Sistem de achizitie de date pentru măsurarea parametrilor băuturilor pe baza de cafea [303558]

Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" [anonimizat], Absolvent: [anonimizat].ing. [anonimizat]őző [anonimizat]. Pentru a [anonimizat], cafea Lavazza Super Crema 70% arabica și 30% robusta, espressor La Cimbali M32 DT2 Dosatron, rășniță La Cimbali.

Scopul lucrării este de a [anonimizat] 3 cei mai importanți factori care determină gustul :

Temperatura

Cantitatea de apă (gramajul)

Cantitatea de cafea infuzată (PH-ul)

Comparând rezultatele obținute cu datele de producție oferite de producător putem identifica atât erorile umane ce apar in procesul de producție cât și anumite defecțiuni tehnice reușind astfel să le corectăm.

[anonimizat]. Standardele ce calitate a [anonimizat]-se astfel corelația între măsurători și noțiunea de gust bun care poate veni doar din partea clienților.

Parametri aleși au următoarele influențe asupra cafelei:

Temperatură prea mare (peste 96 grade Celsius) poate duce la apariția acidului tanic

care oferă cafelei un gust acru și este dăunător pentru smalț și in același timp duce și la o [anonimizat] a unei cafele este acela dintre cantitatea de apă și cantitatea de cafea. Dacă acest raport nu se menține constant (8 grame de cafea pentru 30 mililitri de apă) stresul termic datorat unei cantități mărite de apă duce la extragerea suplimentară a cofeinei și posibila apariție a [anonimizat]. [anonimizat] a unor factori externi cum ar fi granulația cafelei sau taparea (presarea cu o forța de 20kg) acesteia când se face pastila de cafea.

Capitolul I Studiul băuturilor pe bază de cafea

1.1 Scurt istoric a cafelei

Nimeni nu știe exact cum sau când a [anonimizat].

Cafeaua este cultivată la nivel mondial si îi putem urmări originile până în vechile cafenele de pe platoul etiopian.

Acolo, legenda spune că fermierul Kaldi a descoperit pentru prima dată potențialul acestor boabe prețioase. Povestea spune că Kaldi a descoperit cafea după ce a observat că după ce a [anonimizat].

Kaldi și-a [anonimizat] a făcut o băutură cu boabele de cafea și a constatat că l-a ținut treaz în timpul orelor lungi de rugăciune de seară. Abatele și-a împărtășit descoperirea cu ceilalți călugări din mănăstire, iar cunoașterea fructelor energizante a început să se răspândească.

Pe măsură ce lumea a migrat spre est și cafeaua a ajuns în peninsula arabă, unde începe o călătorie ce avea să ducă cafeaua pe tot globul.

Exploatarea și comerțul cu cafea au început pe Peninsula Arabică. Până în secolul al XV-lea, cafeaua era cultivată în districtul Yemen din Arabia și, până în secolul al XVI-lea, era cunoscută în Persia, Egipt, Siria și Turcia.Cafeaua nu se consuma numai în case, ci și în numeroasele cafenele publice – numite “qahveh khaneh” – care au început să apară în orașe din Orientul Apropiat. Popularitatea caselor de cafea a devenit de neegalat și oamenii le frecventau pentru tot felul de activități sociale.

În secolul al XVII-lea, cafeaua și-a început drumul spre Europa și devenea populară pe întreg continentul.

Unii oameni au reacționat la această băutură nouă cu suspiciune sau frică, numindu-l "invenția amară a Satanei". Clerul local a condamnat cafeaua când a venit în Veneția în 1615. Controversa a fost atât de mare încât i s-a cerut papei Clement al VIII-lea să intervină. El a decis să-și guste bautura înainte de a lua o decizie și a găsit băutura atât de satisfăcătoare încât ia dat aprobarea papală.

În ciuda acestei controverse, casele de cafea deveneau rapid centre de activitate socială și de comunicare în marile orașe ale Angliei, Austriei, Franței, Germaniei și Olandei.

Cafeaua a început să înlocuiască băuturile comune de la micul-dejun ale timpului – berea și vinul. Cei care au băut cafea în loc de alcool au început ziua alertă și energizată și, fără să fie surprinzător, calitatea muncii lor a fost mult îmbunătățită.

1.2. Tipuri de cafele la nivel mondial

Există aproximativ 60 de specii diferite de cafea. Doar 4 dintre ele sunt cele mai populare din punct de vedere comercial (din cauza costurilor, fructelor, cultivării): Arabica, Robusta, Liberica și Excelsa.

Cafeaua Arabică și Cafeaua Robusta

Tabelul 1.2.1

1.3 Metode de prepare a cafelei

Procesul de preparare sau de exragere a cafelei constă în adăugarea de apă fierbinte, aproape aburi, peste o porție de cafea boabe măcinată pentru a se putea extrage astfel uleiurile, cofeina si aroma boabelor de cafea in băutura rezultată.

Cafeaua turcească (figura 1.3.1) este o metodă de infuzare a unei cafele fin măcinate în apă aproape fierbinte. Ceea ce este foarte specific pentru metoda de fabricare a cafelei din Turcia este dimensiunea de măcinare care este cea mai bună posibilă, aproape o pudră.

Nu există mașini electrice de măcinat cafea turcească pentru uz rezidențial.Cafeaua turcească are cel mai mare corp din toate metodele de fabricare a cafelei.

Figura 1.3.1

Presa franceză (figura 1.3.2) sau vasul de presare este un dispozitiv foarte simplu de preparare a cafelei cu un pahar și un piston / filtru. Tehnica de preparare constă în turnarea apei fierbinți peste boabele de cafea și lăsarea acesteia să absoarbă câteva minute.

După ce se așează cafeaua, se apasă peste piston / filtrul în jos, pentru a separa zațul. Cafea de presă franceza are un corp mediu, mai putin decât un espresso, dar mai dens decât cafeua la filtru. Aroma unei cafele făcută la presă este intensă, iar metoda câștigă din ce în ce mai multă popularitate.

Figura 1.3.2

Filtru de cafea (figura 1.3.3) este cea mai populară metodă de preparare în America de Nord. Metoda implică turnarea apei calde peste boabele de cafea măcinate.

Cafeua macinată se pune intr-un filtru de hârtie sau o plasă metalică sau din plastic. Cafeaua făcută astfel este limpede și curată, cu un raport ridicat de cofeină extras pe lingura de cafea măcinată.

Figura 1.3.3

Moka Potul (figura 1.3.4), este un dispozitiv pentru prepararea cafelei care utilizează presiunea aburului pentru a împinge apa prin cafea, similar cu metoda espresso, dar cu o presiune mult mai scăzută. Presiunea într-un vas Moka este de aproximativ 1 bar față de o mașină espresso reală cu 9 bari. Cafeaua făcută într-o oală Moka așa cum v-ați aștepta, este foarte îndrăzneață, seamănă cu un espresso.

Espresso de la aragaz, așa cum mai este numită, nu are crema și are uleiuri mult mai puțin aromatice. Este o alternativă decentă de espresso.

Figura 1.3.4 Espresso (Figura 1.3.5) este o cafea puternică care este creată prin forțarea apei care este pe punctul de fierbere prin boabe de cafea fin măcinate. Tinde să fie mai groasă decât cafeaua preparată prin alte metode deoarece are o concentrație mai mare de solide suspendate și dizolvate.

Figura 1.3.5

Dintre toate aceste metode de prepare a cafelei, cel pe care îl vom studia ulterior în această lucrare este metoda espresso, după cum urmează în capitolul următor.

1.4. Metoda de prepare a unui espresso

1.4.1. Espressorul (definiție, principiu de funcționare)

O mașină (figura 1.4.1) de espresso produce cafea prin forțarea apei sub presiune aproape de punctul de fierbere printr-o pastilă de cafea măcinată și un filtru pentru a produce o cafea groasă și concentrată numită espresso.

Figura 1.4.1

Principiul de funcționare este unul relativ simplu:

Cu ajutorul unei pompe, apa este preluată de la sursa de alimentare (rețeaua de apă curentă sau un rezervor de apă) prin două căi de alimentare

Prima cale de alimentare duce apa intr-un boiler unde cu ajutorul unor rezistente este incălzită la o temperatură apropiată de fierberea

A doua cale de alimentare conduce apa printr-un set de conducte ce străbat boilerul, incălzind apa până la 90-96 °C

Apa incălzită este injectată cu ajutorul pompei la o presiune de 9 bari în pastila de cafea, rezultând astfel procesul de exctracție

Urmărind principiul de funcționare putem identifica un prim parametru important și anume temperature apei. Dacă espressorul nu este folosit un timp îndelungat, apa din instalație atinge temperatura de 98-99 °C.

