Macchina da caffè automatica con Picaxe

INTRODUZIONE PROGETTO

Una società di distribuzione di caffè stava cercando un modo per incrementare le entrate. Dopo una ricerca di mercato, venne fuori una decisione strategica di sviluppare una macchina da caffè unica, di alta qualità ed automatica. Un lungo periodo di ricerca sviluppo condusse il titolare a me. L’idea era di progettare una macchina di alto livello capace di dare al consumatore esperienza superiore. La vecchiam amacchina era conosciuta come “ROBUSTA CAFFE'” e fu rinominata “GENESIS” indicando l’evluzione della macchina. Così il progetto iniziale fu nominato: “Macchina da caffè automatica con Picaxe“. Vi spiegherò nel corso dell’articolo il perchè.

FASE DI PROGETTAZIONE

La fase di progettazione iniziò mettendo insieme tutte le idee innovative e le funzionalità a cui la Macchina da caffè automatica con Picaxe doveva rispondere. La prima tra tutte era controllare e mantenere la temperatura giusta per tutto il tempo. Infatti per ottenere il miglior caffè, uno dei parametri da controllare è proprio la temperatura dell’acqua che va in tazza. La seconda funzionalità era controllare il numero di caffè erogati tenendone traccia. La terza ottenere alcune informazioni extra ed avere un migliorato confort. Tutte queste funzionalità incorporate nella nuova macchina.

Per raggiungere tutti questi requisiti selezionai il giusto hardware in termini di sensori, processore e componentistica generale. In un primo momento disassemblai l’intera macchina. La mia scelta cadde così sul PICAXE 18M2 Microcontroller considerata la capacità di gestire un I2C communication bus per connettere una EEPROM, usata per gestire i dati di uso della macchina e caffè erogati, ed un display per visualizzare tutte le informazioni all’utente.


Comprai così una Sonda di Temperatura digitale DS18B20. Una economica sonda idonea per la nostra Macchina da caffè automatica con Picaxe progettata per uso domestico. Il modello scelto fu la versione incapsulata in un involucro metallico collegabile attraverso il  bus 1-Wire.

Praticai un foro dalle giuste dimensioni nel corpo centrale riscaldante ottenendo così il posto preciso dove alloggiarvi la sonda.

Ero così pronto ad avanzare al prossimo passo: la prototipazione. Su una scheda millefori, il processore Picaxe fu connesso con gli altri elementi elettronici ed in fine al bus I2c attraverso il quale la EEPROM ed il display potevano stabilire la connessione e scambiare dati.

Le successive fasi furono il test dell’hardware e lo sviluppo del software.
Per il test hardware vennero misurate tutte le tensioni intorno al processore e controllate tutte le connessione fisiche tra i compnenti. Fu realizzata una connessione extra al processore per una porta seriale RS-232 necessaria per la programmazione.

Passai poi alla fase di sviluppo del software. Dal sito ufficiale PICAXE (http://www.picaxe.com/), scaricai il software IDE (Integrated Development Environment).
Il linguaggio di programmazione è BASIC, potente ma semplice.
Durante la fase di sviluppo del software diverse idee furono integrate nelle funzionalità della macchina. Un buzzer fu installato per attirare l’attenzione dell’utilizzatore durante alcune fasi come lo start o lo stop dell’erogazione. Una striscia led stipe per illuminare il piano di erogazione e la tazza, aumentando così il comfort e l’esperienza.

Dopo una settimana di test, ero pronto per progettare la scheda PCB (Printed Circuit Board). Durante questa fase definii le interconnessioni fra componenti e processore con un software di progettazione chiamato Eagle.

Dopo la fase di ottimizzazione delle interconnessioni, eseguii il rendering di alcune immagini per simulare il risultato finale. Il primo prototipo della scheda fu realizzato ed installato fisicamente nella macchina.

All the connections were adjusted and suited in.
A new complete phase of testing was conducted to make sure that everything worked well. A large quantity of coffee was produced to make sure that the temperature regulation algorithm was as reliable as the electronic board. The electronic board controls directly the mains of the supply pump and the heating element via BC-139 Triac driven by MOC3062 220V Zero-phase detector.

FASE FINALE – la nascita della Macchina da caffè automatica con Picaxe

In fine, sul fronte della ROBUSTA GENESIS, installai un display LCD 16×2 connesso via BUS I2C ed una striscia led pilotata in modulazione PWM con un segnale di uscita. Man mano che la temperatura di erogazione del gruppo diventa prossima al tet-point di temperatura, la strisca led incrementa la sua luminosità grazie alla variazione del duty cycle PWM e durante l’erogazione del caffè la liminosità raggiunge il suo massimo.

Tutte le persone che hanno avuto la possibilità di assaggiare un caffè fatto dalla Robusta Genesishanno detto che erano entusiasti e visualmente impressionati dalla bellezza della macchina. La differenza fra una macchina classica da caffè e la Macchina da caffè automatica con Picaxe è semplice da capire a primo sguardo.

Per consentire al gestore di controllare i parametri operativi della machina, ho sviluppato una applicazione su PC in un ambiente di sviluppo chiamato PROCESSING che utilizza un linguaggio di programmazione chiamato JAVA.

Una semplice ed autoesplicativa interfaccia consente all’utente comodamente di impostare e vedere tutti i parametri ed il comportamento durante la fase di erogazione.

L’applicazione su PC della ROBUSTA GENESIS è capace di impostare i seguenti paramentri:

  • Set-Point temperatura
  • Bassa temperatura
  • Alta temperatura
  • Numero di caffè disponibili (erogabili)
  • Comportamento della pompa (avviamento continuo o ad impulsi)

Alcuni comandi possono essere inviati al controller come:

  • Memorizza dati in memoria
  • Memorizza dati su memoria esterna (EEPROM)
  • Reset generale del processore

Un monitor di stato ed un termometro a lancetta completa l’nsieme di informazioni disponibili per l’utente.

La Robusta Genesis non è mai andata in produzione per via dell’evelato costo di realizzazione.

Dettagli del Progetto

Informazioni

  • CAMPO di APPLICAZIONE
    Applicazione domestica – uso personale
  • DESCRIZIONE
    Macchina da caffè perosnale per uso domestico (destinata alla distribuzione)
  • STATO
    Prototipo,
    due modelli realizzati a scopo di ricerca
    mai andata in produzione
  • DATA
    Febbraio 2013

Piattaforme

  • Hardware
    • PICAXE 18M2 Microcontroller
    • EEPROM 24CS01-SSHM-T (1kB bus I2C)
    • sonda di temperatura: DS18B20
  • Design Software
    • EAGLE Electronics & PCB Designer
  • Application Software
    • PICAXE Editor
    • Processing v2 (JAVA)

Notizie Interne

Alcuni fatti interessati di questo progetto:

  • Software
    • Ci sono due componenti software che possono girare insieme o da soli. Il primo è nel controller principale sviluppato in BASIC mentre il secondo gira su PC (se richiesto) scritto in JAVA. Due linguaggi di programmazione completamente diversi
    • Il numero totale di righe è:
      • 934 in BASIC
      • 641 in JAVA
      • La connessione tra le due componenti è assicurata da un cavo seriale RS-232
  • Hardware – Elettronica
    • La scheda ha una sezione di alimentazione autonoma integrata a bordo
    • L’alimentazione della pompa e del sistema di riscaldamento è fornita direttamente da un Triac BC-139 allo stato solido controllato da un chip MOC3062 integrato per il controllo del passaggio dallo zero dell’onda dell’alimentazione