Projektvorstellung: Eigenbau der Elektronik für Vivaldi S1

Nachdem die elektronische Steuerung meiner Vivaldi vergangenes Jahr anfing zu spinnen und es im Fachhandel anscheinend unmöglich war verbindlich Ersatz zu einem vertretbaren Preis mit vertretbarer Lieferzeit zu bekommen, habe ich begonnen, ein Projekt zu realisieren, dass mir schon seit Jahren im Kopf herum geisterte.


Ein kompletter Ersatz der Elektronik durch einen Eigenbau auf Basis eines Standard-Microcontrolers

Dabei hatte ich mir folgende Vorgaben gemacht:

• die Peripherie der Vivaldi soll 1:1 weiter verwendet werden, z.B. Display, Thermofühler, Flowmeter..

• 1:1 Anschlusskompatibilität zur Originalhardware

• passend für das Original Gehäuse

• modularer Aufbau, d.h. bei Defekt soll jede Komponente schnell mit geringen finanziellen Aufwand gewechselt werden können

Zunächst dachte ich an einen Arduino, da ich mit diesem Controller bereits kleinere Projekte realisiert hatte. Da aber bereits die Display-Einheit der Vivaldi 10 LEDs und 5 Buttons hat, entschied ich mich für eine Raspberry, da dieser deutlich mehr Eingänge bzw. Ausgänge hat.

Im Gegensatz zum Arduino, der quasi sofort nach dem Einschalte startklar ist, muss beim Raspberry zwar erst das Betriebssystem gebootet werden, da ich die Maschine aber nicht ständig vom Strom nehme, ist das aus meiner Sicht ein vertretbarer Nachteil. Im Gegenzug bekommt man ein vollwertiges, flexibles System, dass man quasi unbegrenzt erweitern kann.

Meine Wahl fiel auf den Raspberry Pi zero W

der ist deutlich kleiner als der Standard-Raspberry, hat ausreichend Rechenpower und bringt bereits WLAN mit. Das erleichtert mir einerseits die Pflege der Software, weil ich mich jederzeit per SSH mit der Maschine verbinden kann und eröffnet mir andererseits später die Möglichkeit die Maschine mit einem eigenen Webinterface auszustatten. Kosten: ca. 25,- Euro

Zunächst habe ich erst mal bei udemy einen guten Kurs zum Thema KI-Cad gebucht um das ganze Projekt mit ordentlichen Schaltplänen und einem richtigen Platinenlayout zu versehen. Kosten ca. 15,- Euro

Dann mal analysiert, wie die Display-Einheit funktioniert:

Anscheinend waren auch in der Original-Elektronik die I/O-Ports Mangelware. Daher sind die LEDs als 5x2 Matrix verschaltet. Brauche also statt der ursprünglich geplanten 10 Ports nur 7 und muss die Ansteuerung per Software realisieren.

In einem Versuch mit kochendem Wasser, welches ich habe langsam abkühlen lassen habe ich die Temperatur-Widerstandskurve der beiden Thermo-Widerstände ermittelt und dann die Konstanten ermittel, so dass ich aus den gemessenen Spannungswerten direkt die jeweilige Temperatur ermitteln kann.

Der fertige Plan für das Projekt sieht dann so aus:


Beim 230V Teil habe ich mich an der Original-Platine orientiert. Den Trafo mit Gleichrichter und Spannunsreglern habe ich allerdings durch ein fertiges 5V Schaltnetzteil ersetzt.

Den Niederspannungsteil habe ich komplett von 12V auf 5V umgestellt. Sowohl das Flowmeter als auch die SSRs funktionieren prima mit 5V.

Die Ansteuerung der beiden Heizungen erfolgt weiter über die original SSRs, die ich per Optokoppler anspreche. Auch für das Flowmeter nehme ich einen Optokoppler.

Die Optokoppler verwende ich mit Sockel, so dass sie bei Defekt leicht getauscht werden können.

3 Stck. 4N27, Kosten ca. 5 Euro zusammen mit Sockel.

Die fest verbauten Relais ersetzte ich durch ein 4fach Relaisboard mit Optokopplern, was direkt am Raspberry angeschlossen werden kann. Dadurch kann ich das Modul bei Defekt leicht austauschen, ohne wieder löten zu müssen. Kosten ca. 10,- Euro

Da der Raspberry keinen analogen Eingang hat, brauche ich noch einen DA-Wandler:

Meine Wahl fiel auf einen ADS115, den es überall im Netz für 5-6 Euro zu kaufen gibt. Der hat zwar 4 Ports statt der benötigten 2, ist aber schön billig und es gibt bereits fertige Python-Module um in softwaremäßig auszulesen.

