iSpindel — Der Aufbau

Wem es nach dem Lesen des iSpin­del Grund­la­gen­ar­ti­kels von Samu­el Lang in den Fin­gern juckt, sich selbst eine iSpin­del zu bau­en, gehen ver­mut­lich eini­ge die­ser Fra­gen durch den Kopf:

  • Wo bekommt man die Bau­tei­le her?
  • Sind tief­grei­fen­de Elek­tro­nik­kennt­nis­se für den Zusam­men­bau erfor­der­lich?
  • Was ist beim Zusam­men­bau zu beach­ten und was braucht man alles dafür?
  • Wie wird die Firm­ware geflasht und wie tes­tet man eine frisch zusam­men­ge­lö­te­te iSpin­del?
  • Was tun, wenn die iSpin­del nicht wie erwar­tet funk­tio­niert?
  • Müss­ten da nicht noch Gewich­te rein?
  • Wie kali­briert man eine iSpin­del und kann man even­tu­ell auch ohne Kali­brie­rung star­ten?

Die­se Fra­gen ver­su­che ich in die­sem Teil der iSpin­del Arti­kel­se­rie zu beant­wor­ten.

Bezugsquellen

Die elek­tro­ni­schen Bau­tei­le kön­nen über die übli­chen Online­shop­ping Platt­for­men bestellt wer­den. Etwas schwie­ri­ger wird es beim 3D Druck Schlit­ten, dem PET­ling und der iSpin­del Pla­ti­ne, weil die­se Tei­le genau zuein­an­der pas­sen müs­sen. Beim Zusam­men­su­chen der Kom­po­nen­ten in der Online­shop­ping Platt­form sei­ner Wahl wird manch einer fest­stel­len, dass man eini­ge der Klein­tei­le nur in 20iger Packs bekommt und, dass die Ver­sand­kos­ten durch den Kauf bei unter­schied­li­chen Händ­lern schnell den eigent­li­chen Waren­wert über­schrei­ten.

Um die Ein­stiegs­hür­de nied­rig zu hal­ten, konn­te der Online­hän­der 3D Mecha­tro­nics aus Bre­men für das iSpin­del Pro­jekt gewon­nen wer­den, der uns seit dem Ende der Test­pha­se im Sep­tem­ber 2016 die Treue hält. In sei­nem Online­shop (www.3d-mechatronics.de) bie­tet er alle Tei­le zum Bau einer iSpin­del in einem Kom­plett­pa­ket an, das neben den elek­tro­ni­schen Bau­tei­len eine geätz­te Pla­ti­ne, den 3D‐​Druck Schlit­ten und einen dazu pas­sen­den PET­ling ent­hält. Auch Ersatz­tei­le, genorm­te Austausch‐​PETlinge und Ersatz­de­ckel sind hier bestell­bar.

Tjor­ben Eber­le, der Inha­ber von 3D Mecha­tro­nics, unter­stützt das iSpin­del Pro­jekt enthu­si­as­tisch. In enger Abstim­mung mit dem Team nutzt er das Kun­den­feed­back zur Ver­bes­se­rung des Bau­sat­zes und sei­ner Step‐​by‐​Step Anlei­tung für den Zusam­men­bau der iSpin­del.

Zusammenbau

Der Zusam­men­bau des Bau­sat­zes zur fer­ti­gen iSpin­del geht mit der bebil­der­ten Löt­an­lei­tung von 3D Mecha­tro­nics leicht von der Hand. Die­se Anlei­tung ist immer auf die aktu­ell aus­ge­lie­fer­te Ver­si­on des Bau­sat­zes abge­stimmt und setzt kei­ne Elek­tro­nik­kennt­nis­se vor­aus. Etwas Übung mit dem Löt­kol­ben ist aller­dings von Vor­teil. Die Löt­an­lei­tung ist im Online­shop unter dem Kom­plett­bau­satz ver­linkt.

