In­halts­ver­zeich­nis

1. Vor­wort In­halt

Es ist wie­der so­weit. Ein neuer Ar­ti­kel aus der „Pimp-My-*“-Rei­he schickt sich an, den Ge­burts­ka­nal der Tas­ta­tur zu ver­las­sen und sein Wohl in den Wei­ten des In­ter­net zu fin­den. Ge­treu dem Motto „ma­de-in-Ger­ma­ny“ soll es in die­sem klei­nen Auf­satz um die Re­pa­ra­tur und die Pim­pung eines klei­nen Kühl­schran­kes gehen; nicht aber ir­gend ein klei­ner Kühl­schrank, nein, die­ser hier er­füllt eine ganz be­son­ders de­ka­den­te Auf­ga­be. Er steht ein­fach neben der Kaf­fee­ma­schi­ne und kühlt einen Liter Milch auf won­ni­ge 4°C Be­triebs­tem­pe­ra­tur.

Es han­delt sich um einen Cool­Con­trol Pel­tier-Ele­ment-Küh­ler aus dem Hause Jura, ge­nau­so wie die Kaf­fee­ma­schi­ne (S9 One Touch Pla­tin), die er be­füllt. Wie ab­ge­bil­det ist die Ma­schi­ne sil­bern, und lei­der wird der Küh­ler nicht mehr in sil­ber­far­ben pro­du­ziert, nur noch in weiß oder schwarz. Nunja, die Bucht half aus, der Ham­pel­mann, von dem ich das ge­kauft habe, ver­gaß zu er­wäh­nen, dass sein Ex­em­plar de­fekt war. Zwar dreh­te sich der Lüf­ter, der Küh­ler aber ist ziem­lich funk­ti­ons­los ge­we­sen, wie ich einen Tag und einen Liter saure Milch spä­ter fest­stel­len mußte. Lei­der hatte ich ihn schon grün be­wer­tet…

Über die S9 könn­te man einen ei­ge­nen Ar­ti­kel schrei­ben, alles in allem bin ich zu­frie­den, nur das Schäu­men von Milch will ge­lernt sein. Au­to­ma­tisch geht’s auf jeden Fall schief. Dop­pel­deu­tig­keit üb­ri­gens Ab­sicht.

Der Scha­den mit dem de­fek­ten Küh­ler war nun nicht all­zu­groß, im­mer­hin ging es mir ja haupt­säch­lich um die sil­ber­ne Farbe des Ge­häu­ses.

2. Ori­gi­nal… In­halt

Trotz des stol­zen Prei­ses von ~150 € für einen neuen schwar­zen Cool­Con­trol hält sich die Kom­ple­xi­tät der Elek­trik im In­ne­ren in Gren­zen. Es han­delt sich um einen sim­plen 2-Punkt-Reg­ler, der sogar per Bi­me­tall-Ele­ment ge­steu­ert wird. Im Ein­zel­nen sind die fol­gen­den Teile für die Re­ge­lung ent­hal­ten:

• Lüf­ter (12V, kein Tacho, kein PWM)
• Pel­tier-Ele­ment (4cmx4cm, 15V ma­xi­ma­le Span­nung, 3A ma­xi­ma­ler Strom)
• Bi­me­tall-Strei­fen di­rekt am Me­tall-Kör­per (Schwel­le ~4,5°C)
• Tem­pe­ra­tur-Wi­der­stand am Kühl­kör­per vom Lüf­ter
• Elek­tro­nik-Board

Wofür man bei der ein­fa­chen Re­ge­lung (Zwei­punkt mit ca. 1°C  Hys­te­re­se) ein so um­fang­rei­ches Elek­tro­nik­board be­nö­tigt, kann ich mir nicht er­klä­ren. Ins­ge­samt scheint das In­nen­le­ben, was ins­be­son­de­re die Ver­ar­bei­tung be­trifft, auf Ge­winn­ma­xi­mie­rung aus­ge­legt zu sein. Scha­de ei­gent­lich, die Kaf­fee­ma­schi­nen von Jura haben den Ruf, ziem­lich ro­bust zu sein. Liegt viel­leicht daran, dass die Milch-Küh­ler ex­tern von einem Auf­trag­neh­mer pro­du­ziert wer­den, wer weiß.

