Röstgrad-Infrarot-Analysator für Kaffeeröster - Gunook

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2025-01-23 12:52

Einführung

Kaffee ist ein Getränk, das weltweit sowohl aufgrund seiner sensorischen als auch seiner funktionellen Eigenschaften konsumiert wird. Geschmack, Aroma, Koffein und Antioxidantiengehalt des Kaffees sind nur einige Eigenschaften, die die Kaffeeindustrie so erfolgreich gemacht haben. Während Herkunft, Qualität und Art der grünen Bohnen die Qualität des Endprodukts beeinflussen, ist die Röstung des Kaffees der einflussreichste Faktor.

Typischerweise verwendet der Röstmeister (eine hochqualifizierte Person) während des Röstens Eigenschaften der Bohnen wie Temperatur, Textur, Geruch, Klang und Farbe, um die Röstung entsprechend zu bewerten und anzupassen. Nach der Röstung werden die Kaffeebohnen bewertet, um die Bohnenqualität sicherzustellen. Der Agtron Process Analyzer ist ein Industriestandardgerät zur Messung des Röstgrades von Kaffeebohnen mittels Nahinfrarot-Spektrophotometrie. Der Röstgrad ist im Wesentlichen ein Maß für die Qualität des Kaffees basierend auf dem Ausmaß der während der Röstung übertragenen Wärme und kategorisiert Kaffee in helle, mittlere und dunkle Röstungen.

In letzter Zeit haben kleine Röstereien zugenommen, die kundenspezifische In-House-Röstungen anbieten. Diese Unternehmen suchen nach kostengünstigeren Alternativen zur Einstellung und Ausbildung eines Röstmeisters oder zur Verwendung des teuren Agtron-Prozessanalysators. Der Röstgrad-Infrarot-Analysator für Kaffeeröster, wie in diesem Dokument beschrieben, soll ein kostengünstiges Mittel zur Messung des Röstgrades von Kaffeebohnen sein. Der Röstgrad-Infrarot-Analysator verwendet einen Prober, ein Werkzeug, das bei Kaffeeröstern verwendet wird, um den Kaffee während des Röstens zu probieren, um eine Kaffeeprobe zu halten. Der Tryer wird in den Analysator eingesetzt, wo der NIR-Spektralsensor AS7263 verwendet wird, um 6 verschiedene Infrarotbänder (610, 680, 730, 760, 810 und 860 nm) zu messen. Die Reflexionsmessungen werden per Bluetooth übertragen und können dann mit dem Röstgrad korreliert werden. Der Analysator muss zunächst per Knopfdruck auf der Innenseite der Box kalibriert werden, in der das PVC als Weißabgleich verwendet wird, da es im vom Sensor erfassten Spektralbereich eine relativ flache Reflexion aufweist.

Schritt 1: Materialien

Materialliste

1. SparkFun Qwiic-Schild (https://www.sparkfun.com/products/14352)
2. SparkFun Qwiic-Connector (https://www.sparkfun.com/products/14427)
3. SparkFun AS7263 NIR-Spektralsensor (https://www.sparkfun.com/products/14351)
4. 4 x VCC 6150 Lampen 5V.06A (Glühbirnen) (https://www.mouser.com/)
5. 2 x momentane Drucktasten
6. 2 x 10kOhm Widerstände
7. DC Barrel Jack Buchse (https://www.sparkfun.com/products/10288)
8. HC-05 Bluetooth-Modul (https://www.amazon.com/)
9. Stromschalter
10. Halbleiterrelais (AD-SSR6M12-DC-200D)(https://www.automationdirect.com/)
11. 1/2" PVC-Kappe
12. 1/2" x 1/2" x 3/4" PVC-T-Stück
13. Bastelkiste (Hobby-Lobby)
14. Arduino Uno
15. Versuch
16. 5V 2A Netzteil (https://www.adafruit.com/product/276)

