Analizador infrarrojo de grado de tueste para tostadores de café: 13 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Introducción

El café es una bebida que se consume en todo el mundo por sus propiedades sensoriales y funcionales. El sabor, el aroma, la cafeína y el contenido de antioxidantes del café son solo algunas de las cualidades que han hecho que la industria del café sea tan exitosa. Si bien el origen, la calidad y la especie de las judías verdes afectan la calidad del producto final, el tostado del café es el factor más influyente.

Por lo general, durante el tueste, el maestro tostador (un individuo altamente capacitado) usa las propiedades de los granos como temperatura, textura, olor, sonido y color para evaluar y ajustar el tueste en consecuencia. Después del tostado, los granos de café se evalúan para garantizar la calidad del grano. El analizador de procesos Agtron es un instrumento estándar de la industria que se utiliza para medir el grado de tostado de los granos de café mediante espectrofotometría abreviada de infrarrojo cercano. El grado de tostado es esencialmente una medida de la calidad del café basada en la extensión del calor transferido durante el tueste y clasifica el café en tostados claros, medios y oscuros.

Recientemente ha habido un crecimiento de pequeñas empresas de tostado que ofrecen asados internos personalizados. Estas empresas buscan alternativas menos costosas que contratar y capacitar a un maestro tostador o utilizar el costoso analizador de procesos Agtron. El analizador infrarrojo de grado de tostado para tostadores de café, como se describe en este documento, pretende ser un medio económico de medir el grado de tostado de los granos de café. El analizador de infrarrojos Degree of Roast utiliza un analizador, una herramienta que se encuentra en los tostadores de café que se utilizan para probar el café durante el tostado, para contener una muestra de café. El tryer se inserta en el analizador donde se usa el sensor espectral NIR AS7263 para medir 6 bandas de infrarrojos diferentes (610, 680, 730, 760, 810 y 860nm). Las mediciones de reflectancia se transmiten a través de Bluetooth y luego se pueden correlacionar con el grado de tueste. El analizador debe calibrarse primero presionando un botón en el interior de la caja en la que se usa el PVC como balance de blancos, ya que tiene una reflectancia relativamente plana en el rango espectral detectado por el sensor.

Paso 1: Materiales

Lista de materiales

1. Escudo SparkFun Qwiic (https://www.sparkfun.com/products/14352)
2. Conector SparkFun Qwiic (https://www.sparkfun.com/products/14427)
3. Sensor espectral SparkFun AS7263 NIR (https://www.sparkfun.com/products/14351)
4. 4 x VCC 6150 Lámparas 5V.06A (Bombillas incandescentes) (https://www.mouser.com/)
5. 2 x pulsadores momentáneos
6. 2 resistencias de 10 kOhmios
7. DC Barrel Jack Hembra (https://www.sparkfun.com/products/10288)
8. Módulo Bluetooth HC-05 (https://www.amazon.com/)
9. Interruptor de alimentación
10. Relé de estado sólido (AD-SSR6M12-DC-200D) (https://www.automationdirect.com/)
11. Tapa de PVC de 1/2"
12. Camiseta de PVC de 1/2 "x 1/2" x 3/4"
13. Caja de manualidades (vestíbulo de pasatiempos)
14. Arduino Uno
15. Tryer
16. Fuente de alimentación 5V 2A (https://www.adafruit.com/product/276)

17. Cable USB: estándar A-B (cable de programación)

Notas sobre materiales

Lámparas VCC 6150: estas son bombillas incandescentes elegidas debido a su alta salida de infrarrojos. Las bombillas incandescentes se utilizan en lugar de la luz LED proporcionada en el módulo AS7263 porque el LED integrado no emite la salida infrarroja necesaria para reflejarse en los granos de café y para ser medido posteriormente por el sensor. Además, es importante tener en cuenta que en este diseño las bombillas incandescentes se alimentan desde la fuente de alimentación de 5V 2A y son controladas por Arduino a través de un relé. SparkFun proporciona dos pines de soldadura integrados en el módulo AS7263 con el fin de alimentar y controlar una fuente de luz auxiliar, sin embargo, estos pines no se utilizan porque no proporcionan suficiente voltaje o amperaje para alimentar suficientemente las bombillas incandescentes elegidas.

SparkFun Qwiic Shield: este protector se utiliza debido a su capacidad para conectarse fácilmente al sensor AS7263 a través de un conector Qwicc. El escudo también proporciona un cambio de nivel lógico de 3.3V y una gran área de creación de prototipos.

Relé de estado sólido: se eligió este tipo de relé debido a sus capacidades de conmutación rápidas y silenciosas; sin embargo, es caro e innecesario, ya que también funcionaría un relé eléctrico estándar. Si utiliza un relé eléctrico estándar, es posible que deba modificar el código para ralentizar el proceso de muestreo y calibración.

Tamaño de PVC: el tamaño de PVC se eligió debido al diámetro de la probeta disponible y debe cambiarse si se usa una probeta de diferente tamaño.