3. …und ge­pimp­te Ver­si­on In­halt

Ma­de-in-Ger­ma­ny soll es wer­den, und dafür be­nö­ti­gen wir ei­ni­ges an Zu­satz­hard­ware. Das Kon­zept der Pel­tier­küh­lung werde ich be­hal­ten, wobei ich das Ele­ment al­ler­dings aus­tau­sche, wer weiß, ob das alte noch gut ist. An­sons­ten wären meine An­for­de­run­gen:

• Gra­fi­sches LCD für GUI
• Drei Knöp­fe
• Ein-/Aus­schal­ter (Tas­ter) wei­ter­ver­wen­den
• Lüf­ter­re­ge­lung, zu­min­dest Dreh­zahl­mes­sung
• Tem­pe­ra­tur­mes­sung von Kühl-Teil und Lüf­ter-Kühl­kör­per
• Pel­tier-Re­ge­lung
• Be­dien­ein­heit auf Schwa­nen­hals, dreh- und schwenk­bar

Ins­be­son­de­re die Idee mit dem Schwa­nen­hals hat mir super zu­ge­sagt und in der Bucht gibt es USB-Schwa­nen­hals­lam­pen nach­ge­schmis­sen. Die sind ziem­lich steif und soll­ten die Be­dien­ein­heit gut tra­gen kön­nen, nun, wir wer­den sehen. Als Platt­form kommt die Pla­ti­ne aus dem Pimp-My-Ki­cker-Pro­jekt zum Tra­gen, wenn auch mit ge­än­der­ter Pe­ri­phe­rie. An Letz­te­re wer­den wir ein­fach alle Teile des Sys­tems an­schlie­ßen, ich möch­te auf der Pla­ti­ne die voll­stän­di­ge Leis­tungs- und Steu­er­elek­tro­nik un­ter­brin­gen.

4. Hard­ware In­halt

Wid­men wir uns zu­nächst der Hard­ware und un­ter­su­chen die ver­wen­de­ten Kom­po­nen­ten sowie ihre Ver­bin­dung mit der Steue­rung.

4.1 MCU und LCD In­halt

Wie er­wähnt setze ich auch hier auf die be­währ­te Platt­form aus dem Pimp-My-Ki­cker Pro­jekt (und einem un­do­ku­men­tier­ten DCF-77 Uh­ren­we­cker); sie kann mit einem AT­me­ga 32, 644 oder einem XMega*A4 be­stückt wer­den, was an­ge­sichts der Code­grö­ße für das DOGM-Gra­fik-LCD auch nötig ist. Zudem möch­te ich ver­schie­de­ne Schrift­ar­ten un­ter­stüt­zen und muss diese je nach ver­wen­de­ter Zei­chen­zahl mit ent­spre­chend Auf­wand im Flash-Spei­cher ab­le­gen.

Auch möch­te ich wie­der ver­schie­de­ne Spra­chen un­ter­stüt­zen und ein gra­fi­sches Menü inkl. ver­schie­de­ner An­zei­ge­mo­di im­ple­men­tie­ren, siehe dazu die Soft­ware­be­schrei­bung wei­ter unten. Be­stückt ist also ein AT­me­ga­32 und als Dis­play ein EA DOG­M132-5, in FSTN ne­ga­ti­ver Ver­si­on mit roter Hin­ter­grund­be­leuch­tung. Dann schaut’s dem Dis­play der Kaf­fee­ma­schi­ne zu­min­dest ein biß­chen ähn­lich. Im Foto schaut es etwas ko­misch aus, liegt an der Han­dy­ka­me­ra, im rea­len Be­trieb tut es ein­wand­frei.

Das LCD be­sitzt eine ein­ge­bau­te La­dungs­pum­pe für die Kon­trast­span­nung, man braucht nur einen Hau­fen ex­ter­ne Kon­den­sa­to­ren dafür.

4.2 Tem­pe­ra­tur­mes­sung In­halt

Zwei Tem­pe­ra­tur­grö­ßen sind re­le­vant für die Re­ge­lung: die ei­gent­li­che Re­gel­grö­ße (Milch­tem­pe­ra­tur) und die Tem­pe­ra­tur des Lüf­ter­kühl­kör­pers. Wird der zu warm, gilt es die Soll­grö­ße der Milch­tem­pe­ra­tur zu er­hö­hen, um eine Be­schä­di­gung des Pel­tier-Ele­men­tes zu ver­mei­den. Zwar soll­te das ei­gent­lich selbst­re­gelnd sein, je höher die Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz, desto we­ni­ger Strom zieht es, aber man kann ja nie wies­sen.

Im Gerät sind zwei di­gi­ta­le DS18B20 ( PDF) Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren vor­ge­se­hen, die über einen 1-Wire-Bus an­ge­schlos­sen sind. Der AT­me­ga­32 be­sitzt kei­nen Hard­ware-1Wire-Bus, des­we­gen wird nach dem Bit­ban­ging-Prin­zip ge­ar­bei­tet und es kann jeder GPIO be­nutzt wer­den. Nach­dem ich die vol­len 12 Bit Auf­lö­sung (LSB ent­spricht 0,0625°C) möch­te, ver­wen­de ich eine se­pa­ra­te Strom­ver­sor­gung wie im Da­ten­blatt emp­foh­len. Die Ver­sor­gung über die Da­ten­lei­tung wäre auch mög­lich, der Trei­ber des AVR kann auf einem Pin 40mA zur Ver­fü­gung stel­len, das würde eben­falls rei­chen.

