Intelligenter Getränkeständer mit berührungsloser Temperaturmessung

Wie oft habe ich mir Kaffee oder Tee gemacht, mich abgekühlt, meinem Geschäft nachgegangen: Ich habe studiert, programmiert, das Game of Thrones gesehen. Und als ich mich erinnerte, war schon alles warm und es gibt nichts Ekelhafteres als warmen Tee oder Kaffee. Dieses Problem musste irgendwie gelöst werden, und so begann ich, mich für Tee, Kaffee, Bier, Suppe usw. einzusetzen. Basierend auf berührungsloser Temperaturmessung über TMP006 von TI. Die Idee ist, dass der Stand die Temperatur der Tasse misst und einen Piepton abgibt, sobald mein Getränk meine Lieblingstemperatur erreicht.

Der TMP006-Sensor berechnet die Temperatur eines Objekts durch Messen der Wärmestrahlung der Oberfläche einer Schale im Bereich von 8 bis 16 µm. Auf diese Weise können Sie die Temperatur berührungslos messen. Ideal, da alle Tassen in Form und Größe unterschiedlich sind.

SiliconLabs-Mikrocontroller zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch und relativ niedrige Kosten aus. Da der Ständer relativ lange mit einer einzigen Batterie (CR2032) arbeiten soll, spielt der Stromverbrauch hier eine große Rolle.

Im Schlafmodus mit eingeschalteter RTC verbraucht der EFM32ZG nur 4 µA. Der TMP006 im StandBy-Modus verbraucht 1 µA. Weitere Komponenten sind der Boost-Up-Wandler NCP1402 (für LEDs und Hochtöner), der im Standby-Modus ebenfalls etwa 1 µA verbraucht.

Zuerst habe ich einen Prototyp basierend auf EFM32 Zero Gecko (ARM M0 +) aus vorgefertigten Modulen zusammengestellt. Im Ruhemodus verbraucht das System bei eingeschalteter RTC 11-12 µA.



Im Ruhemodus verbringt das System 10 Sekunden, wacht dann auf und prüft, ob die Touch-Aktivierungstaste gedrückt wurde. Wenn gedrückt, wird der Benutzer aufgefordert, die gewünschte Temperatur einzustellen. Die Temperatur wird auf 8 LEDs in Binärcodierung angezeigt.

Nachdem EFM32ZG TMP006 eingeschaltet hat und in den Ruhezustand geht. Der Sensor benötigt eine Sekunde, um eine Messung durchzuführen. Im aktiven Modus verbraucht es 220-240µA. Sobald das Ergebnis fertig ist, wacht der Mikrocontroller auf, liest die Werte der TMP006-Register, führt sehr knifflige Berechnungen durch und ermittelt schließlich die Oberflächentemperatur. Wenn die Temperatur höher als gewünscht ist, geht das gesamte System 10 Sekunden lang in den Ruhezustand und wiederholt dann die Messung. Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, ertönt ein Tonsignal - Ihr Kaffee hat die ideale Temperatur erreicht.

Übrigens gibt es noch eine zusätzliche Funktion: Messen Sie die Temperatur und halten Sie sie für die Zukunft wie gewünscht. Der Stand hat eine Größe von 10x10 cm. Es ist Zeit, ein Board herzustellen (ich benutze KiCad):







Während die Boards in Produktion waren (bestellt bei ragworm.uk), war ich von dem Motiv beeindruckt. Die obere und untere Abdeckung gemacht:



Bestellt bei einem örtlichen Laserschneid- / Gravurservice. Boards kamen in 10 Tagen an: Die Qualität ist schlecht, aber die Funktion wurde nicht verletzt.



Ich habe ein paar schwerwiegende und dumme Fehler gemacht, aber da dies mein erstes Projekt ist, bin ich entschuldbar. Nach vielen schlaflosen Nächten des Codierens und Debuggens funktionierte es:



Es ist Zeit, den TMP006 zu kalibrieren. Für jedes System muss eine zeitaufwändige Kalibrierung durchgeführt werden, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen Sensor und Platine, die Größe des Sichtfelds des Sensors usw. zu berücksichtigen. TMP006 selbst ist ein sehr interessantes und gerissenes Tier, es wird einfach nicht funktionieren.

Die Kalibrierung wurde auf einer Glasschale mit heißem Wasser mit einem hochpräzisen Thermometer auf Basis von Pt1000 (+ -0,1 ° C) durchgeführt.



Die Genauigkeit mit solchen Utensilien beträgt + -1 ° C!

Das System funktioniert auch gut mit Keramikbechern, Kunststoff und Papier. Es hängt alles von der Emissionskonstante ab. Für viele Materialien liegt sie im Bereich von 0,95 bis 0,85. Metalle sind jedoch viel niedriger, insbesondere bei einer polierten Oberfläche.

Ein weiteres Problem sind dicke Becher, bei denen die Wassertemperatur und die Außentemperatur sehr unterschiedlich sind.
Soweit ich mich an Vorlesungen über Thermodynamik erinnere, ist der Unterschied umso größer, je höher die Wassertemperatur ist. In meinem dicken Becher kann der Unterschied bei 75 ° C Wasser bis zu 10 ° C und bei 60 ° C bis zu 3 ° C betragen. Es ist notwendig, nach der Formel zu suchen, vielleicht kann dieser Fehler leicht korrigiert werden.

Und jetzt ist das Produkt fertig:









Das System funktioniert wie es sollte, mit Ausnahme kleinerer Fehler, die ich bald beseitigen werde. Nach meinen Messungen sollte eine Batterie 6 bis 10 Monate halten (im Standby-Modus etwa 2 Jahre), je nachdem, wie oft Sie Tee trinken.

Jetzt befindet sich der Stand auf dem Desktop und war unglaublich nützlich.

Demo-Video:



PS: Das Projekt wurde für einen Wettbewerb von Silicon Labs erstellt, daher das Logo und die englische Sprache im Video.

Source: https://habr.com/ru/post/de387629/