Analisador de grau de torrefação infravermelho para torrefadores de café: 13 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Introdução

O café é uma bebida consumida em todo o mundo por suas propriedades sensoriais e funcionais. O sabor, aroma, cafeína e teor de antioxidantes do café são apenas algumas das qualidades que tornaram a indústria do café tão bem-sucedida. Embora a origem, qualidade e espécie dos grãos verdes afetem a qualidade do produto final, a torrefação do café é o fator mais influente.

Normalmente, durante a torrefação, o mestre da torrefação (um indivíduo altamente treinado) usa propriedades dos grãos, como temperatura, textura, cheiro, som e cor para avaliar e ajustar a torrefação de acordo. Após a torrefação, os grãos de café são avaliados para garantir sua qualidade. O Agtron Process Analyzer é um instrumento padrão da indústria usado para medir o grau de torragem de grãos de café usando espectrofotometria abreviada de infravermelho próximo. O grau de torra é essencialmente uma medida da qualidade do café com base na extensão do calor transferido durante a torra e classifica o café em torra clara, média e escura.

Recentemente, houve um crescimento de pequenas empresas de torrefação que oferecem torrefações internas personalizadas. Essas empresas estão procurando alternativas menos caras para contratar e treinar um roast master ou usar o caro Agtron Process Analyzer. O analisador infravermelho do grau de torrefação para torrefadores de café, conforme descrito neste documento, é um meio barato de medir o grau de torrefação dos grãos de café. O analisador infravermelho de grau de torrefação usa um tryer, uma ferramenta encontrada em torradores de café usada para provar o café durante a torra, para armazenar uma amostra de café. O testador é inserido no analisador onde o sensor AS7263 NIR Spectral é usado para medir 6 bandas infravermelhas diferentes (610, 680, 730, 760, 810 e 860 nm). As medições de refletância são transmitidas via Bluetooth e podem ser correlacionadas ao grau de torrefação. O analisador deve primeiro ser calibrado pressionando um botão no interior da caixa em que o PVC é usado como balanço de branco, pois tem uma refletância relativamente plana na faixa espectral detectada pelo sensor.

Etapa 1: Materiais

Lista de Materiais

1. SparkFun Qwiic Shield (https://www.sparkfun.com/products/14352)
2. Conector SparkFun Qwiic (https://www.sparkfun.com/products/14427)
3. Sensor espectral NIR SparkFun AS7263 (https://www.sparkfun.com/products/14351)
4. 4 lâmpadas VCC 6150 5V.06A (lâmpadas incandescentes) (https://www.mouser.com/)
5. 2 x botões momentâneos
6. 2 x resistores de 10kOhm
7. DC Barrel Jack Female (https://www.sparkfun.com/products/10288)
8. Módulo Bluetooth HC-05 (https://www.amazon.com/)
9. Chave de força
10. Relé de estado sólido (AD-SSR6M12-DC-200D) (https://www.automationdirect.com/)
11. 1/2 "tampa de PVC
12. 1/2 "x 1/2" x 3/4 "T de PVC
13. Caixa de artesanato (Hobby Lobby)
14. Arduino Uno
15. Tryer
16. Fonte de alimentação 5V 2A (https://www.adafruit.com/product/276)

17. Cabo USB - Padrão A-B (cabo de programação)

Notas sobre materiais

Lâmpadas VCC 6150 - São lâmpadas incandescentes escolhidas por causa de sua alta saída de infravermelho. As lâmpadas incandescentes são usadas no lugar da luz LED fornecida no módulo AS7263 porque o LED integrado não emite a saída infravermelha necessária para refletir nos grãos de café e ser subsequentemente medida pelo sensor. Além disso, é importante observar que neste projeto as lâmpadas incandescentes são alimentadas pela fonte de alimentação 5V 2A e controladas pelo Arduino por meio de um relé. SparkFun fornece dois pinos de solda integrados no módulo AS7263 com a finalidade de alimentar e controlar uma fonte de luz auxiliar, no entanto, esses pinos não são usados porque não fornecem voltagem ou amperagem suficiente para alimentar suficientemente as lâmpadas incandescentes escolhidas.

Escudo SparkFun Qwiic - Este escudo é usado devido à sua capacidade de se conectar facilmente ao sensor AS7263 por meio de um conector Qwicc. A blindagem também fornece mudança de nível lógico de 3,3 V e uma grande área de prototipagem.

Relé de estado sólido - esse tipo de relé foi escolhido por causa de suas capacidades de chaveamento rápido e silencioso; no entanto, é caro e desnecessário, pois um relé elétrico padrão também funcionaria. Se estiver usando um relé elétrico padrão, o código pode precisar ser modificado para retardar o processo de amostragem e calibração.

Tamanho do PVC - O tamanho do PVC foi escolhido devido ao diâmetro do testador disponível e deve ser alterado se estiver usando um testador de tamanho diferente.