Wir be­nö­ti­gen somit drei Lei­tun­gen: Masse, Daten und Span­nungs­ver­sor­gung.

Im prak­ti­schen Be­trieb ist mir auf­ge­fal­len, dass ins­be­son­de­re die strom­füh­ren­de und PWM-ge­puls­te Lei­tung des Pel­tier-Ele­men­tes di­rekt neben der 1-Wire Lei­tung dort Stö­run­gen ver­ur­sacht und mit­un­ter ex­trem fal­sche Meß­wer­te auf­tre­ten. Für den Nach­bau emp­feh­le ich des­we­gen eine ge­schirm­te Steu­er­lei­tung, wenn ihr die Kabel in einem Ka­bel­baum ver­le­gen möch­tet. Zur Iso­lie­rung habe ich drei 1mm Schrumpf­schläu­che ver­wen­det, die je­weils über ein Bein­chen ge­zo­gen und ge­schrumpft wer­den.

Zur Mon­ta­ge des Milch­füh­lers habe ich den Boden des Küh­ler de­mon­tiert, der ist lei­der mit dem Schaum­stoff­zeugs und dem Ge­häu­se ver­klebt und dabei ab­ge­bro­chen; nach­dem’s nur unten dran ist, sieht man das nicht und mir war’s egal. Dann habe ich aus dem Iso­lier­schaum­stoff ein klei­nes Eck bis auf das Me­tall des Küh­ler­top­fes her­aus­ge­schnit­ten, das ein biß­chen grö­ßer als der DS18B20 ist, und die­sen mit Wär­me­leit­kleb­stoff da dran be­fes­tigt. Der Küh­ler stand dabei auf dem Kopf, und es dau­er­te knapp eine Stun­de, bis der Kle­ber fes­ter wurde. Ist eben kein Se­kun­den­kle­ber.

Da­nach habe ich das aus­ge­schnit­te­ne Schaum­stoffs­tück wie­der an sei­nem Platz be­fes­tigt und den ab­ge­bro­che­nen Boden wie­der plat­ziert. Hier half Se­kun­den­kle­ber, damit er wie­der fest saß. Alles in allem ragt jetzt das Kabel in der Nähe vom Kühl­kör­per hin­ten aus dem Boden raus, siehe Foto.

Der zwei­te Füh­ler ist ein­fach ganz unten (au­ßer­halb des Luft­stro­mes!) in die Kühl­rip­pen ge­klemmt, eben­falls ab­ge­bil­det und ein­ge­rahmt.

4.3 Pel­tier-Ele­ment In­halt

Hier han­delt es sich um ein nor­ma­les 4cm x 4cm gro­ßes Pel­tier („TECB 1“) vom Rei­chelt; das zieht bei 15V 6A; wir be­trei­ben es aber nur mit 9V. Die rich­ti­ge Po­lung muß man ein­fach her­aus­fin­den, die kalte Seite soll­te auf die Milch­sei­te

Das vor­han­de­ne habe ich aus­ge­tauscht: Dazu ist zu­nächst der Kühl­kör­per durch Lösen von zwei Schrau­ben von der Rück­wand zu lösen; dann soll­te die alte Wär­me­leit­pas­te ent­fernt wer­den, das neue mit Wär­me­leit­pas­te ver­se­hen und schließ­lich wie­der unter den Kühl­kör­per mon­tiert wer­den. Die Kabel wer­den durch den iso­lie­ren­den Schaum­stoff ge­führt.

Auf Sei­ten der MCU ver­wen­den wir einen IR­F7341 (PDF, in­zwi­schen nur noch blei­frei „IR­F7341PBF“) als Dop­pel-Low­si­de-Switch, des­sen Gates von der MCU mit­tels PWM (Pegel bei 0V und 3,3V) ge­tak­tet wird mit 16 Bit Auf­lö­sung und den Strom ein­schal­tet oder nicht. Da wir den Timer 1 mit TOP=0xFFFF ver­wen­den, be­trägt die Grund­fre­quenz be­trägt damit 16 MHz / 0xFFFF / 64 ~= 3,8Hz. Das ist bei einem trä­gen Teil wie einer Tem­pe­ra­tur­re­ge­lung an­ge­mes­sen…

Auf­ge­fal­len ist mir, dass der IRF im Be­trieb ziem­lich warm wird, ob­wohl beide Tran­sis­to­ren zu­sam­men 2*3,8A = 7,6A kön­nen soll­ten. Wir be­las­ten sie hier mit ma­xi­mal 3 A, mehr kann das Netz­teil des Ju­ra­küh­lers ein­fach nicht. Und der ohm­sche Wi­der­stand soll­te bei 0,1-0,2 Ohm lie­gen im ein­ge­schal­te­ten Zu­stand.