Flachstecker waren im Elektronikladen gut zu bekommen. Die Abstandshalter-Leiste, welche die Stecker gleichzeitig isoliert, konnte ich nirgendwo finden.

Zum Glück gibt es 3D Drucker.


Die fertige Platine sieht dann so aus, wenn Sie aus dem Werk kommt. (Habe gleich mal eine zweite in Reserve mitbestellt)

und so, wenn sie bestückt ist.

Die Schraubkontakte sind zum Anschluss der Relaisplatine.

Leider habe ich beim Platinendesign einen falschen Footprint für die Spule des Entstörfilters gewählt. Daher musste ich beim Bestücken einen kleinen Adapter löten.

Bei der Beschaltung des AD-Wandlers habe ich eine Leiterbahn falsch gezogen, so dass ich sie auf der Platine wieder trennen und durch eine Überbrückung an anderer Stelle ersetzten musste. Das stellt aber kein Problem dar. Sollte ich je die Platine noch mal neu drucken lassen, wird das natürlich korrigiert.

Die Programmierung habe ich erstmal in Python erledigt. Das hat aus meiner Sicht die steilste Lernkurve und es waren genug neue Dinge, die ich lernen, verstehen und umsetzten musste.

Eine Umsetzung in C oder Rust wäre aber denkbar und irgendwie juckt es mich auch schon in den Fingern Wenn man nur mehr Zeit hätte….

Was kann meine Vivaldi schon (wieder), was kann sie nicht:

• Die Temperatur der Brühgruppe hat bereits eine Software PID-Regelung, die individuell angepasst werden kann.
  
  
• Bezugsdauer über Zeit, Flowmeter oder Manuell möglich für 1 und zewi Tassen.
  
  
• Pre-Infusion konfigurierbar
  
  
• Zeitsteuerung zum Ein- und Ausschalten der Maschine über cron
  
  
• Per SSH kann die Maschine von der Kommandozeile an- und ausgeschaltet werden.
  
  
• Boiler-Abschaltung habe ich nicht realisiert, da ich die nicht brauche. Kann mit 3 Zeilen Code aber noch ergänzt werden.
  
  
• ECON Mode wurde nicht realisiert, da ich über eine 230V/16A Sicherung verfüge und Brühgruppe und Boiler gleichzeitig heizen dürfen.
  
  
• Durch das 230V Schaltnetzteil ist die Maschine nicht mehr in allen Ländern verwendbar. Für 110V Versorgungsspannung müsste das Schaltnetzteil getauscht werden.

Fazit:
Das war mein bisher größtes Projekt. Einige Skills musste ich mir erst aneignen. Es hat länger gedauert als gedacht und es gibt ein paar Dinge, die ich beim nächsten mal besser oder anders machen würde. Versierte Bastler oder Fachleute werden vermutlich an der einen oder anderen Stelle die Hände über dem Kopf zusammenschlagen. Konstruktive Tips nehme ich gerne an

Glücklicherweise war keiner meiner Fehler so schwerwiegend, dass ich ihn nicht hätte korrigieren können. Die Maschine läuft zuverlässig und gibt mir zukünftig noch viele Möglichkeiten, Funktionen zu erweitern oder nachzurüsten. Das Projekt hat jede Menge Spaß gemacht und ich habe viel gelernt. Die reinen Materialkosten liegen bei ca. 150,- Euro und betragen damit nur einen Bruchteil des Preises, den eine Ersatzelektronik gekostet hätte. Das Konzept ist sicher auch für andere Maschinen brauchbar. Würde mich sehr freuen, wenn der eine oder andere die Idee aufgreift oder als Basis für etwas besseres verwendet.