La această temperatură cafeua se va supraextrage din cauza stresului termic prea mare influențând gustul.

În același timp, dacă espressorul este folosit mult intr-un timp prea scurt, apa nu va atinge temperature de 90-96 °C.

Acest lucru va duce la o cafea prea putin extrasă.

Din aceste motive, temperatura din ceașcă a cafelei este un parametru important care determină calitatea finală a espressoului.

1.4.2. Râșnița de cafea

Principiu de funcționare:

Folosind un set de cuțite ajustabile, cafeaua boabe introdusă in râșnița este mărunțită la granulația setată

În funcție de metoda de prepare a cafelei și de tipul boabelor, majoritatea râșnițelor permit o măcinare pe o scara de la 1 la 11 (1-foarte fină, 11- aspră).

1.4.3. Extragerea espressoului

Pentru realizarea unui espresso vom avea in vedere următorii pași :

Măcinarea cafelei, în cazul cafelei Lavazza Super Crema, măcinătura va fi de 2.9

Dozarea cafelei în portafiltru, cantitatea folosită este de 8 grame, măsurată cu ajutorul unui dozator inclus în râșniță

Aerisirea espressorului pentru a regla temperatura apei

Montarea portafiltrului în espressor

Extragerea cafelei folosind programul de espresso (30 ml de apă)

Componentele unui espresso:

Crema

Situată în partea superioară a espresorului.într-un strat subțire, de culoare auriu-maroniu până la maroniu-maroniu. Acest strat spumos de deasupra espressoului are cele mai fine gusturi și calități aromatice ale cafelei.Compoziția cremei include proteine și zaharuri, precum și uleiuri vegetale.

În timpul procesului de producer a unui espresso sunt extrase cele mai bune uleiuri din boabele de cafea, iar atunci când acest proces este complet, un inel albicioas începe să se formeze deasupra cremei.

Corpul

Sub crema și deasupra inimii shotului de espresso este corpul. Acesta este stratul de mijloc și ar trebui să fie o culoare maro-caramel.

Inima

Sub corp este inima espressoului, la baza shotului. Culoarea inimii trebuie să fie maro profundă și bogată. În inima espressoului se regăsesc aromele amare, care echilibrează dulceața cremei și aroma espresso.

Foarte important in procesul de producție (figura 1.4.2) al unui espresso este timpul de extragere. Acesta este in principal influențat de gradul de măcinare al cafelei. În cazul de față, măcinătura nu va fi modificată intre măsurători, deci putem considera acest parametru ca fiind constant. Cantitatea de cafea folosită pentru fiecare pastilă de cafea este de 8 grame, măsurată separat cu un cântar digital.

Figura 1.4.2

Capitolul II Senzorii folosiți pentru achiziția datelor și mediul de dezvoltare

2.1. Mediul de dezvoltare Arduino

2.1.1 Generalițăți

Mediul de dezvoltare Arduino ( Arduino IDE) este un program special care rulează pe calculator și care permite scrierea sketch-urilor (figura 2.1.1) pentru placuțele Arduino într-un limbaj de programare simplu.

Magia se întâmplă la apăsarea butonului care încarcă sketch-ul pe placă: codul scris este convertit in limbajul C și este trecut la compilator, un element important al programelor cu sursă liberă, care face traducerea în limbajul înțeles de microcontroler.

Figura 2.1.1

După instalarea programului este necesară configurarea acestuia pentru a comunica cu placa Arduino conectată la calculator. În continuare se vor prezenta, succint, etapele pentru configurare.

După conectarea la portul USB al calculatorului a plăcuței în Device Manager se verifică denumirea portului la care placa Arduino este conectată și dacă această placă este recunoscută de calculator ca fiind o placă de dezvoltare.

Se observă în lista porturilor denumirea plăcii de dezvoltare ( Arduino Uno) și între paranteze portul USB al calculatorului la care este conectată placa de dezvoltare Arduino, în cazul de față placa este conectată la portul de comunicație COM5 (figura 2.1.2).

Figura 2.1.2

Se deschide programul Arduino și se realizează următorul pas: alegerea plăcii de dezvoltare (figura 2.1.3), după cum urmează.

Figura 2.1.3

Alegerea portului de comunicație din program (figura 2.1.4) se face astfel:

Figura 2.1.4

2.1.2 Funcții ale limbajului de programare

Tagurile care au # se numesc funcții preprocesare, se execută înainte de compilarea efectivă a sketch-ului. În această primă etapă se definesc bibliotecile care se folosesc pentru rularea codului, constantele globale etc.

#define este o componetă utilă din limbajul de programare C care permite programatorului să atribuie un nume unei valori constante înainte de compilarea programului. Definirea constantelor în Arduino nu ocupă niciun spațiu de memorie de pe chip. Compilatorul va înlocui referința acestor constante cu valoarea definită la compilare.

#include este folosit pentru a include bibliotecile din afara în schiță. Aceasta oferă programatorului acces la un grup mare de biblioteci standard C (grupuri de funcții pre-făcute), precum și biblioteci scrise special pentru Arduino.

Mediul Arduino poate fi extins prin utilizarea bibliotecilor, la fel ca majoritatea platformelor de programare. Bibliotecile oferă funcționalități suplimentare pentru a fi utilizate în schițe, de ex. lucrul cu hardware sau manipularea datelor. Pentru a utiliza o bibliotecă într-o schiță, selectați-o din Schiță> Import bibliotecă.

Funcția Setup()

Funcția setup () este apelată când începe o schiță. Este utilizat pentru a inițializa variabile, moduri de conectare, accesarea de biblioteci etc.

Funcția setup () va funcționa o singură dată, după fiecare pornire sau resetare a plăcii Arduino.

Funcția Loop()

După ce s-a creat o funcție de configurare setup(), care inițializează și stabilește valorile inițiale, funcția buclă loop() face exact ceea ce sugerează numele acesteia și rulează în buclă, permițând programului să se schimbe și să răspundă.

Funcția pinMode.

Această funcție configurează pinul specificat să se comporte ca o intrare sau ca o ieșire.

Sintaxa: pinMode(pin, mode)

Parametrii acestei funcții sunt:

pin numărul corespunzător pinului a cărui mod se dorește a fi setat

mode INPUT, OUTPUT sau INPUT_PULLUP.

Funcția digitalRead citește valoarea de pe un pin specificat, aceasta poate fi High sau Low.

Sintaxa: digitalRead(pin)

Funcția digitalWrite atribuie valoarea HIGH sau LOW unui pin digital.

Dacă pinul a fost configurat ca ieșire cu funcția pinMode(), tensiunea acestuia va fi setată să corespundă valorii 5V( sau 3.3V pe unele plăci) pentru valoarea HIGH și 0V(masa) pentru LOW. Dacă pinul a fost configurat ca intrare, funcția digitalWrite() va activa (HIGH) sau dezactiva(LOW) rezistența de ridicare( pullup resistor) de pe pinul de intrare.

Sintaxa: digitalWrite(pin, value)

Parametri:

pin reprezintă numărul pinului digital de pe placă

value HIGH sau LOW.

Funcția analogRead() citește valoarea de pe pinul analogic specificat. Placa Arduino conține un canal cu 6 canale (8 canale pe Mini și Nano, 16 pe Mega), convertor analog-digital de 10 biți. Acest lucru înseamnă că va mapa tensiunile de intrare între 0 și 5 volți în valori întregi între 0 și 1023. Aceasta oferă o rezoluție între citirile de: 5 volți / 1024 unități sau 0,0049 volți (4,9 mV) pe unitate.

Sintaxa : analogRead (pin)

Parametri: numărul pinului analog de intrare de la care trebuie să citească datele.

Funcția de timp delay() pune programul în pauză pentru o perioadă de timp (în milisecunde) specificată ca parametru.

Sintaxa: delay(ms)

Parametri: ms numărul de milisecunde de pauză.

2.2. Placa de dezvoltare MEGA 2560

2.2.1 Generalități

Figura 2.2.1

Arduino Mega 2560 (figura 2.2.1) este o placă de tip microcontroler bazată pe ATmega2560. Dispune de 54 de intrări / ieșiri digitale (din care 14 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 16 intrări analogice, 4 UART (porturi seriale hardware), un oscilator de cristal de 16 MHz, o conexiune USB, o mufă de alimentare, și un buton de resetare. Conține tot ce este necesar pentru a susține microcontrolerul.