Ur­sprüng­lich woll­te ich den Lüf­ter (siehe nächs­tes Ka­pi­tel) auch noch re­geln, es hat sich aber her­aus­ge­stellt, dass das Pel­tier-Ele­ment bei stei­gen­der Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz auch si­gni­fi­kant mehr Strom be­nö­tigt. Es ist also am en­er­gie­ef­fi­zi­en­tes­ten, wenn der Lüf­ter stän­dig voll ein­ge­schal­tet ist, und das Pel­tier in sei­ner Leis­tung auf das mi­ni­mal mög­li­che Ni­veau re­du­ziert wird.

4.4 Lüf­ter In­halt

Gro­ßes Glück hatte ich mit die­sem Lüf­ter. Das ist ein­fach ein 5 EUR Arc­tic Coo­ling Al­pi­ne 64 GT PC-Lüf­ter, und der paßt mit sei­nen Nasen haar­scharf auf den ori­gi­na­len Kühl­kör­per im Milch­küh­ler. Man muß ihn etwas fest­drü­cken, aber dann hält er bom­ben­fest. Mit sei­nen 1500 RPM bei 9V ist er an­ge­nehm leise. Neben dem Ta­cho­si­gnal mit zwei Im­pul­sen pro Um­dre­hung gibt be­sitzt er auch einen PWM-Ein­gang, mit wel­chem über ein 25k­Hz-Si­gnal die Dreh­zahl ge­steu­ert wer­den kann. Ich habe das kurz pro­biert, lei­der wird da­durch auch das Ta­cho­si­gnal mit grau­sa­mem Rau­schen be­auf­schlagt und wäre für den In­ter­rupt-Be­trieb nicht mehr ge­eig­net. Ob es an den zu nied­ri­gen Span­nun­gen, der ge­ring­fü­gig zu schnel­len PWM-Fre­quenz oder am Ex­em­plar liegt, konn­te ich nicht fest­stel­len. Der Lüf­ter läuft des­we­gen stets auf vol­ler Dreh­zahl.

Das Ta­cho­si­gnal ist lüf­ter­sei­tig ein Open­d­rain-Aus­gang, sprich, der Lüf­ter schal­tet mit jeder Um­dre­hung die Lei­tung kurz gegen Masse. Es kön­nen also be­lie­bi­ge Span­nun­gen von 0-12V an­ge­legt wer­den, die je­weils „kurz­ge­schlos­sen“ wer­den. An der MCU ver­ar­bei­tet es sich am leich­tes­ten mit einem Ex­ter­nen-In­ter­rupt-Pin und ak­ti­vier­tem Pull-Up-Wi­der­stand; der Pegel liegt also bei 3,3V und wird 2x pro Um­dre­hung gegen Masse ge­zo­gen. Der ex­ter­ne In­ter­rupt ist des­we­gen auf „fal­len­de Flan­ke“ zu kon­fi­gu­rie­ren.

Das PWM-Steu­er­si­gnal soll laut Spe­zi­fi­ka­ti­on 5V be­sit­zen und als PWM-Fre­quenz bei 25kHz lie­gen, 23k­Hz-28k­Hz seien aber mög­lich. Damit ist auch hier die An­bin­dung ein­fach, üb­li­cher­wei­se schal­ten die Bau­tei­le bei hal­ber Span­nung in den an­de­ren Zu­stand, mit 3,3V lie­gen wir über den 2,5V und könn­ten den Lüf­ter steu­ern ohne Pe­gel­wand­lung. Die Steue­rung wird wie ge­sagt nicht ver­wen­det; die Lei­tung liegt stän­dig auf 3,3V.

Um die Dreh­zahl zu be­rech­nen, wer­ten wir die Zeit zwi­schen den ein­zel­nen Pul­sen aus und kön­nen mit der MCU-Takt­fre­quenz den kor­rek­ten Wert er­mit­teln. Nä­he­res ent­neh­me man dem C-Quell­text.

Er­ra­ta: Ach­tung, der di­rekt neben dem Ste­cker ein­ge­zeich­ne­te 10k Wi­der­stand von +12V gegen die Ta­cholei­tung  darf nicht be­stückt wer­den. Es funk­tio­niert zwar dank der Clam­ping-Di­oden im AVR, den­noch reicht der Pul­lup im AVR völ­lig aus, und auf Dauer sind 12V nicht gut für den Pin.