Módulo Bluetooth HC-05 - Um instructables (https://www.instructables.com/id/How-to-Set-AT-Command-Mode-for-HC-05-Bluetooth-Mod/) foi usado para alterar o baud taxa do módulo de 9600 a 115200 para coincidir com a taxa de baud do AS7263.

Etapa 2: Diagrama de fiação

S1 - Chave de força

SSR1 - Relé de estado sólido

B1 - Botão de Amostragem

B2 - Botão de Calibração

R1 - Resistor de 10kOhm

R2 - Resistor de 10kOhm

L1, L2, L3, L4 - lâmpadas incandescentes

Etapa 3: Montagem de lâmpadas incandescentes no AS7263

Um anel de montagem impresso em 3D (STL fornecido) foi feito para segurar as lâmpadas ao redor do sensor. As lâmpadas foram ligadas em paralelo e cola quente foi usada para evitar que os fios das lâmpadas se tocassem. O isolamento de borracha líquida pode ser usado em vez de cola quente. Em seguida, fios minúsculos foram usados para prender o anel de montagem ao sensor, amarrando os fios nos orifícios fornecidos no sensor.

Etapa 4: monte a porta do Tryer

Um orifício foi feito na parte de trás da tampa de PVC para acomodar o botão momentâneo. O lado de 3/4 do tee de PVC foi cortado e laços zip foram usados para prender o sensor à porta do experimentador. O comprimento do tee pode precisar ser ajustado para acomodar o tamanho do tryer. Um entalhe foi colocado em o lado da porta do T de PVC para alinhar a amostra de feijão no experimentador com o sensor.

Etapa 5: Conectando o Relé de Estado Sólido e a Chave de Alimentação

As luzes do foram conectadas em série com relé de estado sólido e o conector de barril DC.

O Vin no escudo Qwiic foi conectado ao conector de barril DC por meio de um botão liga / desliga.

O aterramento na blindagem Qwiic foi conectado ao aterramento do conector de barril CC.

Etapa 6: Conectando o botão de calibração

O botão de calibração foi conectado à alimentação Digital 2 e aterrado por meio de um resistor.

Etapa 7: Conectando o botão de amostragem

O botão de amostragem foi conectado à alimentação, Digital 3, e aterrado usando um resistor.

Etapa 8: Conectando a ENTRADA ao Relé de Estado Sólido

O lado de entrada do relé de estado sólido foi conectado ao Digital 5 e aterrado.

Etapa 9: Conectando o Módulo Bluetooth

O Módulo Bluetooth foi conectado de acordo com o diagrama de fiação fornecido.

VCC - 5V

RXD - Digital 11

TXD - Digital 10

GND - GND

Etapa 10: Código

Faça upload do código fornecido para o Arduino Uno usando o cabo de programação.

Como referência, SparkFun fornece um guia de inicialização para o AS726x (https://learn.sparkfun.com/tutorials/as726x-nirvi)

CUIDADO!! Ao testar o código, certifique-se de que o Arduino não esteja recebendo energia da fonte de alimentação de 5 V E do cabo de programação. Isso vai fritar o Arduino

Etapa 11: Exibindo resultados por meio de Bluetooth

Para exibir os resultados do Bluetooth, baixe Bluetooth Electronics da keuwlsoft na Google Play Store. Salve o arquivo DegreeOfRoastInfraRedAnalyzer.kwl na pasta keulsoft no armazenamento interno do dispositivo Bluetooth. Use o ícone de salvar no aplicativo para carregar o arquivo kwl. Em seguida, conecte-se ao Módulo Bluetooth HC-05 e execute o arquivo carregado.

Etapa 12: Conclusões

Legenda do comprimento de onda:

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

O sensor AS7263 NIR foi usado para medir a refletância espectral dos grãos de café em 6 comprimentos de onda diferentes para café não torrado, bem como torrados claros, médios e escuros. Os resultados do sensor mostram que a refletância infravermelha diminui com graus mais elevados de torragem em todos os comprimentos de onda testados. O comprimento de onda com maior variação de acordo com o grau de torração encontrado foi de 860 nm. Este sistema fornece uma base rápida e fácil de usar para a medição offline do grau de torrefação dos grãos de café. Os dados desse sensor fornecerão aos torrefadores de café um método adicional de controle de qualidade, garantindo torragens repetíveis e reduzindo o erro humano. Mais trabalho precisa ser feito para correlacionar os dados infravermelhos aos padrões da indústria.

Etapa 13: Um agradecimento especial a…

• Dr. Timothy Bowser - Conselheiro
• Dr. Ning Wang - Membro do Comitê
• Dr. Paul Weckler - Membro do Comitê
• Dan Jolliff - US Roaster Corp.
• Connor Cox - Centro de Oklahoma para o Avanço da Ciência e Tecnologia
• O Departamento de Biossistemas e Engenharia Agrícola da Oklahoma State University, Stillwater, OK
• Centro de Alimentos e Produtos Agrícolas da Oklahoma State University, Stillwater, OK