Anleitung: Automatischer Shottimer für unter 20€

Hallo zusammen!

Dies soll eine Anleitung sein, für alle, die an ihrer Maschine einen automatischen Shottimer nachrüsten wollen. Im Kaffee-Netz findet man viele verschiedene Projekte zu dem Thema, doch kaum eins davon ist derart ausführlich dokumentiert, als dass man es selbst zuhause nachbauen könnte. Das möchte ich mit diesem Leitfaden ändern.
Ich habe selbst einen kleinen Timer auf Basis eines Arduino Nano Microcontrollers entworfen, den man nun konkret mit dieser Anleitung nachbauen kann! Außerdem werde ich in den nächsten Tagen noch ein Video des Gerätes in Funktion hochladen.

Funktionsumfang:

• Einstellen der gewünschten Bezugszeit über einen Drehregler (voreingestellt sind 30 Sekunden)
  
• Dosierautomatik: Auf Knopfdruck wird die Pumpe gestartet und nach Ablauf der Bezugszeit wieder von alleine abgestellt
  
• Die voreingestellte Zeit und die bereits vergangene Bezugszeit werden bequem auf einem kleinen Display dargestellt.
  
• Alle Komponenten sind kompakt auf einer kleinen Platine montiert
  
• Die Steuerung erfolgt über einen Arduino Nano mit einem externen Netzteil und mehreren Steckleisten – dadurch wird der Timer beliebig erweiterbar und ist frei programmierbar; Smart-Home-Anbindung, automatische Zeitschaltuhr, Druckregelung etc. sind theoretisch nachrüstbar.

Was brauche ich alles?

• 1x Arduino Nano (Nano V3 mit CH340 - AZ-Delivery)
  
• 1x Relais, 5V Steuerspannung (Relais Modul - AZ-Delivery)
  
• 1x Drehregler (Drehimpulsgeber Modul - AZ-Delivery)
  
• 1x 0,97 Zoll – Display (0,96 Zoll I2C OLED Display - AZ-Delivery)
  
• Diverse Kabel, zum Beispiel ein Set 20cm „Jumper-Kabel“ (3er Set 40 Stk. Jumper Wire m2m/f2m/f2f - AZ-Delivery)
  
• 1x Mini-Netzteil 230V AC-5V DC (220V zu 5V Mini-Netzteil - AZ-Delivery)
  
• 1x Grundplatte
• Schrumpfschlauch
• Kabel für die Anbindung an die Maschinenelektrik (https://www.amazon.de/gp/product/B074299GG5/ref=oh_aui_detailpage_o08_s00?ie=UTF8&psc=1)
  
• 1x männlicher Flachstecker zum Anlöten
  
• 1x weiblicher Flachstecker zum Anlöten
  
• 2x 8fach Mini-Steckleisten für Kabel aus dem Elektriker-Zubehör.

Ich habe bewusst Links hinter die meisten Artikel gesetzt, da es für die meisten Elektronik-Laien schwierig sein wird, genau die richtigen Komponenten zusammenzusuchen. Das hier soll ausdrücklich keine Werbung für die hier angezeigten Shops sein. Tatsächlich kommt man bei einer Bestellung z.B. direkt aus China deutlich günstiger weg, wenn man denn die längere Lieferzeit in Kauf nehmen will.

Benötigtes Zubehör:
Lötausstattung für Elektronik
Heißklebepistole
Kunststoffkleber, zb. Uhu Hart

Die Dateien für die Platine (3D-Druck) und die Firmware finden sich hier!
(Die Platinendruckplatte heißt "Espresso Arduino.3mf", der Drehknopf zum Einstellen (optional) "Gaggia Knopf.3mf")
Dropbox - Espresso-Timer - Simplify your life


Und los geht’s!

Zunächst einmal der obligatorische Hinweis: Der Einbau dieses Microcontrollers in die Maschine erfordert einen Eingriff in die Maschinenelektrik! Das umfasst das Arbeiten mit 230V Netzspannung. Diesen Mod sollte nur durchführen, wer über umfassende Elektrik-Kentnisse verfügt, sich der damit verbundenen Risiken bewusst ist und weiß, wie damit umzugehen ist.