4.5 Strom­ver­sor­gung In­halt

Das vor­han­de­ne 9V Netz­teil wird ein­fach wei­ter­ver­wen­det und ver­sorgt Pel­tier und Lüf­ter di­rekt und die Elek­tro­nik über einen Li­ne­ar­reg­ler; ur­sprüng­lich hatte ich den Na­tio­nal Se­mi­con­duc­tor NL2985-3,3 vor­ge­se­hen, davon sind mir aber drei Stück in der Pla­ti­ne ka­putt­ge­gan­gen, und das bei nicht mal 40mA Last und 9V Ein­gangs­span­nung. Warum weiß ich nicht, ich bin dann um­ge­stie­gen auf den EXAR SPX3819M5-L-3-3 (PDF)  und seit dem funk­tio­nierts ein­wand­frei. Gibts lei­der nicht beim Rei­chelt.

Der Ein-/Aus­schal­ter an der Rück­sei­te ist mit einem wei­te­ren In­ter­rupt ver­bun­den und schal­tet bei Be­tä­ti­gung Lüf­ter, Pel­tier und 1-Wire aus. Da­nach legt sich die MCU schla­fen in den Power­down Modus. Ef­fek­tiv ver­braucht der Kühl­schrank dann nur noch die Stand­by-Leis­tung des Netz­teils.

4.6 Ka­bel­ver­bin­dung In­halt

Bevor wir letzt­lich zum Ge­häu­se über­ge­hen, fehlt noch ein wich­ti­ger Punkt, die Ver­bin­dung von Pla­ti­ne und di­ver­sen Ka­beln. Wir be­nö­ti­gen dazu:

• ein biß­chen Schrumpf­schlauch, je­weils in rot, blau und schwarz sowie 1,2mm und 1,6mm Brut­tod­urch­mes­ser
• 2,54mm SMD-Stift­leis­ten, ge­win­kelt und ein­rei­hig [Rei­chelt]
• Pas­sen­de Buch­sen­leis­te [Rei­chelt]

Die SMD-Leis­ten schnei­det ihr mit dem Sei­ten­schnei­der pas­send ab in 3×2 Pole, 1×3 Pole und 1×4 Pole. Auf der an­de­ren Seite wer­den die Kabel mit 2cm Schrumpf­schlauch ver­se­hen, jede Ader ein­zeln, und dann an die Buch­sen­leis­te an­ge­lö­tet. Schiebt den Schrumpf­schlauch nun bis An­schlag über die Me­tall­kon­tak­te und schrumpft ihn mit Löt­kol­ben (4 Sei­ten) oder Heiß­luft­fön.

Zu den Far­ben:

• Strom­ver­sor­gung: Rot/Schwarz
• EIN/AUS-Tas­ter: 2x Blau
• Pel­tier-Ele­ment: Rot/Schwarz
• Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren: Schwarz Masse, Rot Span­nungs­ver­sor­gung, Blau Daten
• Lüf­ter: Schwarz Masse, Rot +12V, Blau Tacho, Blau PWM

Die Ka­bel­ver­bin­dung ist zwar flach, aber nicht ver­po­lungs­si­cher. Paßt be­son­ders bei der Span­nungs­ver­sor­gung ziem­lich auf, sonst geht was ster­ben…

4.7 Ge­häu­se und Schwa­nen­hals In­halt

Die Pla­ti­ne ist so ge­stal­tet, dass sie genau in ein klei­nes Ge­häu­se vom Rei­chelt („GEH KS 21“) paßt. Es sind drei Boh­run­gen und zwei Aus­schnit­te vor­zu­neh­men, wobei sich für mich als Nicht-CNC-ler die Pro­xxon-Cut­ter-Me­tho­de gut be­währt hat:

1. Zu­nächst druckt ihr euch die Pla­ti­nen­lay­er „do­cu­men­ta­ti­on“, „tPlace“ und „tO­ri­gin“ auf Pa­pier aus in 1:1 Größe und schnei­det den Druck bün­dig aus.
2. Klebt ihn mit Tesa auf den De­ckel des Ge­häu­ses und legt die­ses auf die Bohr­stän­der­plat­te.
3. Spannt einen 1mm oder 1,5mm Boh­rer in den Pro­xxon und stellt die Höhe so ein, dass die Bohrer­spit­ze knapp über dem Ge­häu­se schwebt.
4. Bohrt nun die 4 Ecken des Aus­schnit­tes sowie mit­tig die drei Tas­ten­lö­cher (siehe Gra­fik rechts) und ent­fernt das Pa­pier.
5. Jus­tiert dann die Me­tall­schie­ne des Bohr­stän­ders so, daß ihr eine Kante des Aus­schnit­tes von Loch zu Loch mit dem Boh­rer her­aus­frä­sen könnt. Schiebt den De­ckel ein­fach ganz lang­sam (!!) ent­lang der Me­tall­kan­te, wäh­rend sich der Boh­rer mög­lichst nah am Schaft im De­ckel be­fin­det. Das gibt eine ge­ra­de sehr glat­te Schnitt­kan­te.
6. Die 3 Tas­ten­lö­cher müs­sen noch mit 3,5mm er­wei­tert wer­den.