2.2.2 Date tehnice

Tabelul 2.2.2

2.2.3 Alimentarea

Mega 2560 poate fi alimentat prin conexiunea USB sau cu o sursă externă de alimentare. Sursa de alimentare este selectată automat. Alimentarea externă (non-USB) poate proveni de la un adaptor AC-DC sau un acumulator.

Adaptorul poate fi conectat prin conectarea unui conector central de 2,1 mm în mufa de alimentare a plăcii. Conductoarele de la o baterie pot fi introduse în anteturile GND și Vin ale conectorului POWER.

Placa poate funcționa pe o sursă externă de 6 până la 20 de volți. Dacă este furnizat cu mai puțin de 7V, totuși, pinul 5V poate furniza mai puțin de 5 volți, iar placa poate devine instabilă. Dacă se utilizează mai mult de 12V, regulatorul de tensiune se poate supraîncălzi și poate deteriora placa. Intervalul recomandat este de la 7 la 12 volți.

Pinii de alimentare sunt după cum urmează:

Vin – tensiunea de intrare pe placă când utilizează o sursă de alimentare externă (spre deosebire de 5 volți de la conexiunea USB sau de la altă sursă de alimentare reglată). Se poate furniza tensiune prin acest pin sau, dacă se alimentatează tensiunea prin mufa de alimentare, se poate accesa tensiunea prin acest pin.

5V – acest pin scoate un curent regulat de 5V de la regulatorul de pe placa. Placa poate fi alimentată de la mufa de alimentare DC (7-12V), conectorul USB (5V) sau pinul VIN al plăcii (7-12V). Tensiunea de alimentare prin pinii de 5 V sau 3,3 V ocolește regulatorul și poate deteriora placa. 3V3 – o alimentare de 3,3 volți generată de regulatorul de la bord. Rezistența curentului maxim este de 50 mA.

GND – împământare

IOREF – Acest pin pe placă furnizează referința de tensiune cu care funcționează microcontrolerul. Un scut configurat corespunzător poate citi tensiunea de pin IOREF și poate selecta sursa de alimentare adecvată sau poate activa traducătorii de tensiune pe ieșiri pentru a lucra cu 5V sau 3,3V.

2.2.4 Memoria

ATmega1280 are 128 KB de memorie flash pentru stocarea codului (din care 4 KB este folosit pentru bootloader), 8 KB de SRAM și 4 KB de EEPROM.

2.2.5 Intrările și ieșirile

Fiecare dintre cei 54 de pini digitali de pe Mega poate fi folosit ca intrare sau ieșire, utilizând funcțiile pinMode (), digitalWrite () și digitalRead (). Aceștia funcționează la 5 volți. Fiecare pin poate furniza sau primi maxim 40 mA și are o rezistență internă de tracțiune (deconectată în mod implicit) de 20-50 kOhms. În plus, unii pini au funcții specializate:

Serial: 0 (RX) și 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) și 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) și 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) și 14 (TX). Folosiți pentru a recepționa (RX) și a transmite (TX) date seriale TTL. Pinii 0 și 1 sunt de asemenea conectați la pinii corespunzători ai cipului FTDI USB-to-TTL Serial.

Interferențe externe: 2 (întrerupere 0), 3 (întrerupere 1), 18 (întrerupere 5), 19 (întrerupere 4), 20 (întrerupere 3) și 21 (întrerupere 2). Acești pini pot fi configurați pentru a declanșa o întrerupere la o valoare scăzută,la o margine în creștere sau în scădere sau la o schimbare a valorii.

PWM: 2 la 13 și 44 la 46. Asigură ieșirea PWM pe 8 biți cu funcția analogWrite ().

SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Acești pini acceptă comunicarea SPI, care, deși furnizată de hardware-ul de bază, nu este inclusă în prezent în limbajul Arduino.

LED: 13. Există un LED încorporat conectat la pinul digital 13. Când pinul este HIGH, LED-ul este pornit, când pinul este LOW, este oprit.

I2C: 20 (SDA) și 21 (SCL). Suportă comunicarea cu I2C (TWI) utilizând biblioteca Wire

Mega2560, are 16 intrări analogice, fiecare furnizând 10 biți de rezoluție (adică 1024 valori diferite). În mod implicit, se măsoară de la 0 la 5 volți, deși este posibil să se schimbe capătul superior al intervalului lor utilizând funcția AREF pin și analogReference ().

Există și alți pini pe plăcuță:

AREF. Tensiunea de referință pentru intrările analogice. Folosit cu analogReference ().

Reset. Prin aducerea acestei linii pe LOW se va reseta microcontrolerul.

2.2.6 Comunicarea

Arduino Mega dispune de o serie de facilități pentru comunicarea cu un computer, un alt Arduino sau cu alte microcontrolere. ATmega1280 oferă patru UART-uri hardware pentru comunicarea serială TTL (5V). Un FTDI FT232RL pe canalul unuia dintre aceștia prin USB, iar driverele FTDI (incluse în software-ul Arduino) oferă un port virtual pentru software-ul de pe computer. Software-ul Arduino include un monitor serial care permite trimiterea de date textuale simple la și de la bordul Arduino. LED-urile RX și TX de pe placă vor clipi atunci când datele sunt transmise prin intermediul cipului FTDI și conexiunii USB la computer (dar nu și pentru comunicarea serială pe pinii 0 și 1).
O bibliotecă SoftwareSerial permite comunicarea serială pe oricare dintre știfturile digitale ale Mega.

ATmega1280 suportă, de asemenea, comunicarea I2C (TWI) și SPI. Software-ul Arduino include o bibliotecă Wire pentru simplificarea utilizării magistralei I2C.

2.2.7 Programarea unei plăci de dezvoltare MEGA 2560

Arduino Mega poate fi programată cu software-ul Arduino. ATmega1280 de pe Arduino Mega vine preprogramat cu un bootloader care permite să încărcarea unui nou cod fără a utiliza un programator hardware extern. De asemenea, se poate trece de bootloader și se poate programa microcontrolerul prin ICSP.

2.3. Senzorul de temperatură

2.3.1 Funcționarea senzorilor de temperatură

Temperatura este mărimea neelectrică cea mai des măsurată. Senzorii de temperatură folosiți au o mare varietate, datorită gamei largi de temperaturi care se măsoară, precum și preciziei cu care se măsoară într-un anumit domeniu. Eroarea de măsurare se datorează în primul rând efectelor de schimb de căldură dintre senzor și mediu. Evaluarea erorii de măsurare se face prin calculul răspunsului senzorului, această eroare fiind cu atât mai mică cu cât conducția termică senzor – corp este mai mare. O altă sursă de eroare poate fi încălzirea senzorului datorită curentului propriu care trece prin senzor. Marea varietate a senzorilor se datorează și caracteristicilor constructive sau a mediilor în care trebuie utilizate.

Fenomenele care stau la baza funcționării senzorilor de temperatură prezintă o mare diversitate, spre exemplu conversia temperatură – mărime electrică, făcută de senzor, se realizează pe baza efectelor produse de câmpul termic asupra diferitelor materiale sau semiconductoare. Efectele produse de temperatură asupra diferitelor corpuri cu care vin în contact direct sau indirect sunt: dilatarea, variația conductivității electrice, modificarea proprietăților magnetice, variația unei tensiuni electromotoare, variația intensității și a spectrului radiației emise de corp, precum și modificarea frecvenței de rezonanță a materialului.

Senzorii de temperatură trebuie să aibă și alte proprietăți, cum sunt: sensibilitate, reproductibilitate, timp de răspuns mic, liniaritate pe un domeniu cât mai mare, montare și interschimbare ușoară. Senzorii trebuie să fie protejați împotriva unor eventuale acțiuni chimice sau fizice. Aceste protecții care se adaugă în timpul realizării senzorilor, duc la scăderea performanțelor acestora.

Pentru a face o alegere corectă a senzorului de temperatură, întâi trebuie analizate cerințele legate de intervalul de temperatură în care trebuie să funcționeze, timpul de răspuns, sensibilitatea, temperatura maximă la care va fi supus senzorul, timpul de utilizare, costurile.

2.3.2 Clasificarea senzorilor de temperatură

Senzori de temperatură cu termorezistoare

Termorezistoarele (RTD – resistance temperature detector) funcționează pe baza creșterii rezistivității la creșterea temperaturii. Variația rezistenței conductoarelor metalice crește proportional cu temperatura mediului. Metalele uzuale folosite la realizarea termorezistoarelor sunt platina (între -200ᵒC și 850ᵒC), nichelul (între -60ᵒC și 150ᵒC) și cuprul (între -50ᵒC și 150ᵒC).