Fol­gen­de Din­ge sind zusätz­lich zum Bau­satz erfor­der­lich:

  • leis­tungs­fä­hi­ger Fein­löt­kol­ben (opti­ma­ler­wei­se poten­ti­al­frei)
  • fei­nes Löt­zinn (0,25−0,5 mm)
  • 20–25g Trimm­ge­wicht
    (4−5 Gewich­te je 5 Gramm oder Blei­gra­nu­lat + Epo­xid­harz)
  • Heiß­klebe­pis­to­le + Sticks
  • klei­ner Sei­ten­schnei­der
  • Ergän­zend sind ein Digi­tal­mul­ti­me­ter zur Feh­ler­su­che und eine gute Lupe für die fei­nen Löt­stel­len emp­feh­lens­wert.

Nach dem Zusam­men­bau der Hard­ware wird ein Mini‐ bzw. Micro‐​USB Kabel zum Auf­la­den des Akkus und ein Micro‐​USB Kabel zum flas­hen der Firm­ware benö­tigt. Bei dem Micro‐​USB Kabel ist dar­auf zu ach­ten, dass es 4‐​adrig belegt ist. 2‐​adrige USB Kabel, die häu­fig sehr güns­ti­gen 5V Lade­ste­ckern bei­lie­gen, sind auf­grund der feh­len­den bei­den Signal­lei­tun­gen nicht zum flas­hen der Firm­ware geeig­net.

Wur­de das Inne­re der iSpin­del ent­spre­chend der Anlei­tung zusam­men­ge­lö­tet, sieht es in etwa so aus:

Abb 1: Das Innere der Spindel

Abb 1: Das Innere der Spindel

Ein wich­ti­ger Hin­weis an die­ser Stel­le:

Abb 2: Eingangsdiode des Wemos

Vor dem Anschlie­ßen eines USB Kabels ist unbe­dingt sicher­zu­stel­len, dass die Ein­gangs­di­ode des Wemos ent­spre­chend der Anlei­tung ent­fernt wur­de. Wird dies ver­ges­sen, geht in den bes­se­ren Fäl­len nur etwas Hard­ware kaputt. In schlim­me­ren Fäl­len kann sich der Akku durch das unge­re­gel­te Auf­la­den selbst ent­zün­den oder gar explo­die­ren.

Eben­falls rat­sam ist es, alle Löt­stel­len vor dem Anschlie­ßen des Lade­ka­bels noch ein­mal gewis­sen­haft mit einer Lupe zu kon­trol­lie­ren. Beson­ders bei den drei Bein­chen des Tem­pe­ra­tur­sen­sors DS18B20 schlei­chen sich ver­mehrt Feh­ler ein.

Zu die­sem Zeit­punkt ist es emp­feh­lens­wert, die Heiß­klebe­pis­to­le noch eine Wei­le in der Werk­zeug­kis­te zu las­sen, den Akku zu laden, die Firm­ware zu flas­hen und einen ers­ten Funk­ti­ons­test durch­zu­füh­ren. Der Akku muss voll­stän­dig auf­ge­la­den sein, bevor die Firm­ware geflasht wer­den darf. Eben­so ist zu beach­ten, dass die Firm­ware nur auf einer voll­stän­dig zusam­men­ge­bau­ten iSpin­del feh­ler­frei aus­ge­führt wer­den kann. Ein Funk­ti­ons­test mit blo­ßem Micro­con­trol­ler wird auf­grund der feh­len­den Sen­so­ren nicht funk­tio­nie­ren.

Aufladen des Akkus

Abb 3: Lademodul

Abb 3: Lademodul

Der Akku wird über den USB Port des Lade­mo­duls TP‐​4056 auf­ge­la­den. Das ist die klei­ne­re der bei­den Bau­grup­pen, auf der Akku­sei­te des Schlit­tens.

Das Lade­mo­dul wird in ver­schie­de­nen Vari­an­ten gefer­tigt. Es kann ent­we­der eine Mini‐​USB oder eine Micro‐​USB Buch­se besit­zen. Die Far­ben der Status‐​LEDs des Lade­mo­duls vari­ie­ren eben­falls.

Nach­dem das USB Kabel mit der Strom­ver­sor­gung und der Lade­buch­se ver­bun­den wur­de, leuch­tet eine (im Regel­fall) oran­ge bzw. rote LED wäh­rend der Akku lädt. Ist der Lade­vor­gang abge­schlos­sen, wird dies durch eine blaue bzw. grü­ne LED ange­zeigt.