Auf der Rück­sei­te ist auch ein Schlitz in den Boden zu frä­sen, so klein wie mög­lich, so groß wie nötig, da müs­sen nur die Kabel durch.

Auf der Bucht gibt es wie ge­sagt die LED-Schwa­nen­hals­lam­pen nach­ge­schmis­sen, der USB-Ste­cker ist zu ent­fer­nen und mit Se­kun­den­kle­ber der Ge­häu­se­bo­den auf das Ende mit dem LED-Ge­häu­se zu kle­ben. Das an­de­re Ende wird ein­fach lose oben in das Loch bug­siert, und kann sich darin frei dre­hen. Der An­schlag unten im Ge­häu­s­ein­ne­ren ist der Kühl­kör­per, auf dem der Schwa­nen­hals auf­steht. Dann soll­te es wie hier links ab­ge­bil­det aus­schau­en e voila – das war schon alles.

Ich habe in den Boden noch 8mm Ab­stand­shal­ter ge­klebt und die Pla­ti­ne nach oben hin gegen den De­ckel mit Sty­ro­por­strei­fen fi­xiert. Die na­ti­ven Boh­run­gen des Ge­häu­ses sind lei­der auf der Pla­ti­ne mit LCD und Knöp­fen ver­sperrt. Es hält aber ein­wand­frei.

5. Soft­ware In­halt

Hier soll kurz die Soft­ware er­klärt wer­den. Vie­les habe ich aus Pimp-My-Ki­cker über­nom­men, ins­be­son­de­re die Haupt­schlei­fe und ihre Bild­schir­me sowie die Soft­font-Be­hand­lung. Lest euch den Ar­ti­kel ein­fach vor­her durch, dann wird vie­les im Fol­gen­den kla­rer.

5.1 ISR: Ex­ter­ner In­ter­rupt 0 In­halt

Die­ser In­ter­rupt dient nur dem Auf­wa­chen; lei­der muss man die MCU aus dem Power­down-Mo­dus hier mit einem Le­vel-Mas­se-Pe­gel auf­we­cken, eine Flan­ken­er­ken­nung ist nicht mög­lich. Damit bin ich weg vom in­ter­rupt-ba­sier­tem Be­trieb zum Schal­ten in der Haupt­schlei­fe. Es wird der Ein-/Aus­schal­ter ge­nau­so ge­pollt wie die drei an­de­ren Tas­ter, und so­fern ge­drückt, eine Se­kun­de war­tet, in der man den Schal­ter los­las­sen muss, eine Rou­ti­ne an­ge­sprun­gen, die alles aus­schal­tet und die MCU schla­fen legt.

Drückt man jetzt den Tas­ter wie­der, wird die leere ISR an­ge­sprun­gen und das Haupt­pro­gramm an der Stel­le der ge­ra­de be­schrie­be­nen Rou­ti­ne fort­ge­setzt. Diese küm­mert sich nun um das Ein­schal­ten der Pe­ri­phe­rie (Lüf­ter, Pel­tier, Hin­ter­grund­be­leuch­tung, usw.).

5.2 ISR: Ex­ter­ner In­ter­rupt 1 In­halt

Diese ISR wird immer an­ge­sprun­gen, wenn der Lüf­ter eine halbe Um­dre­hung voll­endet hat. Sie nimmt die ak­tu­el­le Zeit des Coun­ter-Re­gis­ters von Timer 1 (der ein­fach frei läuft und ste­tig von 0-0xFFFF zählt). Wenn der Timer zwi­schen zwei die­ser In­ter­rupts über­läuft, so in­kre­men­tiert die Over­flow-ISR einen Over­flow-Coun­ter, der hier aus­ge­wer­tet wird. Es wird in die­sem Falle 0xFFFF * Over­flow­Coun­ter zum letz­ten Zeits­tem­pel ad­diert, bevor der ak­tu­el­le ab­ge­zo­gen wird. Ach­tung: Cast zu Da­ten­typ „long“ er­for­der­lich.