Kostenüberschlag:

Platinenfertigung: 50,- Euro
Raspberry Pi zero W: 25,- Euro
SD-Karte: 10,- Euro
ADS1115 D/A Wandler: 6,- Euro
Relaismodul: 10,- Euro
Schaltnetzteil: 10,- Euro
Optokoppler: 5,- Euro
Kleinteile: 25,- Euro

 

hallo ccce4,

sobald die Software aus der Beta-Phase raus ist, werde ich das gesamte filesystem per raspi-config auf readonly setzen. Dann macht er ein RAM-overlay FS für die Schreibzugriffe, die er noch braucht. Das sollte das SD-KartenProblem weitestgehend erledigen. Ansonsten ist eine Reserve SD natürlich immer eine gute Idee.

corona hat mir glücklicherweise eher mehr Arbeit als weniger beschert. Daher hat das Projekt auch fast ein Jahr gedauert. Bin zwischendurch monatelang nicht dazu gekommen.
Und wie beschrieben, musste ich erst mal lernen, wie man mit KiCad umgeht und Platinen entwirft. Geht ja ohne Vorkenntnis auch nicht von heute auf morgen.

Ich hatte glücklicherweise nicht so einen großen Leidensdruck. Das Problem bei der Elektronik war, dass die Pumpe nicht mehr ausging (Am Relais lag es nicht). Ich habe dann kurzerhand einen zusätzlichen Schalter in den Stromkreis der Pumpe eingebaut und musste die dann manuell schalten.


Wenn ich mich richtig erinnere, lag die neue Elektronik beim Händler irgendwo über 400 Euro. Das blöde war, dass der Händler mir trotz Seriennummer nicht sicher sagen konnte, ob die neue Elektronik passt und er die Rücknahme bei Nichtkompatibilität ausschließen wollte. Das ganze dann noch kombiniert mit damals 8-10 Wochen Lieferzeit.
Das war zu der Zeit, als Italien kurz vor dem ersten Lockdown stand - Liefertermin also ungewiss.

Ich habe mir dann ernsthaft die Frage gestellt, wozu man solche "Fachhändler" braucht.

Jetzt bin ich glücklich, habe viel gelernt, einen Haufen Geld gespart und kenne meine Vivaldi inzwischen in und auswendig. Egal, was jetzt kaputt geht, ich bin gewappnet.

LG
cremofix

 

Der Preis war das eine, von einem Fachhändler erwarte ich allerdings, dass er sicherstellt, dass ein Ersatzteil auch passt und es dann, falls nicht, auch zurücknimmt. Das war eigentlich das ausschlaggebende.

Die Instandsetzung der alten Originalelektronik steht demnächst auf dem Programm. Das Relais habe ich getestet. Die vorgeschalteten Bauteile noch nicht. Muss die mal genau identifizieren und schauen, wo es ggf Ersatz gibt. Bin im SMD-Löten leider nicht so fit. Noch ein Skill, den ich mir aneignen möchte, wobei ich da vermutlich meine Grenzen haben werde. Schlechte Augen und zittrige Hände

 

Ich habe den jetzt, wie dir Original Elektronik dauerhaft am Netz.
Daher muss ich nur selten booten und ich kann die bordeigenen Linuxtools weiter nutzen.
Ich regele z.B. die gesamte Zeitsteuerung über cron.
Früher hatte ich die Maschine an einer WLAN Steckdose. Der ganze Kram mit Einschaltwischer etc. ist nun weggefallen.

 

Es kann durchaus sein, dass das ein elektronischer Overkill ist
Meine Überlegung war weniger die Entkopplung aus Sicherheitsgründen, sondern die Tatsache, dass ich nicht weiß, wie zuverlässig, die SSRs am unteren Limit der Eingangsspannung sind und ob es da evtl. Probleme mit der maximalen Stromlast am GPIO gibt. Mit 5V hatte ich sie getestet.
Kurzum, reine Unwissenheit kombiniert mit fehlender Erfahrung.
Nun habe ich die SSRs an 5V liegen und definitiv keine Probleme mit dem Strom. Sicher ist sicher.
Die optos hatte ich noch hier rumliegen, war also kein wirklicher Mehraufwand. Es war auch nicht das primäre Ziel, mit mgl. wenig Bauteilen auszukommen.
Ich denke, es gibt noch an diversen Stellen Verbesserungspotential.

 

Im vorliegenden Fall war es sogar einer der bekannten Online-Händler, die mit Ersatzteilen für La Spaziale am Markt sind.
Fa. Endreß hat ganz korrekt geantwortet, dass man die zentrale Steuereinheit nicht besorgen kann. Das war zwar schade aber geschäftlich total anständig und sauber reagiert. Damit kann ich super leben.