Módulo Bluetooth HC-05: se utilizó un instructables (https://www.instructables.com/id/How-to-Set-AT-Command-Mode-for-HC-05-Bluetooth-Mod/) para cambiar los baudios velocidad del módulo de 9600 a 115200 para que coincida con la velocidad en baudios del AS7263.

Paso 2: diagrama de cableado

S1 - Interruptor de encendido

SSR1 - Relé de estado sólido

B1 - Botón de muestreo

B2 - Botón de calibración

R1 - Resistencia de 10 kOhmios

R2 - Resistencia de 10kOhmios

L1, L2, L3, L4 - Bombillas incandescentes

Paso 3: Montaje de las bombillas Incadesent en el AS7263

Se fabricó un anillo de montaje impreso en 3D (incluido STL) para sujetar las lámparas alrededor del sensor. Las lámparas se conectaron en paralelo y se utilizó pegamento caliente para evitar que los cables de las lámparas se tocaran entre sí. Se puede usar aislamiento de goma líquida en lugar de pegamento caliente. A continuación, se utilizaron pequeños cables para asegurar el anillo de montaje al sensor atando los cables a través de los orificios provistos en el sensor.

Paso 4: ensamble el puerto de prueba

Se taladró un orificio en la parte posterior de la tapa de PVC para acomodar el botón pulsador momentáneo. Se cortó el lado de 3/4 de la T de PVC y se utilizaron bridas para asegurar el sensor al puerto de prueba. Es posible que sea necesario ajustar la longitud de la T para adaptarse al tamaño de la T de prueba. Se colocó una muesca en el lado de babor de la T de PVC para alinear la muestra de frijol en el tryer con el sensor.

Paso 5: Cableado del relé de estado sólido y el interruptor de encendido

Las luces del se conectaron en serie con un relé de estado sólido y el conector de barril de CC.

El Vin en el escudo Qwiic se conectó al conector de barril de CC a través de un interruptor de encendido.

La tierra en el escudo Qwiic estaba conectada a la tierra del conector de barril de CC.

Paso 6: Cableado del botón de calibración

El botón de calibración se conectó a la alimentación, Digital 2 y a tierra mediante una resistencia.

Paso 7: cableado del botón de muestreo

El botón de muestreo se conectó a la alimentación, Digital 3 y a tierra mediante una resistencia.

Paso 8: Cableado de la ENTRADA al relé de estado sólido

El lado de entrada del relé de estado sólido se conectó al Digital 5 y a tierra.

Paso 9: cableado del módulo Bluetooth

El módulo Bluetooth se conectó de acuerdo con el diagrama de cableado proporcionado.

VCC - 5 V

RXD - Digital 11

TXD - Digital 10

GND - GND

Paso 10: Código

Sube el código provisto al Arduino Uno usando el cable de programación.

Como referencia, SparkFun proporciona una guía de inicio para AS726x (https://learn.sparkfun.com/tutorials/as726x-nirvi)

¡¡PRECAUCIÓN!! Al probar el código, asegúrese de que el Arduino no esté recibiendo energía tanto de la fuente de alimentación de 5 V como del cable de programación. ¡Esto freirá el Arduino

Paso 11: Visualización de resultados a través de Bluetooth

Para mostrar los resultados de Bluetooth, descargue Bluetooth Electronics de keuwlsoft desde Google Play Store. Guarde el archivo DegreeOfRoastInfraRedAnalyzer.kwl en la carpeta keulsoft en el almacenamiento interno del dispositivo Bluetooth. Utilice el icono de guardar en la aplicación para cargar el archivo kwl. A continuación, conéctese al módulo Bluetooth HC-05 y ejecute el archivo cargado.

Paso 12: Conclusiones

Leyenda de longitud de onda:

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

El sensor NIR AS7263 se utilizó para medir la reflectancia espectral de los granos de café en 6 longitudes de onda diferentes para café sin tostar, así como tostados claros, medios y oscuros. Los resultados del sensor muestran que la reflectancia infrarroja disminuye con grados más altos de tostado en todas las longitudes de onda probadas. Se encontró que la longitud de onda con la mayor variación de acuerdo con el grado de tueste fue de 860 nm. Este sistema proporciona una base rápida y fácil de usar para la medición fuera de línea del grado de tostado de los granos de café. Los datos de este sensor proporcionarán a los tostadores de café un método adicional de control de calidad al garantizar tostados repetibles y reducir el error humano. Es necesario seguir trabajando para correlacionar los datos infrarrojos con los estándares de la industria.

Paso 13: Un agradecimiento especial a…

• Dr. Timothy Bowser - Asesor
• Dr. Ning Wang - Miembro del comité
• Dr. Paul Weckler - Miembro del comité
• Dan Jolliff - US Roaster Corp.
• Connor Cox - Centro de Oklahoma para el avance de la ciencia y la tecnología
• El Departamento de Biosistemas e Ingeniería Agrícola de la Universidad Estatal de Oklahoma, Stillwater, OK
• El Centro de Alimentos y Productos Agrícolas de la Universidad Estatal de Oklahoma, Stillwater, OK