Ist die Zeit­dif­fe­renz ge­fun­den, wird über die For­mel (F_CPU[1/s] / 64[Pre­sca­ler] * 60[UPS] / 2 [Takte pro U] / Meß­wert) die ak­tu­el­le Dreh­zahl be­rech­net. Mit F_CPU = 16MHz er­gibt sich: RPM = 7500000 / Meß­wert.

5.3 ISR: Timer 1 Over­flow In­halt

Dies ist die wich­tigs­te asyn­chro­ne Funk­ti­on im Gerät, sie tritt mit 16MHz/0xFFFF/64 (Pre­sca­ler) auf und hat drei Auf­ga­ben:

• In­kre­men­tie­ren des Over­flow-Coun­ters
• Pel­tier-Ele­ment ein­schal­ten, so­fern kein Feh­ler­zu­stand vor­liegt
• Be­rech­nen der neuen Aus­gangs­leis­tung für das Pel­tier an­hand eines P-Reg­lers

Eine träge Tem­pe­ra­tur­stre­cke zu re­geln ist nicht ein­fach. Wir haben zum einen eine große Ver­zö­ge­rungs­zeit in un­se­rem Sys­tem, es dau­ert also Mi­nu­ten, bis sich am Aus­gang etwas tut, so­fern am Ein­gang eine Stell­grö­ßen­än­de­rung auf­tritt. Zum an­de­ren sind Soll- und Ist-Wert als ganz­zah­li­ge In­te­ger aus­ge­legt mit fes­ter Kom­ma­stel­le (00400 ^= 4,00°C). Der Tem­pe­ra­tur­sen­sor lie­fert in der letz­ten Stel­le al­ler­dings nur Wertsprün­ge von 6, also 00406, 00412, 00418, etc. Damit muß ziem­lich auf die Di­men­sio­nie­rung des P-An­teils ge­ach­tet wer­den, damit der Reg­ler sta­bil bleibt.

Alles in allem hab ich davon keine Ah­nung und im mi­kro­con­trol­ler.net Forum konn­te mir auch kei­ner so rich­tig wei­ter­hel­fen. Eine Nacht pro­bie­ren för­der­te dann die Ein­stel­lung zu­ta­ge, den P-An­teil mit 0,8 zu ge­wich­ten und auf I und D zu ver­zich­ten.

Der Reg­ler hat nun nach unten einen gro­ßen Über­schwin­ger, re­gelt also zu­nächst für ei­ni­ge Mi­nu­ten unter die ge­wünsch­te Tem­pe­ra­tur und fährt dann lang­sam von unten her den kor­rek­ten Wert an. Ist auch ein­fach zu er­klä­ren, ohne Dif­fe­ren­ti­al­an­teil be­fin­det sich der Aus­gang bei Über­schrei­ten der Soll­tem­pe­ra­tur von oben her in po­si­ti­ver Sät­ti­gung, daher kühlt der Reg­ler bei Er­rei­chen der ge­wünsch­ten Tem­pe­ra­tur noch viel zu stark.

Erst jetzt ar­bei­ten Wär­me­auf­nah­me durch den De­ckel des Milch­be­häl­ters und re­du­zier­te Kühl­leis­tung zu­sam­men, und wenn ich die Re­du­zie­rung lang­sam genug vor­neh­me, wird der Gleich­ge­wichts­wert aus Wär­me­ab­ga­be (Pel­tier) und Wär­me­auf­nah­me (De­ckel, Um­ge­bungs­luft) ir­gend­wann er­reicht.

Zwar würde ein rei­ner P-Reg­ler eine blei­ben­de Ab­wei­chung ver­ur­sa­chen, nach­dem meine Stre­cke aber ein I-Glied be­sitzt (Träg­heit), funk­tio­niert das so sehr gut. Auch kommt zum Tra­gen, dass sich die Soll­grö­ße nicht än­dert. Die stel­le ich ein­mal ein, und da soll die Tem­pe­ra­tur blei­ben. Würde ich schnell auf sich än­dern­de Soll­tem­pe­ra­tu­ren re­agie­ren müs­sen, so wäre in jedem Falle noch ein groß di­men­sio­nier­ter D-An­teil hin­zu­zu­neh­men.

Kur­zer Test: Von 20°C auf 4°C dau­ern zwei Stun­den und wer­den dann sta­bil ge­hal­ten, auch wenn ich die Raum­tem­pe­ra­tur um ein paar Grad än­de­re. Es macht üb­ri­gens einen gro­ßen Un­ter­schied, ob der De­ckel hin­ten drauf ist oder nicht, da die Ab­wär­me ohne De­ckel viel bes­ser weg­ge­bla­sen wird. Es sind gut 15% Dif­fe­renz in der Aus­gangs­leis­tung bei 20°C Raum­tem­pe­ra­tur.

