Hardware

Dieses Unterkapitel ist primär an Interessierte an einem Nachbau und der Technik gerichtet und behandelt die zum Einsatz gekommenen Hardwarekomponenten. Ich versuche diese soweit es mir möglich ist zu erklären. Die Stückliste hilft zunächst, einen kleinen Überblick über alle Komponenten zu bekommen.

Aufbau des Grundgestells
Aufgesetzt habe ich mein Projekt auf ein Schuhschränkchen des Ausstattungshauses "Mömax". Das hat den Vorteil, dass als Grundgestell ein stabiler Metallrahmen dient, der auch etwas Gewicht halten kann (und ich keinen Grundkurs im Schweißen belegen muss ).
 

Abbildung 1: Grundgestell des Cocktail Mixers

Zum Einbau der Elektronik und der Pumpen wird auf zweiter "Schuhebene" eine Holzplatte eingezogen und der Metallrahmen auf erster Ebene mit Holzlatten verstärkt. Dieser obere Teil soll später komplett mit schwarzen Acrylglas verkleidet werden. Die Acrylglaszuschnitte können dazu bei http://www.acrylformen.de passend zurechtgeschnitten bestellt werden.

Einbau der Pumpen
Hauptbestandteil eines Cocktailmixers sind im ersten Schritt Pumpen zur Abfüllung der Getränke. Dass der Mixer zusätzlich zwei Magnetventile inklusive Druckluftversorgung enthält hat den Grund, dass mit selbstansaugenden Pumpen keine kohlesäurehaltigen Flüssigkeiten abgefüllt werden können. Versucht eine Pumpe ein solches Getränk anzusaugen, so expandiert lediglich die im Getränk enthaltene Kohlensäure und der Saugeffekt der Pumpe kommt nicht zum tragen.
Als Pumpen werden Zahnradpumpen von Pollin.de eingesetzt. Diese kosten Stand Januar 2014 lediglich 2,95€ und sind somit bei einer Stückzahl von 10 noch erschwinglich.

Abbildung 2: Einbau der Pumpen

Abbildung 2 zeigt eine Pumpe in montiertem Zustand. Da die Motorengeräusche der Pumpen sofern keine Partymusik nebenher läuft recht störend sein können, ist jede Pumpe zweifach mechanisch entkoppelt. Der eingehende Anschluss der Pumpe ist auf der Unterseite gegenüber der Motorachse liegend. Zum Anschluss der Getränke wurden hier Löcher in die Bodenplatte gebohrt. Der ausgehende Anschluss befindet sich auf der Seite und wird später durch einen 4mm Schlauch an den gemeinsamen Auslass des Cocktail Mixers geleitet.

Im Hintergrund der Abbildung kann man auch gleichzeitig das Netzteil der Pumpen erkennen. Das Netzteil ist von der Firma Meanwell und liefert bei 7,5 Volt 13,5 Ampere. Da nach dem aktuellen Firmwarestand (Version 2) des Cocktail Mixers immer nur eine Pumpe gleichzeitig laufen kann, ist dieses "etwas" überdimensioniert. Eine Pumpe benötigt laut Datenblatt maximal 4,5 A.

Einpassen der Anschlüsse

Abbildung 3: Einpassen der Anschlüsse in die Plexiglasplatten

Nach Montage aller 10 Pumpen im Gehäuse werden zunächst alle Anschlüsse in den Plexiglasplatten eingepasst. Dazu empfielt sich viel Geduld beim feilen, da sonst recht schnell mehr weggefeilt ist, als gewünscht. Als Anschlüsse sind ein 230Volt-Wippschalter, ein 230V-Kaltgeräte-Einbaustecker, eine RJ45-Buchse zum Anschluss der Waage und eine USB-Buchse zur Verbindung mit dem Computer geplant. Nach dem Bohren und Feilen der Löcher können die Plexiglasplatten an das Gehäuse geklebt werden. Das Verkleben klappt am besten mit "UHU Hart Kunststoff". Die Klebeverbindungen werden damit sehr stabil.