Das voll­stän­di­ge Auf­la­den eines lee­ren Akkus nimmt meh­re­re Stun­den in Anspruch. Das Lade­mo­dul schützt ihn dabei vor Über­la­dung und Tief­ent­la­dung.

Flashen der Firmware

Die­ser Abschnitt beschränkt sich exem­pla­risch auf das Flas­hen der Firm­ware unter Micro­soft Win­dows. Eine Anlei­tung für MacOS von @Tozzi ist im Hob­by­brau­er­fo­rum oder auf der Pro­jekt­sei­te www.ispindel.de zu fin­den.

Benö­tigt wer­den:

Als Vor­be­rei­tung muss der Wemos Trei­ber ein­ma­lig auf den PC her­un­ter­ge­la­den und instal­liert wer­den. Anschlie­ßend wer­den der ESP8266Flasher und die aktu­el­le iSpin­del Firm­ware her­un­ter­ge­la­den und die “ESP8266Flasher.exe” gestar­tet. Bei aus­ge­schal­te­ter iSpin­del wer­den noch kei­ne MAC Adres­sen des Wemos erkannt.

Abb 4: iSpindel ausgeschaltet

Abb 4: iSpindel ausgeschaltet

Bevor der Flash­vor­gang gestar­tet wer­den kann, muss im ESP8266Flasher die her­un­ter­ge­la­de­ne “Bin Datei” der iSpin­del Firm­ware aus­ge­wählt wer­den.

Abb 5: Firmware auswählen

Abb 5: Firmware auswählen

In der Regis­ter­kar­te “Con­fig” wird dazu die Bin‐​Datei der her­un­ter­ge­la­de­nen iSpin­del Firm­ware aus­ge­wählt (roter Pfeil) und sicher­ge­stellt, dass nur die ent­spre­chen­de Zei­le akti­viert ist (gel­ber Pfeil).

Abb 6: Micro-USB-Port

Abb 6: Micro-USB-Port

Anschlie­ßend wird die iSpin­del über den Micro‐​USB‐​Port des Wemos mit dem PC ver­bun­den und ein­ge­schal­tet.

Nach dem Ein­schal­ten wird die iSpin­del auto­ma­tisch durch Win­dows erkannt. Der ESP8266Flasher reagiert dar­auf und wählt selb­stän­dig den rich­ti­gen COM‐​Port aus. Die MAC‐​Adressen des Wemos wer­den in den unte­ren bei­den Fel­dern ange­zeigt (gel­be Pfei­le) und der Flash­vor­gang kann mit einem Klick auf den Flash‐​Button (roter Pfeil) gestar­tet wer­den.

Abb 7: MAC-Adressen der iSpindel

Abb 7: MAC-Adressen und Start

Der Fort­schritt wird in ESP8266Flasher ange­zeigt.

Abb 8: Während des Flashens

Abb 8: Während des Flashens

Der Abschluss des Flas­hens signa­li­siert ein grü­nes Sym­bol in der lin­ken unte­ren Ecke.

Abb 9: Flashen Ende

Abb 9: Flashen Ende

Die iSpin­del muss nun ein­mal aus‐ und wie­der ein­ge­schal­tet wer­den (alter­na­tiv ein Klick auf den Reset‐​Button des Wemos), damit die frisch geflash­te Firm­ware gela­den wird. Der Erst­start kann bis zu 30 Sekun­den in Anspruch neh­men, da eine Grund­kon­fi­gu­ra­ti­on gela­den wird.

Eine kom­plett neue iSpin­del, auf der zuvor kei­ne Firm­ware instal­liert war, star­tet auto­ma­tisch im Kon­fi­gu­ra­ti­ons­mo­dus. Soll­te es sich bei dem Flash­vor­gang um ein Firm­ware­up­date gehan­delt haben, star­tet die iSpin­del im dem Zustand, in dem sie sich vor dem Update befand. War sie voll­stän­dig kon­fi­gu­riert, wird sie im ope­ra­ti­ven Modus star­ten, andern­falls im Kon­fi­gu­ra­ti­ons­mo­dus.

Überprüfung der iSpindel

Der Kon­fi­gu­ra­ti­ons­mo­dus ist an einem rhyth­mi­schen Blin­ken der blau­en Wemos LED im Sekun­den­takt zu erken­nen. Er kann bei einer iSpin­del im ope­ra­ti­ven Modus jeder­zeit durch mehr­ma­li­ges Drü­cken des Wemos Reset‐​Tasters im Sekun­den­takt wie­der auf­ge­ru­fen wer­den.