Senzori de temperatură cu termocupluri

Termocuplurile sunt realizate din două fire de metale sau aliaje diferite, sudate împreună la unul din capete, formând astfel joncțiunea de măsurare. Celelalte două capete formează joncțiunea de referință.

Senzori de temperatură cu termistoare

Termistoarele sunt rezistoare dependente de temperatură, realizate din oxizi metalici sau din materiale semiconductoare.

Senzori integrați de temperatură

Spre exemplu termistoarele integrate cu peliculă subțire, termocupluri integrate, tranzistoare integrate, traductoare integrate cu ieșire proportional cu temperature absolută sau traductoare integrate de temperatură cu ultrasunete.

Senzori de temperatură cu infraroșu

Senzorii cu infraroșu măsoară temperature fără contact cu obiectul măsurat, cu un timp de răspuns de ordinul ms.

Pirometre

Pirometrele se folosesc la măsurarea temperaturilor mari, peste 1000ᵒC, pe baza radiațiilor totale, parțiale sau monocromatice emise de corpurile măsurate.

Senzori de temperatură cu fibre optice

Senzori de temperatură cu fibre optice permit măsurarea fără contact a temperaturilor mari, de până la 1800ᵒC. Există două variante de senzori de temperature cu fibră optică:

cu sensor tip sondă din fibră optică: au timp de răspuns de ordinul 0,5 s și acuratețea de ± 0,5%.

cu fibră optică dispusă în buclă, în tot spațiul măsurat: pot detecta variații de 1ᵒC și au lungimi de zeci de km (în clădiri mari, tunele, etc.).

2.3.3 Senzorul de temperatură DS18B20 cu comunicație pe un singur fir, hidrofob

Figura 2.3.3.1

Termometrul digital DS18B20 (figura 2.3.3.1) oferă citiri de temperatură de la 9 la 12 biți (configurabile)

ce indică temperatura senzorului.

Informațiile sunt trimise la / de la DS18B20 printr-o interfață cu 1 fir, astfel încât numai un fir (și solul) trebuie să fie conectate de la un microprocesor central la un DS18B20. Puterea pentru citire, scriere și efectuarea conversiilor de temperatură poate fi derivată din linia de date în sine, fără a fi nevoie de o conexiune externă sursa de putere.

Deoarece fiecare DS18B20 conține un număr de serie unic de siliciu, mai multe DS18B20 pot exista pe aceași magistrală cu 1 fir. Aceasta permite plasarea senzorilor de temperatură în multe locuri diferite. Aplicații unde această caracteristică este utilă include controlul mediului HVAC, detectarea temperaturii în clădiri, echipamente sau mașini, precum și monitorizarea și controlul proceselor.

Caracteristici:

Interfața unică 1-Wire necesită numai un port pin pentru comunicare

Capacitatea multidrop simplifică distribuirea senzorilor de temperatură

Nu necesită componente externe

Poate fi alimentat de la linia de date. Alimentare electrică necesară este de 3.0V până la 5.5V

Puterea consumată in modul de așteptare este 0

Măsoară temperaturi de la -55 ° C la+ 125 ° C. Fahrenheit echivalentul este -67 ° F la

+ 257 ° F ± 0,5 ° C cu precizie de la -10 ° C la + 85 ° C

Rezoluția termometrului este programabilă de la 9 la 12 biți

Convertește temperatura pe 12 biți la cuvântul digital în 750 ms (max.)

Comanda de căutare a alarmei identifică și adresează dispozitivele ale căror temperaturi se află în afara limitelor programate (starea de alarmă de temperatură)

Aplicațiile includ comenzi termostatice, sisteme industriale, produse de consum, termometre sau orice sistem sensibil la temperatură

Descrierea pinilor :

Figura 2.3.3.2

GND – sol

DQ – intrare / ieșire date

VDD – Tensiune de alimentare

NC – Neconectat

Figura 2.3.3.3

Diagrama bloc (figura 2.3.3.3) din prezintă componentele principale ale DS18B20. DS18B20 are patru

componente principale de date:

1) ROM pe 64 de biți lasere,

2) senzor de temperatură,

3) alarmă de temperatură nonvolatilădeclanșează TH și TL

4) un registru de configurare.

Dispozitivul își obține puterea de la 1-Wire linia de comunicație prin stocarea energiei pe un condensator intern în perioadele de timp când linia de semnal este mare și continuă să funcționeze de pe această sursă de alimentare în timpul perioadelor reduse ale liniei 1-Wire până ce aceasta

revine la valoare mare. Ca o alternativă, DS18B20 poate fi de asemenea alimentat de la o sursă externă de 3 volți – de 5,5 volți.

Comunicarea cu DS18B20 se face printr-un port 1-wire. Cu portul 1-Wire, memoria și controlul funcțiile nu vor fi disponibile înainte de stabilirea protocolului funcției ROM. Stăpânul trebuie mai întâi furnizați una din cele cinci comenzi ale funcțiilor ROM:

1) Citire ROM,

2) Potrivire ROM

3) Căutare ROM

4)Salvare ROM-ul

5) Căutarea alarmei.

Aceste comenzi funcționează pe porțiunea ROM cu 64 de biți din fiecare dintre acestea

dispozitiv și poate numi un anumit dispozitiv dacă multe sunt prezente pe linia 1-Wire, precum și indică masterului câte și ce tipuri de dispozitive sunt prezente.

După ce o secvență de funcții ROM a fost executat cu succes, funcțiile de memorie și de control sunt accesibile, iar masterul poate furniza oricare dintre cele șase comenzi ale memoriei și funcțiilor de control.

O comandă a funcției de control instruiește DS18B20 să efectueze o măsurare a temperaturii. Rezultatul din această măsurătoare va fi plasat în memoria scratchpad a DS18B20 și poate fi citită prin emiterea unei comenzi funcției de memorie care citește conținutul memoriei scratchpad.

Alarmă de temperatură declanșează TH și TL alcătuite dintr-un EEPROM de 1 octet fiecare. Dacă comanda de căutare alarmei nu este aplicată la DS18B20, aceste registre pot fi utilizate ca memorie pentru utilizatorul general.

Scratchpad-ul conține, de asemenea, un byte de configurare pentru a seta rezoluția dorită a temperaturii la conversia digitală. Scriind TH, TL, iar octetul de configurare se face folosind o comandă a funcției de memorie. Accesul de citire pentru aceste registre este prin scratchpad. Toate datele sunt citite și scrise cu bitul cel mai puțin semnificativ primul.

Măsurarea temperaturii

Funcționalitatea principală a DS18B20 este senzorul de temperatură direct – digital. Rezoluția DS18B20 este configurabilă (9, 10, 11 sau 12 biți), cu citiri pe 12 biți starea implicită din fabrică. Acest lucru echivalează cu o rezoluție a temperaturii de 0,5 ° C, 0,25 ° C, 0,125 ° C sau 0,0625 ° C. În urma emiterii comemzii Convert T [44h], se efectuează o conversie de temperatură și se stochează datele termice în memoria scratchpad într-un format de completare pe 16 biți.

Informațiile despre temperaturp pot fi preluate pe interfața 1-Wire prin emiterea unei comenzi Read Scratchpad [BEh] odată ce conversia a fost efectuată. Datele sunt transferate pe magistrala 1-Wire, mai întâi pe LSB.

MSB a registrului de temperatură conține bitul "semn" (S), care indică dacă temperatura este pozitivă sau negativă.

Relația temperatură – date de ieșire

Figura 2.3.3.4

Memoria

Memoria este alcătuitp dintr-o memorie RAM și o bandă nonvolatilă, care se poate șterge electric (E2) RAM, care stochează declanșatoarele de alarmă ale temperaturilor joase și înalte TH

și TL și registrul de configurare. Scratchpad-ul ajută la asigurarea integrității datelor atunci când comunică se comunică pe magistrala 1-Wire. Datele sunt scrise mai întâi la scratchpad folosind comanda Write Scratchpad [4Eh].

Acestea poate fi apoi verificate prin utilizarea comenzii Read Scratchpad [BEh]. După ce datele au fost verificate, comandă Copy Scratchpad [48h] va transfera datele către dispozitivul volatil (E2

) RAM. Acest proces asigură integritatea datelor când se modifică memoria.

EEPROM-ul DS18B20 este evaluat pentru un minim de 50.000 scrieri și reținerea timp de 10 ani a temperaturii pentru o funcționare la T = + 55 ° C.