Abbildung 4: Innenansicht der Anschlüsse

Abbildung 4 zeigt die Innenansicht der Anschlüsse. Zur Verbindung mit dem Computer wird ein CP2102-Modul genutzt. Dieses Modul wandelt die serielle UART-Schnittstelle des Atmegas zur USB-Schnittstelle des Computers. Die Waage wird mit einem normalen Ethernet-Kabel verbunden. Über das Kabel wird allerdings kein Ethernet-Protokoll übertragen. Das Kabel dient lediglich der Verbindung von acht Leitungen zwischen Waage und Cocktail Mixer. Da die Kabel quasi überall mit dabei sind, ist diese Art der Verbindung eine kostengünstige Alternative mit gleich acht Leitungen. Es muss lediglich bei der Auswahl der RJ45-Buchse Acht gegeben werden, da manche Buchsen bereits einen Übertrager enthalten, wie er beim Ethernet zum Einsatz kommt. In diesem Fall würde die Waage nicht funktionieren und es können Schäden an der Hauptplatine auftreten.

Ätzen der Hauptplatine und der IO-Platinen
Im nächsten Schritt werden die Platinen des Cocktail Mixers geätzt. Das Layout der Platinen ist in Cadsoft's Eagle entworfen. Die Software wird als Freeware mit verkleinertem Layoutbereich im Netz zum Download angeboten. Für dieses Projekt reicht das allerdings völlig aus.

Abbildung 5: Teil des Schaltplans

Das Ätzen erfolgt durch die Direkt-Toner-Methode (auch manchmal Toner-Transfer-Methode genannt). Das hat den Vorteil, dass man nicht mit teurem Entwickler arbeiten und nicht Belichten muss, wobei viel schief gehen kann.
Die Toner-Transfer-Methode verzichtet daher auf das Belichten und verwendet anstatt des Fotolacks zum Schutz der Leiterbahnen beim Ätzen den Toner eines Laserdruckers. Dazu wird das Layout auf ein geeignetes Papier aufgedruckt und anschließend bei hoher Hitze auf die Platine übertragen. Als Papier eignet sich zum Beispiel das Papier des Reichelt Kataloges hervorragend. Nach dem Transfer des Toners auf die Leiterplatte, kann vorsichtig unter fließendem Wasser das Papier abgelöst werden und der Toner bildet dann die gewünschte Schutzschicht auf der Leiterplatte.

Dieser Ätzvorgang wird ebenfalls sehr schön von Thomas Pfeiffer in einer bebilderten Anleitung beschrieben. Hier gibt es jedoch eine persönliche Empfehlung von mir. In der Anleitung wird beschrieben, dass der Toner mit einem einfachen Bügeleisen auf die Leiterplatte aufgebügelt werden soll. Dabei besteht jedoch oft die Gefahr, dass die Hitze ungleichmäßig verteilt wird und der Toner an manchen stellen nicht haftet und an anderen verläuft.
Daher wurde die Methode von einem Freund und mir noch perfektioniert, indem der Transfer des Toners durch Hitze im Backofen stattfindet.

Abbildung 6: Hilfskontruktion zum Ätzen

Um das ausgedruckte Layout auf der Platine zu fixieren, wurden zwei identische Metallplatten geschnitten und am Rand entlang gebort. Legt man die Platine zusammen mit dem ausgerichteten Papierstück mit dem Layout zwischen die Metallplatten kann man mit den acht Schrauben einen gleichmäßigen Druck aufbringen. Als optimal hat sich herausgestellt, zwischen Metallplatte und Leiterplatte auf beiden Seiten jeweils 3 Küchentücher zu legen, sodass der Druck gleichmäßig verteilt wird und Unebenheiten ausgeglichen werden. Je nach Größe der Platine und Größe der zusammenhängenden Tonerflächen (wie zum Beispiel Masseflächen) muss dass ganze Konstrukt jetzt 10 Minuten in einem auf 200°C vorgeheizten Backofen gebacken werden.

Die mit dieser Methode erzielten Ergbenisse sind wesentlich besser, als ich es bisher mit irgendeinem Bügeleisen geschafft habe!

Abbildung 7: Platinen für Hauptboard, IR-Empfänger und RJ45-Buchse

Fertig sieht die Leiterplatte dann wie in Abbildung 7 in der Mitte dargestellt aus. Die Platine muss jetzt nur noch gebohrt und die Bauteile müssen eingelötet werden.

Nachrüstung der Magnetventile
Im zur Verfügung gestellten Layout gibt es eine Besonderheit zu beachten. Da die Magnetventile nachträglich ergänzt wurden, sind hier keine Leiterbahnen verlegt. Auch die Mosfets zur Ansteuerung sind nicht auf der Hauptplatine vorhanden, sondern wurden auf einer separaten Platine aufgelötet. Lediglich der Pinhead, zur Ausgabe der 5V-Signale und der 12V-Betriebsspannung ist nachträglich in das Layout eingefügt worden. Die zwei überbleibenden Luftlinien im Eagle-Layout müssen hier mit dünnem Draht auf der Unterseite der Hauptplatine verbunden werden.