Die Vorbereitung
Zunächst muss die Grundplatte hergestellt werden. Idealerweise druckt man das Teil einfach aus oder lässt es ausdrucken. Hier werden später alle Komponenten montiert. Alternativ kann man sich natürlich auch einen Ersatz aus z.B. Sperrholz basteln. Sollte da Interesse bestehen, kann ich gerne noch eine Technische Zeichnung des Bauteils hochladen.



Als nächstes müssen die Kontaktleisten auf den Arduino Nano aufgelötet werden. Wichtig ist, dass man die Leisten nicht so herum lötet, wie auf zahlreichen Beispielabbildungen im Internet zu sehen ist, sondern genau anders herum. In der Standardkonfiguration des Nano zeigen nämlich die Pins nach unten, damit man ihn so in eine Steckplatine stecken kann; wir wollen aber, dass alle Pins nach oben zeigen. Die Kontaktleisten werden eingesetzt und während man versucht, den Controller dabei möglichst gerade zu halten, werden auf jeder Seite ein oder zwei Kontakte gelötet, damit die Kontaktleisten nicht mehr wegkippen können und nun kann ein Kontakt nach dem anderen in beliebiger Reihenfolge befestigt werden, bis alles fertig gelötet ist. Wer bisher wenig Erfahrung mit dem Löten von Kontaktleisten hat; es gibt zahlreiche Youtubevideos ganz konkret zum Einrichten des Nanos.






Auch gelötet werden müssen die Kabel am Netzteil. Hierfür ein rotes und ein schwarzes Kabel jeweils an die beiden eng zusammenstehenden Kontakte am Netzteil anlöten, jeweils ein Stück Schrumpschlauch überziehen und mit einem Feuerzeug schrumpfen. Die Kabel sollten hier erstmal großzügig lang gewählt werden, wir werden sie nachher auf die in der Maschine erforderte Länge anpassen.

 

Der Zusammenbau




Nun werden alle Komponenten wie auf dem nächsten Bild abgebildet auf der Grundplatte befestigt. Der Arduino und das Relais kommen hierfür auf den dafür vorgesehenen Stegen zum Liegen. Für den Controller und das Relais habe ich Heißkleber genutzt und für das Netzteil, und die Steckleisten UHU Hart. Prinzipiell kann man auch für alle Teile Heißkleber nutzen, nur hält dieser auf glatten Flächen nicht sonderlich gut.





Sind alle Bauteile verklebt, kann es auch schon an die Verkabelung gehen. Die meisten Verkabelungen laufen von Pin zu Pin mithilfe der weiblich-weiblich-Kabel, die Kabel, die jedoch in die Teckleisten gehen, benötigen ein männliches Ende. Hier muss zusätzlich noch die schwarze Kunststoffhülse abgezogen werden, damit der Pin in die Leiste passt. Dazu mit einem spitzen Messer o.Ä. den kleinen Haken an der Seite der Hülse anheben. Jetzt lässt sich die Hülse abziehen (wird jedoch dabei in der Regel zerstört).


Der Verkabelungsplan sieht wie folgt aus:

• Äußerer Netzteilpin –> Steckleiste 1
• Innerer Netzteilpin –> Steckleiste 2
• Relais: GND – Steckleiste 2
• Relais: + -> Steckleiste 1
• Relais: S -> Arduino Pin D8
• Drehencoder: + -> Steckleiste 1
• Drehencoder: GND -> Steckleiste 2
• Drehencoder: CLK -> Arduino Pin D5
• Drehencoder: DT -> Arduino Pin D6
• Drehencoder: SW -> Arduino Pin D7
• Display: GND: -> Steckleiste 2
• Display: VCC: -> Steckleiste 1
• Display: SCL: -> Arduino Pin A5
• Display: SDA: -> Arduino Pin A4
• Arduino: Pin 5V -> Steckleiste 1
• Arduino: Pin GND -> Steckleiste 2

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Außerdem müssen noch zwei Kabel jeweils in die mittlere und äußere Klemme des Relais geschraubt werden. An das äußere Kabel wird ein weiblicher Flachstecker gelötet, an das mittlere ein männlicher Flachstecker. Die Längen des Kabels kann man zuvor abschätzen, indem man die Platine in die geöffnete Maschine legt.