Im Kon­fi­gu­ra­ti­ons­mo­dus stellt die iSpin­del einen WiFi Acces­s­Point mit der SSID “iSpin­del” bereit. Zum Kon­fi­gu­rie­ren und Über­prü­fen der iSpin­del greift man sich ein WLAN‐​fähiges Gerät, sucht in den WLAN Ein­stel­lun­gen des Gerä­tes nach dem Netz­werk mit der SSID “iSpin­del” und ver­bin­det sich damit.

Ist die WLAN Ver­bin­dung her­ge­stellt, wird die iSpin­del Kon­fi­gu­ra­ti­on ent­we­der nach kur­zer Zeit auto­ma­tisch durch ein “Cap­ti­ve Por­tal” in einem Brow­ser­fens­ter geöff­net (iOS, OS X) oder man kann sie hän­disch mit einem belie­bi­gen Web­brow­ser unter der URL http://192.168.4.1 auf­ru­fen. Wenn sich der Brow­ser unter iOS nicht mehr auto­ma­tisch öff­net, hilft es, den gespei­cher­ten Acces­s­Point “iSpin­del” ein­mal manu­ell zu löschen (“Die­ses Netz­werk igno­rie­ren”).

Nun ist es an der Zeit, die ord­nungs­ge­mä­ße Funk­ti­on der frisch gelö­te­ten iSpin­del im Menü “iSpin­del Info” zu prü­fen. Die Info­sei­te zeigt den aktu­el­len Sta­tus der Sen­so­ren an. Zu beach­ten ist, dass nur eine fer­tig zusam­men­ge­bau­te iSpin­del an die­ser Stel­le wie erwar­tet funk­tio­nie­ren wird.

Abb 12: Temperatursensor

Abb 12: Temperatursensor

Berührt man den Tem­pe­ra­tur­sen­sor (gel­ber Pfeil) mit dem Fin­ger, dann wird die ange­zeig­te Tem­pe­ra­tur auf der Info­sei­te stei­gen. Neigt man die Pla­ti­ne mit dem Wemos ver­än­dert sich der Nei­gungs­win­kel (Tilt). Ist dies der Fall, wur­de die iSpin­del feh­ler­frei zusam­men­ge­lö­tet und die Hard­ware ist in Ord­nung.

Die Mess­wer­te müs­sen zu die­sem Zeit­punkt nicht stim­men. Beson­ders die Tem­pe­ra­tur wird im Kon­fi­gu­ra­ti­ons­mo­dus auf­grund der Selbst­er­wär­mung durch die kur­zen Mess­in­ter­val­le immer zu hoch ange­zeigt.

Eine Tem­pe­ra­tur­an­zei­ge von -127 °C deu­tet auf eine Stö­rung des Tem­pe­ra­tur­sen­sors, oder wahr­schein­li­cher, auf einen Feh­ler beim Zusam­men­bau hin (Sen­sor falsch her­um ein­ge­lö­tet, Kurz­schluss gelö­tet, kal­te Löt­stel­le etc.). Ein kon­stan­ter Tilt‐​Wert von 0° beruht auf den glei­chen Ursa­chen, beim Gyro­skop Sen­sor MPU6050 (roter Pfeil).

Fehlersuche

Soll­te man trotz gewis­sen­haf­ter Mon­ta­ge wei­te­re Pro­ble­me haben, emp­fiehlt es sich unbe­dingt das Pro­to­koll (Log) der iSpin­del aus­zu­le­sen! Über den USB Anschluss ist es mög­lich eine seri­el­le Ver­bin­dung zur iSpin­del auf­zu­bau­en und die pro­to­kol­lier­ten Nach­rich­ten der iSpin­del in einem Ter­mi­nal­fens­ter anzu­zei­gen. Der Kom­mu­ni­ka­ti­ons­ab­lauf und etwai­ge Feh­ler­mel­dun­gen sind hier zu sehen. Die genaue Vor­ge­hens­wei­se ist auf der Pro­jekt­sei­te und in die­sem You­tube Video erläu­tert.