5.4 ISR: Timer 1 Out­put Com­pa­re A Match In­halt

Nach­dem im OCR1A mit 16 Bit der PWM-Du­ty-Cy­cle fest­ge­legt ist, schal­ten wir hier­in ein­fach nur das Pel­tier wie­der aus. Damit ist für das Pel­tier eine Soft­ware-PWM mit Grund­fre­quenz vn 3,8 Hz rea­li­siert.

5.5 Haupt­schlei­fe In­halt

Nach der In­itia­li­sie­rung der Pe­ri­phe­rie (LCD, MCU-Re­gis­ter, 1-Wire Bus) dient die Haupt­schlei­fe der Ver­ar­bei­tung der GUI-Ein- und Aus­ga­ben. Sie birgt keine gro­ßen Ge­heim­nis­se und hat im We­sent­li­chen fol­gen­de Struk­tur:

• All­ge­mei­ne Auf­ga­ben
• Tas­ten pol­len
• Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren ab­fra­gen und be­han­deln
• Aus­schal­te­rou­ti­ne prü­fen
• Feh­ler­be­hand­lung
• Gra­fik-LCD In­for­ma­ti­ons­an­zei­gen
• Zwei­zei­li­ger In­fo­bild­schirm, rol­lie­ren­de Pa­ra­me­ter
• Große An­zei­ge „Ist-Tem­pe­ra­tur Milch“
• Große An­zei­ge „Ist-Tem­pe­ra­tur Küh­ler“
• Große An­zei­ge „Lüf­ter RPM“
• Große An­zei­ge „Aus­gangs­leis­tung in %“
• Gra­fi­sches Menü
• Sprach­ein­stel­lung
• LCD-Kon­trast
• Soll­tem­pe­ra­tur
• Warn­tem­pe­ra­tur für Milch
• Feh­ler­bild­schirm

Zwi­schen den In­for­ma­ti­ons­an­zei­gen kann mit den Hoch-/Run­ter-Tas­ten ge­wech­selt wer­den, mit der OK-Tas­te ge­langt man in das Haupt­me­nü. Dort wählt man den ge­wünsch­ten Me­nü­punkt eben­falls mit den Pfeil­tas­ten und be­stä­tigt mit OK, wor­auf­hin sich die ge­wähl­te Ein­stel­lung än­dern läßt und im EE­PROM dau­er­haft ge­spei­chert wird.

Es ist eine ru­di­men­tä­re Feh­ler­be­hand­lung im­ple­men­tiert: So­bald die Milch­tem­pe­ra­tur grö­ßer ist als die ein­ge­stell­te Warn­tem­pe­ra­tur (Be­reich von 8°C-15°C), läuft ein Mar­quee-Text mit die­ser In­for­ma­ti­on auf dem zwei­zei­li­gen In­fo­bild­schirm in der zwei­ten Zeile, an­sons­ten ge­schieht al­ler­dings nichts wei­ter.

Tritt ein Feh­ler im Be­trieb auf, z.B. daß der Kühl­kör­per zu heiß wird, oder der Lüf­ter blo­ckiert, so be­ginnt das Dis­play zu blin­ken und Lüf­ter und Pel­tier wer­den aus­ge­schal­tet, so­lan­ge der Zu­stand an­hält. Gleich­zei­tig liest man in der ers­ten Zeile den oder die Feh­ler als Text und kann mit Druck auf den mitt­le­ren Knopf das Gerät neu­star­ten.

Es ist noch ein biß­chen Platz im Flash, der ge­neig­te Leser kann sich hier si­cher noch spie­len mit Zu­satz­an­zei­gen oder de­tailier­te­rer Feh­ler­be­hand­lung.

6. Fotos In­halt

Nun, zum Schluß noch ein­mal die Bil­der…

7. Down­loads In­halt

Die fol­gen­den Da­tei­en ste­hen zum Down­load zur Ver­fü­gung. Be­ach­tet bitte, dass sie wie auch im Pro­jekt Pimp-My-Ki­cker unter Crea­ti­ve-Com­mons BY-NC-SA ste­hen. Kurz, ihr dürft sie unter Na­mens­nen­nung außer für kom­mer­zi­el­le Zwe­cke ver­wen­den und zu glei­chen Be­din­gun­gen wei­ter­ge­ben. Der Splash­Screen muß bei­be­hal­ten wer­den, kann aber von euch er­gänzt wer­den.

• Milch­con­trol­ler (EAGLE PCB und Sche­ma­tic)
• Milch­Con­trol­ler (C-Sour­cen, AVRGCC): Alle Soft­fonts, Gra­fi­ken und der ei­gent­li­che Quell­text