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Wir sind fast fertig mit unseren Vorbereitungen, es muss nur noch die Firmware auf dem Arduino installiert werden. Dafür wird die Software „Arduino IDE“ benötigt, die kostenlos aus dem Windows Store oder direkt von www.arduino.cc heruntergeladen werden kann.


Mit diesem Programm öffnen wir nun die von mir geschriebene Firmware namens „Timer-Steuerung.ino“. Der Arduino muss außerdem mit einem Mini-Usb-Kabel an den Computer angeschlossen werden. Bevor die Software hochgeladen werden kann, müssen noch einige Vorbereitungen getroffen werden: Unter dem Reiter „Werkzeuge“ -> „Board“ muss „Arduino Nano“ ausgewählt sein, unter „Prozessor“ „ATMEGA328P“. Ebenfalls im Reiter „Werkzeuge“ muss jetzt „Bibliotheken verwalten…" ausgewählt werden. Dort sucht man in der Suchleiste nach „Adafruit_GFX“ und „Adafruit_SSD1306“ und installiert beide Bibliotheken über die entsprechende Schaltfläche.


Jetzt braucht man nur noch auf den Pfeil oben links zu klicken und die Firmware wird auf den Controller geladen. Eventuell spuckt die Software eine Fehlermeldung aus, dann am besten den Fehler googeln, im Internet gibt es haufenweise Anleitungen, die einen eventuelle Fehler schnell beheben lassen.


Meldet die Software, dass die Firmware erfolgreich hochgeladen wurde, kann man direkt die Funktionen testen: Das Display sollte 30 anzeigen, die Zahl sollte mit dem Encoder einstellbar sein, und wenn der Encoder gedrückt wird, müsste das Relais deutlich hörbar schalten, das Display die Sekunden bis zur eingestellten Zeit mitzählen und nach Ablauf der Zeit das Relais erneut schalten. Klappt alles, geht es jetzt an den Einbau. Wenn etwas nicht funktioniert, überprüfe die Verkabelung noch einmal gründlich und melde dich ansonsten bei mir.


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Der Einbau
Der Einbau selbst ist von der Maschine, die Du verwendest abhängig, daher kann ich hier nur ein paar allgemeine Hinweise geben. Im Detail werde ich den Einbau für die Gaggia Classic, die ich selbst verwende, beschreiben.


Grundsätzlich müssen die beiden Kabel am Netzteil jeweils an die Phase und den Nullleiter in der Maschine angeschlossen werden. Das gelingt am besten zum Beispiel am Stromverteiler hinter dem Netzanschluss oder auch am Hauptschalter. Im Falle der Gaggia Classic löten wir eines der Kabel an den untersten Stecker des Stromverteilers im Rücken der Maschine, das andere löten wir an den zweiten Stecker von oben, ganz links, also auf der Seite des Ein/Aus-Schalters. Das Löten geht leicht, indem man das Kabel des Netzteils direkt mit einem leichten Winkel zur Seite an den Kabelschuh des Kabels lötet, das bereits dort steckt. Wichtig ist, dass das Kabel so steht, dass ein Kontakt mit anderen Kabeln und ein Kurzschluss ausgeschlossen sind.


Um das Relais anzuschließen, muss es zwischen den Pumpenschalter und die Pumpe selbst geschaltet werden. Bei der Classic zieht man den obersten Stecker ganz rechts, also auf der Seite des Pumpenschalters, ab und steckt dort das äußere Relaiskabel an. In den leeren Stecker, den man zuvor vom Schalter abgezogen hatte, wird stattdessen das zweite, mittlere Relaiskabel gesteckt.




