werden Spannungen zwischen 0 und 2,0V ausgegeben, welche dann in die entsprechende Temperatur umgerechnet werden müssen. Dabei entsprechen 0V -50°C und 2,0V 150°C.
Der TMP36 nutzt die Bandlücke von Halbleitermaterialien aus um die Temperatur zu ermitteln. Intern sind hier mehrere Transistoren miteinander verschaltet. Besonders wichtig sind dabei zwei Transistoren die mit der ....
LCD-Display:
Das LCD-Display hat auf der Displayfläche insgesamt zwei mal 16 Felder. Jedes dieser Felder kann einzeln angesteuert werden, wodurch insgesamt 32 Zeichen gleichzeitig auf dem Display ausgegeben werden können. Zur einfacheren Kommunikation zwischen Software und Hardware, wurde das Display mit einem I2C-Modul erweitert. Hierdurch kann das Display über Funktionen, die durch die "LiquidCrystal I2C"-Bibliothek bereitgestellt werden, ganz einfach angesteuert werden.
Potentiometer:
Um die Eingabe der Ziehzeit zu erleichtern wurde ein Drehpotentiometer verwendet. Der mittlere Abgriff dieses veränderbaren Widerstandes wird dafür an einen Analog-Eingang des Arduinos angeschlossen. In Abhängigkeit des Widerstandes zwischen Eingang des Potentiometers und Mittelabgriff liegt hier eine Spannung zwischen 0 und 5V an. Diese wird über den A/D-Wandler des Arduinos in ein digitales Signal, zwischen 0 und 1024, umgewandelt. Dieser Wert kann im Programm in die entsprechende Zeit umgewandelt werden.
Piezo-Speaker
Umsetzung (HW/SW)
Hardware: Der Turm und die Displayhalterung mit Bedienung wurde mittel CAD erstellt und anschließend mit einem 3D-Drucker hergestellt. Der Turm ist zusätzlich in einer Holzplatte eingelassen, damit die benötigte Standfestigkeit erreicht werden kann und um die elektrische Hardware verstauen zu können. Der Arm des Turms wurde so gestaltet, dass hier der Motor mitsamt Führung eingebaut werden kann (vgl. Abbildung xy). Das Display, der Schalter zum einschalten des Systems, das Potentiometer für die Zeiteinstellung, ein Taster und die LEDs wurde alle in die Displayhalterung integriert.
Displayhalterung_.jpg
Komponententest
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
Projektplan
Projektdurchführung
YouTube Video
Weblinks
Literatur
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