Scratchpad-ul este organizat ca opt octeți de memorie. Primii 2 octeți conțin LSB și MSB a temperaturii măsurate. Al treilea și al patrulea octet sunt copii volatile ale TH și TL și sunt reîmprospătați cu fiecare resetare. Cel de-al cincilea octet este o copie volatilă a configurației

registrului și se actualizează cu fiecare resetare. Al șaselea, al șaptelea și al optulea octet sunt folosite pentru operații interioare și astfel nu va putea citi niciun model previzibil.

Există un al nouălea octet care poate fi citit cu o comandă Read Reader [BEh]. Acest octet conține unciclu de verificare a redundanței (CRC) octet care este CRC peste toți cei opt octeți anteriori.

Protocolul de comunicare 1-Wire

Baza tehnologiei 1-Wire este un protocol serial care utilizează o singură linie de date plus o referință la sol pentru comunicare. Un master 1-Wire inițiază și controlează comunicația cu unul sau mai multe dispozitive slave 1-Wire de pe magistrala 1-Wire . Fiecare dispozitiv slave de 1-Wire are un ID unic, inalterabil, programat pe 64 de biți (număr de identificare), care funcționează ca adresă a dispozitivului pe magistrala 1-Wire.

Codul familiei pe 8 biți, un subset al ID-ului pe 64 de biți, identifică tipul și funcționalitatea dispozitivului. În mod obișnuit, dispozitivele 1-Wire slave funcționează pe domeniul de tensiune de la 2,8 V (min) la 5,25 V (max). Cele mai multe dispozitive cu 1 fir nu au pin pentru alimentarea cu energie electrică; ei își iau energia din magistrala 1-Wire (furnizare parazitară).

Caracteristici și avantaje

• Fiecare slave 1-Wire are stocat pe ROM un număr serial unic pe 64 de biți care acționează ca adresă a nodului; dispozitivul care trebuie selectat individual dintre mulțimea de dispozitive care pot fi conectate la același fir de magistrală. Această adresă unică la nivel global este compusă din opt octeți împărțiți în trei secțiuni principale. Începând cu LSB, primul octet stochează codurile pe 8 biți care identifică tipul de dispozitiv. Următorii șase octeți stochează o adresă individuală personalizabilă pe 48 de biți. Ultimul octet, cel mai semnificativ octet (MSB), conține o verificare a redundanței ciclice (CRC) cu o valoare bazată pe datele conținute în primii șapte octeți. Aceasta permite masterului să determine dacă o adresă a fost citită fără eroare.

• Securitatea maximă a datelor poate fi asigurată prin implementarea cu un chip de 1-wire a algoritmului Hash Secure Certified (SHA-1)

• Utilizează un singur fir (plus împământarea) pentru a realiza atât comunicarea, cât și transmisia de putere.

• Un singur master de magistrală poate manageria mai mulți slave pe un singur cablu twisted pair.

Despre Protocolul

• Protocolul 1-Wire utilizează niveluri logice CMOS / TTL convenționale (maxim 0.8V pentru logica „zero” și minim 2.2V pentru logica „unu”) cu funcționare specificată pe o gamă de tensiune de alimentare de 2.8V până la 6V.

• Atât masterul, cât și slave sunt configurați ca transmițători care permit fluxul datelor secvențiale de tip bit în oricare direcție, dar numai o singură direcție în același timp (halfduplex); Master-ul inițiază și controlează toate dispozitivele.

• Datele sunt secvențiale și bit-secvențiale, cu datele citite și cel mai puțin semnificativ bit (LSB) este în primul rând.

• Nu este necesar să existe un clock; fiecare parte din 1 Wire este auto-tactată de un oscilator intern sincronizat cu marginea descendentă a masterului.

Formele de undă

Figura 2.3.3.5

2.3.4 Schema de conectare DS18B20 cu Mega 2560

Figura 2.3.4.1

Pentru realizarea conexiunilor vom avea nevoie de următoarele elemente :

Fire jumper

Placă Mega2560

Rezistor de 4,7 kΩ (Circuitul cu 1 fir solicită ca semnalul de comandă să fie tras în sus, astfel încât dispozitivul principal să-l poată forța să ceară date, iar dispozitivul slave poate să-l tragă prea jos pentru a da date. Acest lucru vă permite să aveți mai multe dispozitive cu 1 fir pe același "fir unic".)

Senzor DS18B20

Alimentarea și cablul de date se înseriază cu rezistorul si apoi se conectează pe plăcuță:

alimentarea în portul de 5V

cablul de date in portul 2

Firul de împământare se conectează la portul GND al plăcuței.

2.3.4.5 Programul Arduino

Figura 2.3.4.2

Figura 2.3.4.3

2.4. Generalități despre pH

pH-ul este o măsură a concentrației de ioni de hidrogen; o măsură a acidității sau a alcalinității unei soluții. Scala de pH variază de obicei de la 0 la 14. Soluțiile apoase la 25 ° C, cu un pH mai mic de șapte, sunt acidice, în timp ce cele cu un pH mai mare de șapte sunt bazice sau alcaline. Un nivel de pH de 7,0 la 25 ° C este definit ca fiind "neutru", deoarece concentrația de H3O + este egală cu concentrația de OH- în apă pură.

Acizii foarte puternici pot avea un pH negativ, în timp ce bazele foarte puternice pot avea un pH mai mare de 14.

Ecuația pentru calculul pH-ului a fost propusă în 1909 de biochimistul danez Søren Peter Lauritz Sørensen:

pH = -log [H +]

unde log este logaritmul de bază-10 și [H +] reprezintă concentrația de ioni de hidrogen în unități de mol / l soluție. Termenul "pH" vine de la cuvântul german potenz, care înseamnă "putere" combinată cu H, simbolul elementului pentru hidrogen, deci pH-ul este o abreviere pentru "puterea hidrogenului".

Lucrăm cu mai mulți acizi (pH scăzut) și baze (pH ridicat) în fiecare zi. Exemple de valori ale pH-ului chimicalelor de laborator și ale produselor de uz casnic includ:

0 – acid clorhidric

2,0 – suc de lamaie

2,2 – oțet

4,0 – vin

5,0 – cafea

7,0 – apă pură (neutră)

7,4 – sânge uman

13,0 – liză

14,0 hidroxid de sodiu

Un pH metru oferă o valoare a modului în care este lichidul, acid sau alcalin. Principiul de bază al pH-metrului este măsurarea concentrației de ioni de hidrogen. Acizii se dizolvă în apă formând ioni de hidrogen încărcați pozitiv (H +). Cu cât această concentrație de ioni de hidrogen este mai mare, cu atât acidul este mai puternic. În mod similar, alcalinii sau bazele se dizolvă în apă, formând ioni de hidrogen încărcați negativ (OH-). Cu cât o bază este mai puternică, cu atât este mai mare concentrația ionilor de hidrogen încărcați negativ. Cantitatea acestor soluții prezente de ioni de hidrogen este dizolvată în anumite cantități de apă pentru a determina pH-ul.

Valoarea pH-ului de 7 indică o soluție neutră. Apa pură trebuie să aibă o valoare a pH-ului de 7. Valorile pH mai mici de 7 indică o soluție acidă în timp ce o valoare a pH-ului mai mare de 7 va indica o soluție alcalină. O soluție cu o valoare a pH-ului de 1 este foarte acidă și o soluție cu o valoare a pH-ului de 14 este foarte alcalină.

Un pH-metru este format dintr-o sondă, care în sine este alcătuită din doi electrozi. Această sondă transmite semnale electrice la un contor care afișează citirea în unități de pH. Sonda de sticlă are doi electrozi deoarece unul este un electrod de senzor de sticlă, iar celălalt este un electrod de referință.

Unii senzori de pH au două sonde separate, caz în care unul ar fi electrodul senzorului, iar celălalt punctul de referință. Ambii electrozi sunt becuri goale care conțin o soluție de clorură de potasiu cu o sârmă de clorură de argint suspendată în ea. Electrodul de detectare a sticlei are un bec realizat dintr-o sticlă foarte specială acoperită cu silice și săruri metalice. Acest electrod de detectare a sticlei măsoară pH-ul ca fiind concentrația ionilor de hidrogen care înconjoară vârful becului din sticlă subțire.