17. USB-Kabel - Standard A-B (Programmierkabel)

Hinweise zu Materialien

VCC 6150 Lampen - Dies sind Glühbirnen, die aufgrund ihrer hohen Infrarotleistung ausgewählt wurden. Die Glühbirnen werden anstelle des LED-Lichts des AS7263-Moduls verwendet, da die integrierte LED nicht die Infrarotleistung aussendet, die erforderlich ist, um von den Kaffeebohnen reflektiert und anschließend vom Sensor gemessen zu werden. Darüber hinaus ist es wichtig zu beachten, dass bei diesem Design die Glühbirnen von der 5V 2A-Stromquelle gespeist und vom Arduino über ein Relais gesteuert werden. SparkFun bietet zwei Onboard-Lötstifte auf dem AS7263-Modul zur Stromversorgung und Steuerung einer Hilfslichtquelle, diese werden jedoch nicht verwendet, da sie nicht genügend Spannung oder Stromstärke liefern, um die ausgewählten Glühbirnen ausreichend mit Strom zu versorgen.

SparkFun Qwiic Shield - Dieses Shield wird verwendet, da es einfach über einen Qwicc-Anschluss mit dem AS7263-Sensor verbunden werden kann. Die Abschirmung bietet außerdem sowohl eine 3,3-V-Logikpegelverschiebung als auch einen großen Prototyping-Bereich.

Halbleiterrelais - Diese Art von Relais wurde wegen seiner schnellen und leisen Schaltfähigkeiten gewählt, es ist jedoch teuer und unnötig, da ein normales elektrisches Relais auch funktionieren würde. Bei Verwendung eines standardmäßigen elektrischen Relais muss der Code möglicherweise geändert werden, um den Probenahme- und Kalibrierungsprozess zu verlangsamen.

PVC-Größe - Die PVC-Größe wurde aufgrund des Durchmessers der vorhandenen Probe gewählt und sollte geändert werden, wenn eine andere Größe der Probe verwendet wird.

HC-05 Bluetooth-Modul - Eine Anleitung (https://www.instructables.com/id/How-to-Set-AT-Command-Mode-for-HC-05-Bluetooth-Mod/) wurde verwendet, um das Baud zu ändern Geschwindigkeit des Moduls von 9600 bis 115200, um der Baudrate des AS7263 zu entsprechen.

Schritt 2: Schaltplan

S1 -- Netzschalter

SSR1 -- Halbleiterrelais

B1 -- Probenahmetaste

B2 -- Kalibrierungstaste

R1 -- 10kOhm Widerstand

R2 -- 10kOhm Widerstand

L1, L2, L3, L4 -- Glühbirnen

Schritt 3: Einbau von Glühbirnen an den AS7263

Ein 3D-gedruckter Montagering (STL bereitgestellt) wurde hergestellt, um die Lampen um den Sensor herum zu halten. Die Lampen wurden parallel verdrahtet und Heißkleber wurde verwendet, um zu verhindern, dass sich die Leitungen der Lampen gegenseitig berühren. Anstelle von Heißkleber kann eine Flüssiggummiisolierung verwendet werden. Als nächstes wurden winzige Drähte verwendet, um den Montagering am Sensor zu befestigen, indem die Drähte durch die am Sensor vorgesehenen Löcher gebunden wurden.

Schritt 4: Zusammenbau des Tryer-Ports

In die Rückseite der PVC-Kappe wurde ein Loch gebohrt, um den momentanen Druckknopf aufzunehmen. Die 3/4 -Seite des PVC-T-Stücks wurde abgeschnitten und der Sensor mit Kabelbindern am Tryer-Anschluss befestigt. Die Länge des T-Stücks muss möglicherweise an die Größe des Tryers angepasst werden. Eine Kerbe wurde in die Backbordseite des PVC-T-Stücks, um die Bohnenprobe im Tryer mit dem Sensor auszurichten.

Schritt 5: Verdrahtung des Halbleiterrelais und des Netzschalters

Die Lichter aus dem wurden in Reihe mit Halbleiterrelais und der DC-Fassbuchse verdrahtet.

