Grau d'analitzador d'infrarojos per a torrats de cafè: 13 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Introducció

El cafè és una beguda consumida a tot el món per les seves propietats sensorials i funcionals. El gust, l’aroma, la cafeïna i el contingut en antioxidants del cafè són algunes de les qualitats que han fet que la indústria del cafè tingui tant d’èxit. Tot i que l’origen, la qualitat i les espècies dels grans verds afecten la qualitat del producte final, el torrat del cafè és el factor més influent.

Normalment, durant el rostit, el mestre rostit (un individu altament entrenat) utilitza propietats de les mongetes com la temperatura, la textura, l’olor, el so i el color per avaluar i ajustar el rostit en conseqüència. Després del torrat, els grans de cafè s’avaluen per garantir la qualitat dels grans. L'Agtron Process Analyzer és un instrument estàndard de la indústria que s'utilitza per mesurar el grau de torrat de grans de cafè mitjançant espectrofotometria abreujada d'infrarojos propers. El grau de torrat és essencialment una mesura de la qualitat del cafè en funció de l’extensió de calor transferida durant el torrat i classifica el cafè en torrats clars, mitjans i foscos.

Recentment, hi ha hagut un creixement de petites empreses de torrat que ofereixen torrats a mida. Aquestes empreses busquen alternatives menys costoses per contractar i formar un mestre rostit o utilitzar el costós analitzador de processos Agtron. El grau d’analitzador d’infrarojos de torrat per a torradors de cafè, tal com es descriu en aquest document, vol ser un mitjà econòmic per mesurar el grau de torrat dels grans de cafè. L’analitzador d’infrarojos del grau de rostit utilitza un provador, una eina que es troba als torradors de cafè que s’utilitza per prendre el cafè durant el torrat, per contenir una mostra de cafè. El provador s’insereix a l’analitzador on s’utilitza el sensor espectral NIR AS7263 per mesurar 6 bandes d’infrarojos diferents (610, 680, 730, 760, 810 i 860nm). Les mesures de reflectància es transmeten mitjançant Bluetooth i es poden correlacionar amb el grau de rostit. Primer cal calibrar l’analitzador prement un botó a la part interior de la caixa on s’utilitza el PVC com a balanç de blancs, ja que té una reflectància relativament plana en el rang espectral detectat pel sensor.

Pas 1: materials

Llista de materials

1. SparkFun Qwiic Shield (https://www.sparkfun.com/products/14352)
2. Connector SparkFun Qwiic (https://www.sparkfun.com/products/14427)
3. Sensor espectral SparkFun AS7263 NIR (https://www.sparkfun.com/products/14351)
4. 4 làmpades VCC 6150 5V.06A (bombetes incandescents) (https://www.mouser.com/)
5. 2 botons instantanis
6. 2 resistències de 10 kOhm
7. DC Barrel Jack Female (https://www.sparkfun.com/products/10288)
8. Mòdul Bluetooth HC-05 (https://www.amazon.com/)
9. Interruptor d'alimentació
10. Relé d'estat sòlid (AD-SSR6M12-DC-200D) (https://www.automationdirect.com/)
11. Tapa de PVC de 1/2"
12. Samarreta de PVC 1/2 "x 1/2" x 3/4"
13. Craft Box (Lobby Lobby)
14. Arduino Uno
15. Tryer
16. Alimentació 5V 2A (https://www.adafruit.com/product/276)

17. Cable USB: estàndard A-B (cable de programació)

Notes sobre materials

Llums VCC 6150: són làmpades incandescents escollides per la seva alta producció d’infrarojos. Les bombetes incandescents s’utilitzen en lloc de la llum LED que es proporciona al mòdul AS7263 perquè el LED incorporat no emet la sortida d’infrarojos necessària per reflectir-se dels grans de cafè i posteriorment ser mesurada pel sensor. A més, és important tenir en compte que en aquest disseny les bombetes incandescents s’alimenten des de la font d’alimentació de 5V 2A i són controlades per l’Arduino mitjançant un relé. SparkFun proporciona dos pins de soldadura integrats al mòdul AS7263 amb l’objectiu d’alimentar i controlar una font de llum auxiliar, però aquests pins no s’utilitzen perquè no proporcionen suficient tensió ni amperatge per alimentar prou les bombetes incandescents escollides.

SparkFun Qwiic Shield: aquest blindatge s’utilitza per la seva capacitat de connectar-se fàcilment al sensor AS7263 mitjançant un connector Qwicc. L'escut també proporciona desplaçament de nivell lògic de 3,3 V i una àrea de prototipatge gran.

Relé d'estat sòlid: aquest tipus de relés es va escollir a causa de les seves capacitats de commutació ràpides i silencioses, però és car i innecessari, ja que també funcionaria un relé elèctric estàndard. Si s’utilitza un relé elèctric estàndard, és possible que s’hagi de modificar el codi per frenar el procés de mostreig i calibratge.

Mida del PVC: la mida del PVC s'ha escollit pel diàmetre del provador que heu de disposar i s'hauria de canviar si s'utilitza un provador de mida diferent.