Electrodul de referință are un bec construit dintr-o sticlă sau plastic neconducătoare. • Când un metal este adus în contact cu altul, apare o diferență de tensiune datorită diferențelor de mobilitate a electronilor. La fel se întâmplă și în cazul a două lichide. Un pH metru măsoară în principal potențialul electrochimic între un lichid cunoscut în interiorul electrodului de sticlă (membrană) și un lichid necunoscut în exterior. Deoarece becul din sticlă subțire permite în principal ionilor ageni și micilor hidrogen să interacționeze cu sticla, electrodul de sticlă măsoară potențialul electrochimic al ionilor de hidrogen sau potențialul hidrogenului. Pentru a finaliza circuitul electric, este necesar și un electrod de referință.

O sonda moderna de pH este un electrod combinat, care combină atat sticla, cât și electrozii de referintă într-un singur corp. Electrodul combinat este alcătuit din următoarele părți:

• Partea senzorială a unui electrod este un bulb realizat dintr-o sticlă specifică

• Electrod intern, de obicei electrod de clorură de argint sau electrod calomel

• Soluție internă, de obicei o soluție tamponată pH = 7 de 0,1 mol / l KCl pentru electrozi pH

• Electrod de referință, de obicei același tip ca primul

• Soluție internă de referință, de obicei 0,1 mol / l KCl

• Legătura cu soluția studiată, realizată, de obicei, din ceramică sau capilară cu azbest sau fibră de cuart.

• Corp de electrod, realizat din sticlă sau plastic neconductor.

Partea inferioară a unui balon de electrozd pH se transformă într-un bulb de sticlă rotund subțire. Electrodul pH este cel gândit ca un tub într-un tub. Cel mai adânc tub (tubul interior) conține o soluție de HCl nemodificată de 1 x 10-7 mol / l. De asemenea, în interiorul tubului interior se află terminalul catodic al sondei de referință. Terminalul anod se înfășoară în jurul tubului interior și se termină cu același tip de sonde de referință ca și în interiorul tubului interior. Este umplut cu o soluție de referință de KCl 0,1 mol / l și are contact cu soluția din exteriorul sondei pH prin intermediul unui dop poros care servește ca o punte de sare.

Un electrod de clorură de argint este un tip de electrod de referință, utilizat în mod obișnuit în măsurătorile electrochimice. De exemplu, este de obicei electrodul de referință intern în pH-metrii. Reacția este între metalul de argint (Ag) și sarea sa – clorura de argint (AgCl, numită și clorura de argint (I)). Ecuațiile corespunzătoare pot fi prezentate după cum urmează:

• Această reacție este caracterizată de o cinetică rapidă a electrodului, ceea ce înseamnă că un curent suficient de mare poate fi trecut prin electrod cu randamentul de 100% al reacției redox (dizolvarea metalului sau depunerea catodică a ioni de argint). Reacția sa dovedit a respecta aceste ecuații în soluții de valori ale pH-ului între 0 și 13,5.

pH-metrul măsoară diferența de potențial și modificările sale pe membrana de sticlă. Diferența potențială trebuie obținută între două puncte; unul este electrodul care intră în contact cu soluția internă. Un al doilea punct este obținut prin conectarea la un electrod de referință, scufundat în soluția studiată. Adesea, acest electrod de referință este construit în electrodul de sticlă (un electrod combinat), într-un corp concentric cu două cilindri al dispozitivului.

Ag / AgCl | HCI | sticlă || soluție probată | electrod de referință)

• AgCl (e) KCI (aq) || Soluție 1 × 10-7M H + || membrana de sticla || Soluție de testare || joncțiune ceramică || KCI (aq) AgCl (uri) Ag (s) • Diferența potențială relevantă pentru măsurarea pH-ului se construiește pe interfața exterioară de sticlă / soluție marcată ||

• Bulbul este etanșat la un tub de sticlă sau plastic mai gros și umplut, de exemplu, cu o soluție de HCI (0,1 mol / dm3). În această soluție este scufundat un electrod de argint / clorură de argint cu un plumb către exterior printr-o etanșare ermetică permanentă. Soluția de umplere are o concentrație constantă de Cl, care menține electrodul intern Ag / AgCl la un potențial fix.

• Capacitatea de detectare a pH-ului electrodului de sticlă provine de la proprietatea de schimb ionic a membranei sale de sticlă.

• Sticla este în cea mai mare parte dioxid de siliciu amorf, cu oxizi încorporați de metale alcaline. Atunci când suprafața sticlei este expusă la apă, unele grupări Si-O- devin protonate

• Si-O- + H3O + ≡ Si-O-H + + H2O (2)

• Schimbul de hidroniu (sau scris ca proton, H + membrana solidă și soluția înconjurătoare, precum și natura echilibrului acestui schimb, este principiul cheie al sensibilizării H3O +. Ca și în cazul oricărei interfețe care separă două faze între care se stabilește echilibrul de schimb ionic, interfața membranei de sticlă / soluție devine situl unei diferențe de potențial

• Electrodul egal = E '+ RT / 2.303F log a (H3O +) În cazul în care E' a potențialului constant de decalare a suprafeței / soluției interioare de sticlă și a celor două electrozi Ag / AgCl. La 30 ° C, potențialul membranei de sticlă se modifică cu aproximativ 60 mV pentru fiecare unitate de pH

2.4.1 Senzorul de pH SEN0161

Figura 2.4.1.1

Specificații

• Modul de alimentare: 5,00V

• Dimensiune modul: 43mm × 32mm

• Domeniu de măsurare: 0-14PH

• Temperatura de măsurare: 0-60 ℃

• Precizie: ± 0.1pH (25 ℃)

• Timp de răspuns: ≤ 1min

• Senzor pH cu conector BNC

• interfață PH2.0

• Potențiometrul de reglare a câștigului

• Indicator LED de alimentare

• Lungime cablu de la senzor la conector BNC: 660mm

Dimensiuni electrod

Figura 2.4.1.2

Relație voltaj – valoare ph

Tabelul 2.4.1.1

Schema de conectare a senzorului de pH

(1) Se concetează placuța in conformitate cu schema de mai jos, adică electrodul de pH este conectat la conectorul BNC de pe placa de măsurare a pH-ului și apoi folosind fire de conexiune, placa de măsurare a pH-ului este conectată la portul ananlong 0 al plăcii Arduino . Când controlerul Arduino primește energie, LED-ul albastru aflat pe placa de măsurare a pH-ului este pornit.

(2) Se încarcă codul pe controlerul Arduino.

(3) Se pune electrodul pH în soluția standard a cărei valoare a pH-ului este de 7,00. Se deschide monitorul serial al IDE-ului Arduino, pentru a vedea valoarea pH-ului imprimată pe el și eroarea nu trebuie să depășească 0,3.Se înregistrează valoarea pH imprimată, și se compară cu 7.00, iar diferența trebuie schimbată în "Offset" din codul eșantionului. De exemplu, valoarea de imprimare a pH-ului este de 6,88, deci diferența este de 0,12. Trebuie modificat "# define Offset 0.00" în "# define Offset 0.12" în program.

(4) Se pune electrodul pH în soluția standard de pH a cărei valoare este de 4,00. Se așteptă aproximativ un minut,

până se reglază dispozitivul potențial de creștere, lăsați valoarea să se stabilizeze la aproximativ 4,00. În acest timp, calibrarea acidă a fost finalizată și se poate măsura valoarea pH a unei soluții acide.

Notă: După fiecare măsurătoare se spală electrodul pentru a nu rămâne resturi de la vechea măsurătoare.

(5) În funcție de caracteristicile liniare ale electrodului pH, după calibrarea de mai sus, se poate măsura direct valoarea pH a soluției alcaline, dar dacă doriți să obțineți o precizie mai bună, puteți să o recalibrați. Calibrarea alcalină utilizează soluția standard a cărei valoare a pH-ului este de 9,18. De asemenea, reglați dispozitivul de potențial de câștig, lăsați valoarea să se stabilizeze la aproximativ 9,18. După această calibrare, se poate măsura valoarea pH a soluției alcaline.

Figura 2.4.1.3

Calibrarea senzorului în programul Arduino

Pentru calibrarea am folosit următoarele substanțe:

Oțet pentru pH acid – 3 pH

Figura 2.4.1.4

Apă deuderizată pH neutru – 7 pH

Figura 2.4.1.5

Clor pH basic – 13 pH

Figura 2.4.1.6

2.5 Senzorul de greutate

Mărcile tensiometrice

Celulele de sarcină pentru măsurarea tensiunilor sunt cele mai frecvente în industrie. Aceste celule de sarcină sunt deosebit de rigide, au valori foarte bune de rezonanță și tind să aibă cicluri lungi de viață în aplicații.