Damit ist die Platine fertig an die Maschinenelektrik angeschlossen! Jetzt braucht man nur noch das Display und den Encoder nach außen zu führen; ich habe das Displaykabel durch das Gitter auf der Rückseite geführt und für den Encoder ein Loch in die Seite der Maschine gebohrt; letztlich müsst ihr entscheiden, an welcher Stelle ihr die beiden Geräte platzieren wollt, und ob ihr dafür das Gehäuse beschädigen wollt.




Die Platine selbst habe ich neben die Pumpe auf den Boden der Maschine gelegt und mit Klebestreifen fixiert. Prinzipiell kann man sich hier einen beliebigen Ort aussuchen, solange alle Kabel ohne Zug bleiben, keine Kunststoffteile unmittelbar neben dem Kessel liegen und nichts im Betrieb gegen die Pumpe drücken kann.




Fertig! Beim Anschalten der Maschine sollte jetzt mit einer leichten Verzögerung auch das Display angehen und die Zeit über den Encoder einstellbar sein. Wer will, kann sich jetzt noch das Drehrad für den Encoder ausdrucken (lassen) und auf den Zapfen stecken.




Und so wird der Timer benutzt:
Bei jedem Einschalten zeigt das Display die voreingestellte Zeit von 30 Sekunden an. Mit dem Drehregler lässt sich die Zeit in Sekundenschritten beliebig ändern. Sobald der Pumpenschalter der Maschine eingeschaltet ist, kann die Pumpe durch den Arduino geschaltet werden. Bei einem Druck auf den Drehregler wechselt das Display in den Zählmodus und zählt die Sekunden bis zur voreingestellten Zeit mit. In dieser Zeit schaltet das Relais die Pumpe ein. Nach Ablauf der Zeit wird im Display "Stopp" angezeigt und die Pumpe wieder ausgeschaltet und das Magnetventil geschaltet.
Will man den Bezug vorzeitig abbrechen, genügt ein weitere Knopfdruck auf den Drehregler und die Pumpe stoppt.
Nach jedem Stopp kehrt das Display wieder in die Zeitauswahl zurück und zeigt die jeweils zuletzt eingestellte Zeit an. Mit dem Schalten des Netzschalter schaltet sich schließlich auch der Timer aus.

Ich hoffe diese Anleitung inspiriert den einen oder anderen, es selbst einmal zu probieren, und die eigene Maschine nachzurüsten. Zwar ist der Zusammenbau nicht trivial und benötigt ein paar Stunden, es ist jedoch kein Hexenwerk und gerade wenn man die Bestellung der Teile sorgsam plant und zum Beispiel direkt in China bestellt, kostet das gesamte Projekt nicht mehr als 20 Euro!

Schreibt mir gerne Eure Erfahrungen, Fragen und Anregungen!​

 

Bisher gibt es keine Möglichkeit, die eingestellte Zeit während des Bezugs zu verändern, aber sinnvoll wäre das tatsächlich. Bei Gelegenheit programmiere ich das noch ein.

Einen Countup fände ich wiederum überflüssig: Ich will ja gerade nicht neben dem Bezug stehen müssen, da fände ich deinen Vorschlag mit der parallel verstellbaren Zeit absolut ausreichend, um auf Unvorhergesehenes reagieren zu können. Im Zweifelsfall kann man ja auch die Zeit mit einem kleinen Schwung am Drehschalter erheblich verlängern, auf 50 Sekunden oder so, und ist damit auch "gewappnet".

Das Display-Kabel ist länger als man denkt, ein Teil davon ist im Inneren der Maschine verborgen. Ausfälle hatte ich noch nie, ich muss jedoch manchmal die Kontakte am Display zurechtzuppeln, weil die Stecker recht locker darauf sitzen und allmählich abrutschen. Das muss ich noch fixieren.

Edit:. Für den Fall dass das nicht deutlich geworden ist: Der Timer ist jetzt schon ein Countup, er zählt die Sekunden hoch, bis er die eingestellte Zeit erreicht, nicht runter. So kann man die bereits vergangene Zeit wie bei wohl jedem anderen handelsüblichen Timer beobachten.