Mòdul Bluetooth HC-05: es va utilitzar un instructable (https://www.instructables.com/id/How-to-Set-AT-Command-Mode-for-HC-05-Bluetooth-Mod/) per canviar el baud velocitat del mòdul de 9600 a 115200 per coincidir amb la velocitat en bauds de l'AS7263.

Pas 2: Esquema de cablejat

S1: interruptor d’alimentació

SSR1: relé d'estat sòlid

B1 - Botó de mostreig

B2 - Botó de calibració

Resistència R1 - 10kOhm

Resistència R2 - 10kOhm

L1, L2, L3, L4 - Bombetes incandescents

Pas 3: muntar bombetes incandescents a l'AS7263

Es va fer un anell de muntatge imprès en 3D (STL inclòs) per subjectar les làmpades al voltant del sensor. Les làmpades es connectaven en paral·lel i s’utilitzava cola calenta per evitar que els cables de les làmpades es tocessin. Es pot utilitzar un aïllament de goma líquida en lloc de cola calenta. A continuació, es van utilitzar petits cables per fixar l'anell de muntatge al sensor lligant els cables a través dels orificis proporcionats al sensor.

Pas 4: munteu el port Tryer

Es va practicar un forat a la part posterior de la tapa de PVC per acomodar el polsador momentani. Es va tallar el costat de 3/4 de la samarreta de PVC i es van fer servir tirants amb cremallera per fixar el sensor al port de la prova. És possible que s'hagi d'ajustar la longitud de la samarreta per adaptar-la a la mida de la prova. Es va posar una osca el costat de la porta de la samarreta de PVC per alinear la mostra de mongetes al provador amb el sensor.

Pas 5: cablejar el relé d'estat sòlid i l'interruptor d'alimentació

Els llums de la xarxa estaven cablejats en sèrie amb relé d’estat sòlid i la presa de barril de CC.

El Vin de l’escut Qwiic es va connectar a la presa de barril de CC mitjançant un interruptor d’alimentació.

La terra de l'escut Qwiic estava connectada a la terra del jack de barril de CC.

Pas 6: Connexió del botó de calibració

El botó de calibratge es va connectar a l’alimentació, Digital 2 i a terra mitjançant una resistència.

Pas 7: Connexió del botó de mostreig

El botó de mostreig es va connectar a l’alimentació, Digital 3 i a terra mitjançant una resistència.

Pas 8: Cablatge de l’ENTRADA al relé d’estat sòlid

El costat d’entrada del relé d’estat sòlid es va connectar a Digital 5 i a terra.

Pas 9: Connexió del mòdul Bluetooth

El mòdul Bluetooth es va connectar d’acord amb el diagrama de cablejat proporcionat.

VCC - 5V

RXD - Digital 11

TXD - Digital 10

GND - GND

Pas 10: Codi

Pengeu el codi proporcionat a l’Arduino Uno mitjançant el cable de programació.

Com a referència, SparkFun proporciona una guia d'inici per a l'AS726x (https://learn.sparkfun.com/tutorials/as726x-nirvi)

ATENCIÓ !! Quan proveu el codi, assegureu-vos que l’Arduino no rep alimentació tant de la font d’alimentació de 5 V, com del cable de programació. Això fregirà l'Arduino

Pas 11: Visualització de resultats mitjançant Bluetooth

Per mostrar els resultats de Bluetooth, descarregueu Bluetooth Electronics per keuwlsoft de Google Play Store. Deseu el fitxer DegreeOfRoastInfraRedAnalyzer.kwl a la carpeta keulsoft de l’emmagatzematge intern del dispositiu Bluetooth. Utilitzeu la icona de desar a l'aplicació per carregar el fitxer kwl. A continuació, connecteu-vos al mòdul Bluetooth HC-05 i executeu el fitxer carregat.

Pas 12: Conclusions

Llegenda de la longitud d'ona:

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

El sensor NIR AS7263 es va utilitzar per mesurar la reflectància espectral dels grans de cafè a 6 longituds d'ona diferents per al cafè sense torrar, així com els torrats clars, mitjans i foscos. Els resultats del sensor mostren que la reflectància infraroja disminueix amb majors graus de rostit a totes les longituds d'ona provades. Es va trobar que la longitud d'ona amb la major variació segons el grau de rostit era de 860 nm. Aquest sistema proporciona una base ràpida i fàcil d’utilitzar per mesurar fora de línia el grau de torrat dels grans de cafè. Les dades d’aquest sensor proporcionaran als torradors de cafè un mètode addicional de control de qualitat, ja que asseguren torrats repetibles i redueixen els errors humans. Cal seguir treballant per correlacionar les dades d’infrarojos amb els estàndards de la indústria.

Pas 13: Un agraïment especial a…

• Dr. Timothy Bowser: assessor
• Dr. Ning Wang: membre del comitè
• Dr. Paul Weckler: membre del comitè
• Dan Jolliff - US Roaster Corp.
• Connor Cox - Oklahoma Center for the Advancement of Science and Technology
• El Departament de Biosistemes i Enginyeria Agrícola de la Universitat Estatal d’Oklahoma, Stillwater, OK
• El Centre d’Aliments i Productes Agrícoles de la Universitat Estatal d’Oklahoma, Stillwater, OK