Mikrocontroller Programmierung in MicroPython WiSe 2025/26

Aus Technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee
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Mikrocontroller Programmierung in MicroPython Wintersemetser 2025/26

Für das Projekt der labortechnischen und Glasboiler Espressomaschine soll die vorhandene Master (MATLAB®-App) Client (RPi RP2040 MCUs in MicroPython) Steuerung auf eine autarke Multi-MCU-Steuerung mit mehreren RPi RP2040 und/oder RPi RP2350 mit einer MATLAB®-App als Service-Tool umgestellt werden.

Die Umstellung soll im ersten Schritt über Demonstratoren vorbereitet werden. Die erforderlichen Steuerungsplatinen sind in mehrfacher Ausfertigung vorhanden, so dass Teilaufgaben voneinander unabhängig abgearbeitet werden können.

Die Programmcodes in MicroPython für die Realisierung der Grundfunktionen (Schalten, Messwerte erfassen, Display ansteuern, UART Kommunikation, MATLAB® Kommunikation) sind in MATLAB® meets MicroPython [40] vorhanden. Hierzu wird die zweite (noch nicht veröffentlichte) Ausgabe zur Verfügung gestellt.

Diese Projektarbeit dient der Weiterentwicklung der modularisierten Systemsteuerung im Gesamtprojekt zur Entwicklung der Siebträger-Espressomaschinen.

Aufgabenanalyse

Maschinensimulator - Hardware

Für die Steuerungselektronik besteht die Siebträger Espressomaschine aus Messwerten. Dies sind in der aktuellen Form

  • 4 NTC Temperatursensoren mit 10 kOhm
  • 2 Druckmesswerte im Spannungsbereich 0,5 bis 4,5 V
  • Leitwert und Temperatur des zufließenden Wassers im Spannungsbereich 0 bis 5 V
  • Flowmeter mit 39,9 Impulsen je ccm
  • 4 Füllstandssensoren über Kurzschlussdetektion

Realisiert werden diese Messwerte über ein digitales Potentiometer MCP4151 mit 10 kOhm, welches über eine SPI-Schnittstelle eingestellt werden kann. Damit werden die 4 NTC Temperatursensoren und über die Spannungsteilerfunktion des Bauelements werden die Druckmesswerte, der Leitwert und die Temperatur des zufließenden Wassers simuliert.

Die Kurzschlusserzeugung der Füllstandssensoren werden mit einem digitalen Analogschalter (DG411) realisiert und das Flowmetersignal wird über eine Transistorfolgeschaltung erzeugt.

Die Schaltung benötigt eine MCU mit mindestens 17 für Kommunikation und Elektronikansteuerung verfügbaren PINs. Hierzu ist eine Raspberry Pi Pico MCU vorgesehen.

Maschinensimulator - Hardware

Auf der MCU selbst ist zwingend die SPI-Kommunikation zu den digitalen Potentiometer mit insgesamt 8 verschiedenen Chipselect erforderlich. Die digitalen Analogschalter benötigen lediglich ein PIN mit Digoutfunktion während das Flowmetersignal als PWM-Signal mit variabler Frequenz realisiert wird. Für die variable Frequenz kann über die Anweisung PWM.freq([Frequenz]) eingestellt werden.

Die Einstellwerte für das digitale Potentiometer sollten für die 4 NTC Temperatursensoren als Temperaturwerte eingegeben werden. Aus dem Eingabewert wird und über die Beachtung der nichtlinearen Kennlinie der NTCs sowie dem nichtlinearen Zusammenhang aus Einstellwert und Widerstandswert der Einstellwert des jeweiligen digitalen Potentiometers. Die normierten Kennlinien der NTCs liegen vor. Eventuell lassen sich darüber die erforderlichen Einstellwerte ermitteln.

Auch die Einstellwerte für die Simulation der Druckmesswerte sollten in bar für den Brühgruppendruck bzw. in mbar für den Boilerdruck erfolgen. Auch hier muss die nichtlinearität des digitalen Potentiometers berücksichtigt werden.

Es erscheint sinnvoll, dass der Maschinensimulator in den Kommunikationsring eingebunden wird. Aus dem Token kann der Sollwert für die Pumpensteuerung entnommen werden, welches wiederum für die Generierung des Flowmetersignals verwendet werden kann. Ebenso können aus dem Token die Heizleistungen entnommen werden, was für die Temperatursignale sowei Boilerdrucksignal verwendet werden könnte.

Für die einfachere Bedienung und um die Anzahl der benötigten PCs zu minimieren ist eine MATLAB®-GUI nützlich. In dieser sollten die simulierten Signale per numerischer Eingabe, Schalter oder Slider einstellbar sein. ebenso sollten darin Umschaltungen möglich sein, so dass die simulierten Signale in Abhängigkeit der Pumpensteuerung und Heizleistung erzeugt werden. Auch denkbar wären die generierung von Messwerten über bekannte Messwertverläufe von gemessenen Kaffeebezügen.

Leistungsvereinbarung

Besprechungsprotokolle

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