Der andere (ich nenne bewusst keine Namen) wollte irgendetwas liefern, den Umtausch aber von vorne herein ausschließen. Keine Ahnung, ob das juristisch überhaupt geht bei Geschäften mit Privatkunden. Ist mir aber auch egal. Damit ist er bei mir unten durch. Ende Gelände - Kein Pardon

@Iskanda : Klar, wenn es Lieferengpässe gibt, keine Frage, dann dauert es halt. Und dass es in Italien vergangenes Jahr schlimm aussah, wissen wir alle. Umso mehr freut es mich, mit dem Projekt zu zeigen, dass man sich von solchen Faktoren nicht unbedingt abhängig machen muss. Es geht auch anders. Vielleicht kommt hier im Forum ja auch genug Know How zusammen, um so etwas auch für versierte Laien interessant zu machen. Ein großer Teil der Arbeit ist getan. Darauf können andere ja aufbauen, wenn sie mal ähnliche Probleme haben.
LG
cremofix

 

Hallo KaffeeKult,
Das Teilen ist kein Problem, Das Projekt liegt schon komplett im "git", Habe es nur noch nicht öffentlich gemacht, weil immer noch zu viel am Code nicht ganz fertig ist.
Ich nutze aktuell z.B. die Threading Bibliothek, bin mir aber noch nicht sicher, ob ich das so lasse oder ob ich nicht einfach, eine große Schleife mache. Die Threads bergen immer das Risiko einer race condition, wenn man beim Programmieren nicht höllisch aufpasst. Da ich aber im Alltag kein Programmierer bin, schleichen sich doch immer mal wieder Fehler in den Code ein. (Ein erfahrener Proggi wird beim Anblick meines Codes vermutlich die Hände über dem Kopf zusammenschlagen )

Die SW Lösung für die Boilerbefüllung ist z.B. auch so ne Sache. Sie passt zu meinem Nutzungsverhalten, da ich so gut wie nie Warmwasser beziehe. Ich habe den GPIO für den Füllstandssensor nun einfach per PullDown auf GND gelegt, wodurch im Normalbetrieb keine Spannung mehr anliegt. Somit auch keine Korrosion. Sporadisch schalte ich den Sensor dann wieder an, bis der Tank ausreichend voll ist (bei mir ist das derzeit vom Eintauchen des Sensors ins Wasser noch 15sec.) Dann habe ich wieder ein zwei Tage Ruhe.
Wenn man nun aber Heißwasser bezieht, müsste man das anpassen. Habe ich aber noch nicht gemacht, weil ich es, wie gesagt nicht benötige.

Zu Deinen Erweiterungen:
Standbymode mit reduzierter Temperatur ist schon realisiert

Die Rückspülfunktion hatte ich früher mal an der Original-Elektronik mit einem Arduino realisiert, der zum Reinigen mehrfach mit Pausen gepumpt hat und nach dem Entfernen des Blindsiebes mehrfach gespült. Das steht hier auch noch auf der Liste.

Getrenntes Schalten der Boiler ist im Allgemeinen durchaus sinnvoll, bei mir aber unnütz, da ich immer Milchkaffee oder Cappu trinke In der Originalmaschine ist die trennfunktion in erster Line ja auch drin, weil die Amis oft schlecht abgesicherte 110V Leitungen haben, da fliegen die Sicherungen raus, wenn beide "Brenner" gleichzeitig an sind. Da wir i.d.Regel aber 230V/16A Absicherungen haben. Sollte in die offizielle Version aber unbedingt rein. Schadet ja nicht. Ich habe mir die Boilertaste aktuell frei gehalten, um evtl noch andere Sachen zu steuern. Mal sehen, ob ich da mal zu komme.
Befüllen des Boilers über Leitungsdruck wäre einfach. einfach im Code den MV-Pumpe.on() Befehl auskommentieren Dann geht nur das MV auf.

Das automatische Einschalten ist im Grunde schon drin.
Ich habe das Steuerprogramm vivzero.py über systemd laufen,Beim Starten des RAspi, der ja beim Einschalten des Stroms immer angeht, wird die Software also gleich mit gestartet.
Die Zeitsteuerung geht über cron, da muss nur ein @reboot rein und schon geht das gute Ding beim Booten an.

Ich würden das ganze aber nicht an eine WLAN-Steckdose packen. Raspis mögen es nicht so gerne, einfach vom Strom genommen zu werden ohne sauberen shutdown. Der PiZero benötigt so wenig Strom, dass ich ihn einfach an lasse. vermutlich braucht der auch nicht viel mehr als die WLAN-Steckdose.

LG
cremofix