 

Den Hinweis gibt's:

Den 3D-Druck kann ich auch übernehmen, ich biete auch seit längerem an, den Trichter für die Bezzera BB005 von @Kaffeeviertel zu drucken. Ansonsten verweise ich hier gerne auf den Thread
3D druckende Espresso-Nerds ... in dem sich diverse Mitglieder mit 3D-Drucker tummeln und auch sicher bereit wären, für andere User die erforderlichen Teile herzustellen.

 

Update:

Nach nun etwas über einem Monat der Dauernutzung haben sich ein paar Dinge ergeben, die ich wichtig finde, hier noch zu erwähnen:

Die Vibrationspumpe sorgt im Betrieb für Störsignale in der Elektronik und kann den Arduino zum Absturz bringen. Die Maschine muss dann einmal aus und wieder angeschaltet werden, um zum Beispiel den laufenden Bezug zu stoppen. Ich muss dazu sagen, dass der Timer bei mir in der Konfiguration wie ich es hier gepostet habe, nie einen Aussetzer hatte, inzwischen habe ich das ganze jedoch um einen arduinogesteuerten Pumpenregler und einen Drucksensoranschluss (Sensor ist eingerichtet aber noch nicht eingebaut) erweitert.
Es ist unwahrscheinlich, dass man in der Originalkonfiguration Probleme bekommt, hier sind trotzdem ein paar Tipps, mit denen sich das Setup allgemein störungsunempfindlicher machen lässt:

• Die Elektronik sollte so weit weg wie möglich von den Kabeln an der Vibrationspumpe liegen. An irgendeinem Punkt muss natürlich zwangsläufig eines der Kabel an das Relais angeschlossen werden, aber je weiter weg das von der Pumpe selbst passiert, desto besser.
• Das Displaykabel wirkt bei mir wie eine Antenne, grundsätzlich habe ich nie Störungen wenn das Displaykabel (und damit auch das Display) vom Arduino getrennt sind. Da ich mein Display aus Versehen kaputt gemacht habe, betreibe ich den Timer zur Zeit ohne Display, was auch prima funktioniert. Wenn man jedoch nicht darauf verzichten will, sollte man die Jumperkabel durch ein abgeschirmtes, 4-adriges Kabel ersetzen. Dasselbe gilt für die Kabel zum Drehencoder, wobei dieser bei mir sehr weit weg von der Pumpe verlegt ist. Aber auch hier gilt: Wenn es zu Störungen kommt, oder zum Beispiel der Timer von Geisterhand startet, kann hier wahrscheinlich ein abgeschirmtes Kabel helfen.

Darüber hinaus habe ich nichts kritisches zu berichten. Auch die Wärme im Inneren der Maschine scheint von allen Komponenten gut vertragen zu werden.
Ich werde bald mal einen ausführlicheren Post über den erweiterten Timer mit Drucksteuerung schreiben. Aktuell gibt es da noch Optimierungsbedarf. Auch das Firmwareupdate mit der Möglichkeit die Zeit während eines laufenden Bezugs zu ändern, sowie ein Video vom Betrieb, habe ich nicht vergessen. Aktuell fehlt nur leider die Zeit (und ein funktionierendes Display).

 

Ganz oben unter "benötigtes Zubehör" findet sich ein Dropbox-Link, dort habe ich die Datei hochgeladen.

 

Hi! Das geht, kein Problem. Du hast zwar die Möglichkeit, die Druckfunktion des Encoders zu nutzen, kannst aber genauso gut einen anderen Taster an den Arduino anschließen. Die Funktionen des Encoders sind voneinander entkoppelt.

 

Viel Spaß und Erfolg! Ich bin gespannt auf deine Ergebnisse.
Was den Mühlentimer betrifft, solltest du im Kopf haben, dass die Firmware darauf eingestellt ist, ganze Sekunden zu zählen und einzustellen. Es wäre kein großer Aufwand, den Quelltext zu ändern und zum Beispiel ein Einstellen auf Zehntelsekunden zu ermöglichen (der integrierte Timer, auf den der Arduino zurückgreift, zählt in Millisekunden), du musst dafür aber natürlich ein bisschen in C++ programmieren können.