Abbildung 8: Magnetventile des Cocktail Mixers

Das Prinzip der Abfüllung über Magnetventile ist recht einfach. Folgende Grafik soll die Funktionsweise verdeutlichen.

Abbildung 9: Prinzip der Druckluftversorgung

Die Getränkeflaschen werden mit einem Kompressor oder einer CO²-Flasche von oben unter Druck gesetzt. Ein weiterer Anschluss an jeder Flasche greift die Flüssigkeit vom Boden ab und führt das Getränk zum Magnetventil. Öffnet nun ein Magnetventil, so strömt das Getränk aus der Flasche heraus. Für die Anschlüsse der Flaschen kommen PET-Anschlüsse aus eloxiertem Aluminium zum Einsatz. Diese können bei www.tankverschluss.de (Die Verschlüsse sind eigentlich aus dem Modellbaubereich - stört aber nicht) bestellt werden und haben den großen Vorteil, dass jede PET-Flasche einfach daran angeschlossen werden kann.

Das hier beschriebene Verfahren hat außerdem den Vorteil, dass das Getränk bis zum Magnetventil hin unter Druck steht und die enthaltene Kohlensäure nicht entweichen beziehungsweise expandieren kann. Auf diese Weise lassen sich auch kohlensäurehaltige Getränke abfüllen.

Auslesen der Waage
Die Vermessung der Flüssigkeiten im Glas erfolgt mithilfe einer umgebauten Küchenwaage. Das hat den Vorteil, dass die Rezepte bei jeder Abfüllung ganz exakt eingehalten werden. Außerdem ist die Waage hilfreich, um zu prüfen, ob ein Glas untergestellt oder vorzeitig entfernt wurde. Außerdem kann die Maschine am auf die Waage aufgestellten Gewicht erkennen, ob das richtige Glas (von der Größe) untergestellt wurde.

Abbildung 10: HX711-Modul zum Auslesen der Küchenwaage (bzw. des DMS)

Die Anbindung der Waage erfolgt über ein HX711-Modul. Dieses Modul ist ein 24-Bit AD-Wandler speziell für Messbrücken, wie sie in Küchenwaagen Anwendung finden. Die meisten günstigen Küchenwaagen enthalten Dehnungsmessstreifen (DMS) zur Gewichtsbestimmung. Diese DMS sind nicht anderes als Widerstände, die abhängig des Zuges, der auf Sie ausgeübt wird, ihren Widerstandswert verändern. Normalerweise werden diese DMS auf einem Biegebalken verklebt und in Voll- oder Halb-Messbrücken verschaltet, um Temperaturdrifts zu kompensieren.
Zur Verwendung mit dem HX711-Modul wird zunächst die gesamte Auswerteelektronik der Küchenwaage entfernt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Dehnungsmessstreifen auf dem Biegebalken nicht beschädigt werden. Die vier Drähte der Messbrücke aus der Küchenwaage können jetzt analog zur eigentlichen Auswerteelektronik am HX711-Modul mit den Anschlüssen E-, E+ für die Speisespannung und A- sowie A+ für die Messspannung verbunden werden. Das Modul kann jetzt ganz einfach über die Anschlüsse DT (Daten) und SCK (Serial Clock) über eine serielle Kommunikation ausgelesen werden. Das Modul übermittelt direkt die gemessenen Grammwerte.


Ergebnis des Hardwareaufbaus
Das Endergebnis des Gesamtaufbaus sieht dann wie in Abbildung 10 gezeigt aus. Zur einfacheren Wartung ist auf der Oberseite ein Deckel mit Griff vorgesehen. Dieser wird später noch aufgesetzt.

Abbildung 11: Gesamtansicht des Hardwareaufbaus

Endgültiges Finishing
Abschließend wurde eine Klebebeschriftung "Cocktail Mixer" auf der Vorderseite aufgebracht und gleichzeitig die Anschlüsse auf der Rückseite beschriftet, sodass klar ist, welcher Anschluss für was zuständig ist.

Abbildung 12: Schriftzug "Cocktail Mixer"

 

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