Suporte inteligente para bebidas com medição de temperatura sem contato

Quantas vezes eu fazia café ou chá para mim, deixava esfriar, fazia meus negócios: estudei, programei, assisti o Game of Thrones. E quando me lembrei, tudo já estava quente e não há nada mais nojento do que chá ou café quente. Esse problema teve que ser resolvido de alguma forma e, então, comecei a tomar uma atitude inteligente para chá, café, cerveja, sopa etc. Com base na medição de temperatura sem contato via TMP006 da TI. A idéia é que o estande meça a temperatura do copo e dê um bipe assim que minha bebida atingir minha temperatura favorita.

O sensor TMP006 calcula a temperatura de um objeto medindo a radiação térmica da superfície de um prato na faixa de 8 a 16 µm. Isso permite medir a temperatura sem nenhum contato. Ideal, pois todos os copos têm diferentes formas e tamanhos.

Os microcontroladores SiliconLabs são caracterizados por baixo consumo de energia e custo relativamente baixo. Como eu quero que o suporte funcione com uma única bateria (CR2032) por um tempo relativamente longo, o consumo de energia desempenha um grande papel aqui.

No modo de suspensão com o RTC ativado, o EFM32ZG usa apenas 4 µA. O TMP006 no modo de espera usa 1 µA. Componentes adicionais incluem o conversor Boost Up NCP1402 (para LEDs e tweeters), que também consome cerca de 1 µA no modo de espera.

Primeiro, montei um protótipo baseado no EFM32 Zero Gecko (ARM M0 +) a partir de módulos prontos. No modo de suspensão, quando o RTC está ativado, o sistema consome 11-12µA.



No modo de suspensão, o sistema passa 10 segundos, depois acorda e verifica se o botão de ativação por toque está pressionado. Se pressionado, o usuário é solicitado a definir a temperatura desejada. A temperatura é exibida em 8 LEDs em codificação binária.

Depois que EFM32ZG liga o TMP006 e entra no modo de suspensão. O sensor precisa de um segundo para fazer uma medição. No modo ativo, consome 220-240µA. Assim que o resultado estiver pronto, o microcontrolador acorda, lê os valores dos registros TMP006, realiza cálculos muito complicados e, finalmente, obtém a temperatura da superfície. Se a temperatura estiver mais alta do que o desejado, todo o sistema entrará em repouso por 10 segundos e repetirá a medição. Caso a temperatura desejada seja atingida, um sinal sonoro será emitido - seu café atingiu a temperatura ideal.

A propósito, há uma função adicional: medir a temperatura e mantê-la como desejado para o futuro. O suporte tem um tamanho de 10 x 10 cm. É hora de criar uma prancha (eu uso o KiCad):







Enquanto as pranchas estavam em produção (encomendadas pelo ragworm.uk), fiquei impressionado com o criativo. Feito a tampa superior e inferior:



Pedido em um serviço local de corte / gravação a laser. As placas chegaram em 10 dias: a qualidade é ruim, mas o funcional não foi ferido.



Cometi alguns erros sérios e estúpidos, mas como esse é meu primeiro projeto, sou desculpável. Após muitas noites sem dormir de codificação e depuração, funcionou:



Está na hora de calibrar o TMP006. Para cada sistema, é necessário fazer uma calibração demorada para levar em conta a condutividade térmica entre o sensor e a placa, qual o tamanho do campo de visão do sensor etc. O próprio TMP006 é um animal muito interessante e astuto, simplesmente não funciona.

A calibração foi feita em um prato de vidro com água quente com um termômetro de alta precisão baseado em Pt1000 (+ -0,1 ° C).



A precisão de tais utensílios é de + -1 ° C!

O sistema também funciona bem com copos de cerâmica, plástico e papel. Tudo depende da constante de emissividade. Para muitos materiais, está na região de 0,95-0,85. Mas os metais são muito mais baixos, especialmente com uma superfície polida.

Outro problema são os copos grossos, nos quais a temperatura da água e a superfície externa são muito diferentes.
Tanto quanto me lembro de palestras sobre termodinâmica, quanto maior a temperatura da água, maior a diferença. Na minha caneca grossa, a diferença pode subir até 10 ° C a 75 ° C de água e cerca de 3 ° C a 60 ° C. É necessário procurar a fórmula, talvez esse erro possa ser facilmente corrigido.

E agora, o produto está pronto:









O sistema funciona como deveria, com exceção de pequenos bugs, que eliminarei em breve. De acordo com minhas medidas, uma bateria deve durar de 6 a 10 meses (no modo de espera por cerca de 2 anos), dependendo da frequência com que você toma chá.

Agora, o suporte está na área de trabalho e tem sido incrivelmente útil.

Vídeo de demonstração:



PS: O projeto foi feito para uma competição da Silicon Labs, daí o logotipo e o idioma inglês no vídeo.

Source: https://habr.com/ru/post/pt387629/