Endmontage der iSpindel

Ist die Hard­ware in Ord­nung kann die iSpin­del kom­plett zusam­men­ge­baut wer­den.

Der Akku und des­sen unte­res Anschluss­ka­bel wer­den mit einem Kabel­bin­der am Schlit­ten befes­tigt. Die Trimm­ge­wich­te kön­nen wahl­wei­se seit­lich des Akkus mit Heiß­kle­ber fixiert oder in Form von Blei­gra­nu­lat mit Epo­xid­harz in die Spit­ze des Pet­lings geklebt wer­den.

Abb 13: Verklebte Gewichte

Abb 13: Verklebte Gewichte

Bei­de Vari­an­ten funk­tio­nie­ren gut, und bei­de haben ihre Stär­ken und Schwä­chen. Vor allem ist dar­auf zu ach­ten, dass die Gewich­te gleich­mä­ßig und auf der Akku­sei­te des Schlit­tens ange­klebt wer­den, bzw., dass das Epo­xid­harz mit dem Blei­gra­nu­lat bei senk­recht ste­hen­dem Pet­ling aus­här­tet. Eben­falls wich­tig ist das Gewicht der Trim­mung.

Der gemes­se­ne Tilt‐​Wert der iSpin­del wird in den Grenz­be­rei­chen (0–10°, 80–90°) unge­nau und man erhält kei­ne ver­läss­li­chen das Mess­ergeb­nis­se. Es ist essen­ti­ell, die iSpin­del durch Trimm­ge­wich­te in den opti­ma­len Win­kel­be­reich zu brin­gen.

Abb 14: Bleigranulat

Abb 14: Bleigranulat in Harz

Wer­den die Trimm­ge­wich­te so gewählt, dass der Tilt‐​Wert in Lei­tungs­was­ser über 10° und in der Anstell­wür­ze des jähr­li­chen SuperHighGravity‐​Strong‐​Imperial Win­ter­bie­res unter 80° bleibt, ist alles in bes­ter Ord­nung. Unge­fäh­re Tilt‐​Werte in Lei­tungs­was­ser zwi­schen 15° und 35° haben sich gut bewährt. Bei der Trim­mung mit Blei­gra­nu­lat erreicht man die Wer­te mit ca. 15 Gramm Blei in der Pet­ling­s­pit­ze. Wird der Bal­last an den Akku und den Schlit­ten geklebt, sind etwa 20–23 Gramm Gewicht erfor­der­lich.

3D Mecha­tro­nics plant mit­tel­fris­tig eine aktua­li­sier­te Ver­si­on des 3D‐​Druck‐​Schlittens zusam­men mit pas­sen­den Trimm­ge­wich­ten aus­zu­lie­fern. Die­se wer­den sich, ähn­lich der Bleigranulat‐​Variante, weit in der Pet­ling­s­pit­ze befin­den, jedoch fest mon­tiert am Schlit­ten, damit man den Pet­ling von Zeit zu Zeit aus­tau­schen kann, ohne die Kali­brie­rung zu ver­lie­ren. Hier­durch soll­te die Trim­mung zukünf­ti­ger iSpin­deln erheb­lich ver­ein­facht wer­den.

Die letzten Schritte

Abschlie­ßend wird der Gyro­skop­sen­sor zusätz­lich mit Heiß­kle­ber am WiFi Modul des Wemos fixiert, die Pla­ti­ne in die Nut des Schlit­tens geklebt, alle losen Tei­le (Kabel etc.) mit Heiß­kle­ber am Schlit­ten befes­tigt und der fer­tig bestück­te Schlit­ten in den Pet­ling gescho­ben. Nun ist die iSpin­del ein­satz­be­reit und kann kali­briert wer­den.

Kalibrierung

Zur Kali­brie­rung noch ein abschlie­ßen­der Hin­weis. Viel hilft nicht beson­ders viel. Das ermit­tel­te Poly­nom zur Extrakt­be­rech­nung %w/​w (°P) arbei­tet bereits mit 3–4 Mess­punk­ten (Plato‐​Tilt‐​Pärchen) aus­rei­chend genau. Durch die Stör­ein­flüs­se von Kräu­sen, Brand­he­fe, CO2-Bläs­chen und Abla­ge­run­gen vom Stopf­hop­fen wird der gemes­se­ne Tilt‐​Wert und der dar­aus errech­ne­te Extrakt­ge­halt immer gewis­sen Tole­ran­zen unter­lie­gen, die nicht voll­stän­dig durch auf­wen­dig detail­lier­te Kali­brie­run­gen kom­pen­siert wer­den kön­nen.