Celulele de sarcină pentru măsurarea tensiunii funcționează pe principiul conform căruia tensiometrul (un rezistor planar) se deformează atunci când materialul celulelor de sarcină este supus unor forțe.

Deformarea mărcii tensiometrice modifică rezistența sa electrică, cu o valoare proporțională cu tensiunea. Schimbarea rezistenței indicatorului de tensiune asigură o modificare a valorii electrice care este calibrată cu sarcina plasată pe celula de sarcină.

O celulă de încărcare constă de obicei din patru senzori de tensiune într-o configurație de tip punte Wheatstone. Sunt disponibile, de asemenea, celule de încărcare cu un indicator al tensiunii sau două senzori de tensiune.

Ieșirea semnalului electric este în mod obișnuit de ordinul câtorva milivolți (mV) și necesită amplificare de către un amplificator de instrumentație înainte ca acesta să poată fi utilizat. Ieșirea traductorului poate fi scalată pentru a calcula forța aplicată traductorului. Uneori, un ADC de înaltă rezoluție, de obicei 24 de biți, poate fi utilizată direct.

Manometrele sunt lipite pe un fascicul sau un element structural care se deformează atunci când se aplică greutatea. În cele mai multe cazuri, patru senzori de tensiune sunt utilizați pentru a obține o sensibilitate maximă și o compensare a temperaturii.

Două dintre gabarituri sunt de obicei în tensiune, pot fi reprezentate ca T1 și T2, iar două în compresie pot fi reprezentate ca C1 și C2 și sunt cablate cu ajustări de compensare. Celula de sarcină pentru măsurarea tensiunii este în mod fundamental un resort optimizat pentru măsurarea tensiunii. Măsurătorile sunt montate în zone care prezintă compresiune sau tensiune.

Atunci când se aplică greutatea celulei de sarcină, manometrele C1 și C2 comprimă scăderea rezistențelor acestora. În același timp, manometrele T1 și T2 sunt întinse mărind rezistențele lor. Schimbarea rezistențelor determină curgerea mai multor curenturi prin C1 și C2 și reducerea curentului prin T1 și T2. Astfel, se resimte o diferență de potențial între ieșirile sau conductorii de semnal al celulei de sarcină. Manometrele sunt montate într-o punte diferențială pentru a spori acuratețea măsurătorilor. Atunci când se aplică greutatea, tensiunea modifică rezistența electrică a manometrelor proporțional cu sarcina . Alte celule de sarcină se estompează în obscuritate, deoarece celulele de sarcină de măsurare a tensiunii continuă să crească precizia și să reducă costurile unitare.

Forme comune

Fasciculul de forfecare, un bloc drept de fixare fixat pe un capăt și încărcat pe cealaltă

Fază de forfecare cu două capete, un bloc drept de fixare fixat la ambele capete și încărcat în centru

Celule de sarcină de comprimare, un bloc de material proiectat pentru a fi încărcat la un punct sau zonă în compresie

Tip S, un bloc de material în formă de S care poate fi utilizat atât la compresiune, cât și la tensiune (legăturile de sarcină și celulele de sarcină tensiune sunt proiectate numai pentru tensiune)

Cleme de frânghie, un ansamblu atașat la o frânghie și măsoară tensiunea acestuia. Clemele de prindere sunt populare în aplicațiile de ridicare, macarale și ascensoare datorită ușurinței instalării acestora; acestea trebuie să fie proiectate pentru o gamă largă de sarcini, incluzând sarcini dinamice de vârf, astfel încât producția lor pentru sarcina nominală tinde să fie mai mică decât cea a celorlalte tipuri

Loadpin, utilizat pentru detectarea sarcinilor de ex. osii

Probleme comune

Montarea mecanică: celulele trebuie montate corespunzător. Toată forța de încărcare trebuie să treacă prin partea celulei de sarcină, unde se simte deformarea acesteia. Frecarea poate induce offset sau histerezis. Montarea incorectă poate duce la forțele de raportare ale celulei de-a lungul axei nedorite, care totuși poate să se coreleze într-o oarecare măsură cu sarcina detectată, confuzând tehnicianul.

Suprasarcina: în cadrul evaluării sale, celula de sarcină se deformează elastic și revine la forma sa după ce a fost descărcată. Dacă este supus sarcinilor peste limita maximă a acestuia, materialul celulei de sarcină se poate deforma plastic; acest lucru poate duce la o deplasare a semnalului, la pierderea liniarității, la dificultatea sau imposibilitatea calibrării sau chiar la deteriorarea mecanică a elementului de detectare (de exemplu, delaminare, rupere).

Problemele legate de cabluri: firele către celulă pot dezvolta o rezistență ridicată, de ex. datorită coroziunii. Alternativ, căile de curent paralele pot fi formate prin pătrunderea umidității. În ambele cazuri semnalul dezvoltă offset (dacă toate firele nu sunt afectate în mod egal) și precizia este pierdută.

Defecțiuni electrice: celulele de sarcină pot fi deteriorate de curentul indus sau condus. Acoperirea cu fulgere a construcției sau sudarea cu arc efectuată în apropierea celulelor poate suprasolicita rezistoarele fine ale măsurătorilor de tensiune și poate cauza distrugerea sau distrugerea acestora. Pentru sudarea în apropiere, se recomandă să deconectați celulă de sarcină și să-i scurtați toate pinii la pământ, în apropierea celulei în sine. Tensiunile mari pot rupe izolația între substrat și tensiometrele.

Nonlinearitatea: la capătul inferior al scalei lor, celulele de sarcină tind să fie neliniare. Acest lucru devine important pentru celulele care detectează intervale foarte mari sau cu un exces mare de capacitate de încărcare pentru a suporta supraîncărcările sau șocurile temporare (de exemplu clemele de prindere a cablurilor). Mai multe puncte pot fi necesare pentru curba de calibrare.

Selectarea corectă a unei celule de sarcină pentru aplicația pe care urmează să o utilizați este un factor critic pentru realizarea acurateței și fiabilității. Deci, ce parametri trebuie să fie luați în considerare la selectarea unei celule de sarcină.

Excitarea și randamentul nominal

Puntea este excitată cu o tensiune stabilizată (de obicei 10V, dar poate fi de 20V, 5V sau mai puțin pentru instrumente cu baterie). Tensiunea diferențială proporțională cu sarcina apare apoi pe ieșirile de semnal. Ieșirea celulei este evaluată în milivolți pe volt (mV / V) a tensiunii de diferență la sarcină mecanică nominală completă.

Deci, o celulă de sarcină de 2.96 mV / V va furniza un semnal de 29.6 milivolți la sarcină maximă atunci când este excitat cu 10 volți. Valorile tipice de sensibilitate sunt de la 1 la 3 mV / V. Tensiunea maximă de excitație tipică este de aproximativ 15 volți.

2.5.1 Marca tensiometrică de 1kg

Această celulă de sarcină dreaptă (numită uneori un ecartament) poate traduce până la 1 kg de presiune (forță) într-un semnal electric. Fiecare celulă de sarcină este capabil să măsoare rezistența electrică care se schimbă ca răspuns la și proporțională cu forța (de exemplu presiunea sau forța) aplicată barei.

Cu acest ecartament veți putea spune cât de greu este un obiect, dacă unul

greutatea obiectului se schimbă în timp, sau dacă pur și simplu trebuie să simțiți

prezența unui obiect prin măsurarea tensiunii sau a sarcinii aplicate pe o suprafață.

Specificații

Rata de încărcare 1 kg

Tensiunea de lucru 3 ~ 12VDC

Max. Tensiunea de lucru 15VDC

Putere nominală 1,0 ± 0,15mV / V

Nelinearitate 0,03% F.S

Întârziere 0.03% F.S

Repetabilitate 0,03% F.S

Valoarea temperaturii de ieșire este de 0,01% F.S / C

Influența temperaturii zero 0,05% F.S / C

Echilibru pentru zero ± 0.1000 mV / V

Impedanță de ieșire 1000 ± 10% Ohm

Impedanță de intrare 1115 ± 10% Ohm

Rezistența la izolație 1000 MOhm

Suprasarcină sigură 150% F.S

Suprasolicitarea extremă 200% F.S

Temperatura de lucru -20 ~ + 60 ° C

Dimensiuni 80 mm x 12,7 mm x 12,7 mm

2.5.2 Amplificatorul HX711

Figura 2.5.2.1

HX711 este un analog-digital digital de precizie de 24 de biți convertor (ADC) proiectat pentru cântărire scări și aplicații de control industrial la interfață directă cu un senzor de punte.