Der Vin auf dem Qwiic-Schild wurde über einen Netzschalter mit der DC-Fassbuchse verbunden.

Die Masse des Qwiic-Schildes wurde mit der Masse der DC-Barrel-Buchse verbunden.

Schritt 6: Verdrahtung der Kalibrierungstaste

Der Kalibrierknopf wurde über einen Widerstand mit Strom, Digital 2 und Masse verbunden.

Schritt 7: Verdrahten der Abtasttaste

Der Abtastknopf wurde über einen Widerstand mit Strom, Digital 3 und Masse verbunden.

Schritt 8: Verdrahten des EINGANGS mit dem Halbleiterrelais

Die Eingangsseite des Halbleiterrelais wurde mit Digital 5 und Masse verdrahtet.

Schritt 9: Verkabeln des Bluetooth-Moduls

Das Bluetooth-Modul wurde gemäß dem mitgelieferten Schaltplan verkabelt.

VCC - 5V

RXD - Digital 11

TXD - Digital 10

Masse - Masse

Schritt 10: Code

Laden Sie den bereitgestellten Code mit dem Programmierkabel auf das Arduino Uno hoch.

Als Referenz bietet SparkFun eine Inbetriebnahmeanleitung für den AS726x (https://learn.sparkfun.com/tutorials/as726x-nirvi)

VORSICHT!! Stellen Sie beim Testen des Codes sicher, dass das Arduino weder von der 5-V-Stromversorgung UND dem Programmierkabel mit Strom versorgt wird. Dies wird das Arduino braten

Schritt 11: Ergebnisse über Bluetooth anzeigen

Um die Bluetooth-Ergebnisse anzuzeigen, laden Sie Bluetooth Electronics von keuwlsoft aus dem Google Play Store herunter. Speichern Sie die Datei DegreeOfRoastInfraRedAnalyzer.kwl im Ordner keulsoft im internen Speicher des Bluetooth-Geräts. Verwenden Sie das Speichern-Symbol in der App, um die KWL-Datei zu laden. Verbinden Sie sich als Nächstes mit dem HC-05 Bluetooth-Modul und führen Sie die geladene Datei aus.

Schritt 12: Schlussfolgerungen

Wellenlängen-Legende:

• R - 610 nm
• S - 680nm
• T - 730 nm
• U - 760 nm
• V - 810 nm
• W - 860 nm

Der NIR-Sensor AS7263 wurde verwendet, um die spektrale Reflexion von Kaffeebohnen bei 6 verschiedenen Wellenlängen für ungerösteten Kaffee sowie helle, mittlere und dunkle Röstungen zu messen. Die Ergebnisse des Sensors zeigen, dass die Infrarotreflexion mit höheren Röstgraden über alle getesteten Wellenlängen abnimmt. Die Wellenlänge mit der größten Variation in Abhängigkeit vom Röstgrad wurde mit 860 nm gefunden. Dieses System bietet eine schnelle und einfach zu bedienende Basis für die Offline-Messung des Röstgrades von Kaffeebohnen. Die Daten dieses Sensors bieten Kaffeeröstern eine zusätzliche Methode der Qualitätskontrolle, indem sie wiederholbare Röstungen gewährleisten und menschliche Fehler reduzieren. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um die Infrarotdaten mit Industriestandards zu korrelieren.

Schritt 13: Ein besonderer Dank an…

• Dr. Timothy Bowser -- Berater
• Dr. Ning Wang -- Ausschussmitglied
• Dr. Paul Wecker - Ausschussmitglied
• Dan Jolliff – US Roaster Corp.
• Connor Cox – Oklahoma Center for the Advancement of Science and Technology
• Die Abteilung für Biosysteme und Agrartechnik der Oklahoma State University, Stillwater, OK
• Das Zentrum für Lebensmittel und landwirtschaftliche Produkte der Oklahoma State University, Stillwater, OK