Schnellstart ohne Kalibrierung

Grund­sätz­lich recht es, wenn man den Nei­gungs­win­kel der iSpin­del in Lei­tungs­was­ser kennt. Die­ser soll­te bei ca. 25 (+/​‐ 10) Grad Nei­gung lie­gen und beim Über­prü­fen der Trim­mung notiert wer­den.

Eben­so muss eine Aus­ga­be der Daten an Ubi­dots, den RasPi Ser­ver, Craft­beer Pi etc. kon­fi­gu­riert wer­den. Anschlie­ßend kann die iSpin­del bereits in den Gär­ei­mer eines rea­len Sudes. Dort ist der Extrakt­ge­halt der Anstell­wür­ze bekannt.

Beim Schlau­chen nach der Gärung wird der Rest­ex­trakt per Refrak­to­me­ter, Spin­del oder Easy­Dens gemes­sen. Die pas­sen­den Tilt‐​Werte der Anstell­wür­ze und des end­ver­go­re­nen Jung­biers kön­nen dem “Daten‐​empfangenden Sys­tem” ent­nom­men wer­den.

Auf die­se Wei­se sind bereits drei “gute” Plato‐​Tilt‐​Pärchen bekannt, die unter den Stör­ein­flüs­sen von Brand­he­fe, CO2-Bläs­chen etc. ermit­telt wur­den. Die­se Plato‐​Tilt‐​Pärchen bil­den eine sehr gute Basis zur Ermitt­lung des Poly­noms für die Berech­nung des Extrakt­ge­halts. Nach dem glei­chen Prin­zip kön­nen wei­te­re Plato‐​Tilt‐​Pärchen bei den nächs­ten Gärun­gen ergänzt und das Poly­nom dyna­misch ver­fei­nert wer­den.

Wei­te­re Metho­den sind auf der Pro­jekt­sei­te beschrie­ben.

Weitere Informationsquellen zur Montage und den Betrieb der iSpindel

Für den Zusam­men­bau und die Erst­ein­rich­tung einer iSpin­del ste­hen diver­se Infor­ma­ti­ons­quel­len im Inter­net zur Ver­fü­gung.

Die Firm­ware, aktu­el­le Infor­ma­tio­nen aus ers­ter Hand und eine Über­sicht mit häu­fig gestell­ten Fra­gen fin­det man auf der Git­hub Pro­jekt­web­site (https://github.com/universam1/iSpindel).

Die aktu­el­le Ver­si­on der Mon­ta­ge­an­lei­tung von 3D Mecha­tro­nics ist bei dem iSpindel‐​Komplettpaket im Online­shop des Händ­lers ver­linkt.

Dar­über hin­aus fin­det man gute bebil­der­te Anlei­tun­gen und Vide­os von Usern, die den Ein­stieg sehr erleich­tern (z.B. http://alles-ausser-arbeit.blogspot.de/2017/09/wir-brauen-bier-ispindel.html oder https://tinyurl.com/JW-iSpindel-FAQ).

Inter­na­tio­na­le Sup­port­an­fra­gen und Feature‐​Requests plat­ziert man am bes­ten direkt auf der Pro­jekt­web­site (www.iSpindel.de).

Offe­ne Fra­gen und vie­le The­men rund um die iSpin­del wer­den im deutsch­spra­chi­gen Raum vor allem im Hobbybrauer‐​Forum dis­ku­tiert (https://hobbybrauer.de/forum/viewtopic.php?f=58&t=11826). Dort erhält man auch freund­li­che Unter­stüt­zung bei Start­schwie­rig­kei­ten und Hil­fe beim Zusam­men­bau. Auch Inter­es­sen­ten ohne Löter­fah­rung oder ohne eige­ne Löt­tech­nik wird kol­le­gi­al gehol­fen.


Abbil­dun­gen:

  • Abb. 1, 2: Anlei­tung 3D Mecha­tro­nics (www.3d-mechatronics.de)
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