Multiplexorul de intrare selectează fie canalul A sau diferența de intrare B la zgomot redus

amplificator de amplificare programabil (PGA).

Canalul A poate fi programat cu un câștig de 128 sau 64, care corespunde unei intrări diferențiale pe scară largă tensiune de ± 20mV sau ± 40mV, atunci când o alimentare de 5V este conectată la puterea analogică AVDD pinul de alimentare.

Canalul B are un câștig fix de 32. Onchip regulatorul de alimentare elimină nevoia pentru un regulator extern de alimentare care să furnizeze analogice putere pentru ADC și senzor. Introducerea ceasului este flexibil. Poate fi de la o sursă de ceas extern, a cristal sau oscilatorul pe cip care nu o face necesită orice componentă externă. On-chip poweron-reset circuitele simplifică interfața digitală inițializare.

Nu este nevoie de programare pentru registrele interne. Toate comenzile pentru HX711 sunt prin pini.

CARACTERISTICI

• Două canale de intrare diferențiale selectabile

• PGA cu zgomot redus activ, cu câștig selectabil din 32, 64 și 128

• Regulator sursă de alimentare on-chip pentru celula de încărcare și alimentare analogică ADC

• Oscilator pe cip care nu necesită un dispozitiv extern sau componentă cu cristal extern opțional

• Resetare la pornire pe circuit

• Control digital simplu și interfață serială

• Rată de transfer de ieșire selectabilă 10SPS sau 80SPS

• Respingerea simultană a alimentării la 50 și 60 Hz

• Interval de tensiune de alimentare: 2,6 ~ 5,5V

• Intervalul temperaturii de funcționare: -40 ~ + 85 ℃

• pachet SOP-16 cu 16 pini

Intrări analogice

Canalul de intrare diferențială este conceput pentru interfațarea directă cu un senzor de punte cu ieșire diferențială. Acesta poate fi programat cu un câștig de 128 sau 64. Câștigurile mari sunt necesare adaptării semnalul de ieșire cu valoare mică din senzor.

Când se utilizează alimentarea de 5V la pinul AVDD, aceste câștiguri corespund unui diferențial pe scară largă de tensiune de intrare de ± 20mV sau ± 40mV.

Intrarea canalului B diferențial are un câștig fix de 32. Intervalul de tensiune de intrare pe scară largă este de ± 80mV, când se utilizează alimentarea de 5 V la pinul AVDD.

Opțiuni de alimentare

Alimentarea digitală (DVDD) ar trebui să fie de la aceeași sursă de alimentare cu sursa de alimentare MCU.

Când utilizați regulatorul intern de alimentare analogic, tensiunea de închidere a regulatorului depinde de tranzistorul extern folosit. Tensiunea de ieșire este egală cu VAVDD = VBG * (R1 + R2) / R1. Acestă tensiunea ar trebui să fie proiectată cu un minim de 100mV sub tensiunea VSUP.

Dacă regulatorul analogic de alimentare pe cip nu este folosit, pinul VSUP trebuie să fie conectat la oricare dintre AVDD sau DVDD, în funcție de tensiunea superioră. Pinul VFB trebuie conectat la masă și pinul BASE devine NC.

Rata și formatul datelor de ieșire

Când se utilizează oscilatorul de pe cip, datele de ieșire au rata de 10 (RATE = 0) sau 80SPS (RATE = 1).

Când folosiți ceasul extern, rata de date este direct proporțională cu ceasul sau frecvența cristalului. Utilizând ceasul de 11.0592MHz sau rezultă cristal într-o valoare precisă de 10 (RTE = 0) sau 80SPS (RATE = 1) rată de date de ieșire. Când semnalul diferențial de intrare se închide pentru intervalul de 24 biți, datele de ieșire vor fi saturate la 800000h (MIN) sau 7FFFFFh (MAX), până la semnalul de intrare revine la valoarea domeniul de intrare.

Interfață serială

Pinii PD_SCK și DOUT sunt utilizați pentru date, selectarea intrării și selectarea câștigului. Când datele de ieșire nu sunt pregătite pentru recuperare, pinul de ieșire digital DOUT are valoare HIGH. Clockul serial pentru intrarea PD_SCK ar trebui să fie LOW. Când merge DOUT la nivel LOW, indică faptul că datele sunt gata pentru recuperare. Aplicând 25 ~ 27 de impulsuri de clock pozitive la Pinul PD_SCK, datele sunt mutate din DOUT la ieșirea pin. Fiecare impuls PD_SCK schimbă un bit, începând cu primul bit MSB, până când toți cei 24 de biți sunt

mutați. Cel de-al 25-lea impuls la intrarea PD_SCK va fi muta pinul DOUT înapoi in starea HIGH.

Selecția intrărilor și a câștigurilor este controlată de numărul de impulsuri PD_SCK de intrare. Impulsurile clockului PD_SCK nu trebuie să fie mai mici de 25 sau peste 27 în cadrul unei perioade de conversie pentru a se evita erorile de comunicare în serie.

2.5.3 Schema bloc a montajului

Figura 2.5.3.1

Pentru realizarea montajului din figura 2.5.3.1, vom conecta in primă fază marca tensiometrică la amplificator după cum urmează :

Firul roșu la VCC (E+)

Firul negru la GND (E-)

Firul de date alb la A+

Firul de date Verde la A-

În continuare, vom conecta amplificatorul HX711 la placa de dezvoltare Mega 2560:

GND la pinul GND de pe placă

DT la pinul digital 3

SCK la pinul digital 2

VCC la pinul de alimentare de 5v

2.5.4 Schema bloc a programului

Figura 2.5.4.1

Capitolul III Standul de lucru si efectuarea măsuratorilor

3.1 Interpretarea datelor măsurate

În acest capitol vom efectua mai multe măsurători legate de procesul de producție al cafelei și vom interpreta datele finale în funcție de fiecare parametru după cum urmează:

Măsurarea temperaturii :

Dacă temperatura depășește valoarea de 92 grade, Celsius se va afișa mesajul “Temperatură prea mare, aerisiți espressorul”;

Dacă temperatura este sub valoarea de 86 grade Celsius, se va afișa mesajul “Temperatură prea mică, așteptați să se încâlzească espressorul”;

Dacă temperatura se află intre valoarea minimă și cea maximă , se va afișa mesajul “Temperatură este bună”;

Măsurarea greutății :

Dacă greutatea depășește valoarea de 32 grame , se va afișa mesajul “Greutatea este prea mare, modificați programul”;

Dacă greutatea este sub valoarea de 28 grame, se va afișa mesajul “Greutatea este prea mică, modificați programul”;

Dacă greutatea se află intre valoarea minimă și cea maximă , se va afișa mesajul “Greutatea este bună”;

Măsurarea pH-ului :

Dacă pH-ul depășește valoarea de 5.3 se va afișa mesajul “pH-ul prea mare, verificați granulația”;

Dacă temperatura este sub valoarea de 4.8 , se va afișa mesajul “pH prea mic, verificați granulația”;

Dacă pH-ul se află intre valoarea minimă și cea maximă , se va afișa mesajul “pH-ul este bun”;

3.2 Standul de lucru

Figura 3.2.1 Mega2560 și conexiunile cu senzorii realizate cu ajutorul unui breadbord.

Figura 3.2.2 Standul final de test

Figura 3.2.3 Rularea sistemului de achiziții de date

3.3 Concluzii și posibilități de dezvoltare

Acest sistem de achiziții de date poate veni atât în ajutorul persoanelor care nu sunt familiarizate cu procesul de producție al cafelei, oferindu-le posibilitatea de a verifica parametrii pe care îi obțin în raport cu parametrii recomandați de producător cât și persoanelor care doresc să identifice potențialul maxim al unei cafele , notând fiecare set de măsurători alături de feedback-ul primit de la consumator.

Dezvoltarea acestui sistem de achiziții de date poate consta in crearea unei baze de date în care să fie salvate măsurătorile impreună cu feedback-ul privind gustul.

Bibliografie

http://www.ncausa.org/

Coffee: Growing, Processing, Sustainable Production (Second ed.). Wiley-VCH VerlangGmbH & Co. KGaA. p. 61.

Clifford, M.N.; Willson, K.C. (1985). Coffee: Botany, Biochemistry and Production of Beans and Beverage. Westport, Connecticut: The AVI Publishing Company

https://clivecoffee.com/blogs/learn/how-do-espresso-machines-work

https://www.arduino.cc/

https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temp/DS18B20