final report in color

21
Group #15 Group Members: Nadene Crain Kristen Ossolinski Rebecca Stock December 13, 2014 Fall 2014 Perfect Tea Maker

Upload: kristen-ossolinski

Post on 09-Aug-2015

42 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: final report in color

           

   

 

Group  #15  Group  Members:  Nadene  Crain  

Kristen  Ossolinski  Rebecca  Stock  

 December  13,  2014  

Fall  2014  

 

Perfect  Tea  Maker  

 

Page 2: final report in color

          page  2        

 

   

                                                         

Page 3: final report in color

          page  3        

 

   

Table  of  Contents    Table  of  Contents………………………………………………………………………………………………………………………3  Design  Summary………………………………………………………………………………………………………………….……4  System  Details………………………………………………………………………………………………………………………..…6  Design  Evaluation……………………………………………………………………………………………………………..……..10  Partial  Parts  List……………………………………………………………………………………………………………………...13  Lessons  Learned……………………………………………………………………………………………………………………...14  Appendix………………………………………………………………………………………………………………………………...15                                                            

Page 4: final report in color

          page  4        

 

   

Design  Summary    

Group  15’s  Mech  307  project’s  goals  were  to  make  a  perfect  tea  maker.    The  greatest  

challenges  with  brewing  the  perfect  tea  is  allowing  correct  steep  time,  having  freshly  boiled  water  

at  210  deg,  and  making  tea  that  makes  exactly  one  cup.    These  challenges  set  the  design  criteria  for  

the  project.    This  modern  tea  maker  was  designed  to  blend  into  today’s  modern  urban  society  and  

allow  consumers  to  enjoy  a  cup  of  tea  with  no  hassle.  

The  device  works  by  an  IR  sensor  detecting  if  the  cup  is  in  place  or  not.    If  the  cup  is  not  

there  two  LEDs  will  flash  and  end  the  program.    If  the  cup  is  present,  the  start  button  can  be  

pressed  and  water  will  exit  a  reservoir  into  a  water  heater  chamber  and  then  dispensed  into  the  

cup.    Once  the  cup  is  filled  with  boiling  water  a  mechanism  will  lower  a  tea  bag  into  the  cup  and  

the  tea  will  steep  for  the  allowed  time.  Once  the  time  is  up,  the  motor  will  raise  the  tea  bag  and  the  

tea  will  be  ready  to  consume.  The  Perfect  Tea  Maker  creates  one  cup  of  either  herbal  or  black  tea  

at  a  time  with  no  mess.    

The  overall  design  of  the  tea  maker  was  formed  into  the  letters  “T”,  “E”  and  “A”  as  seen  in  

figure  1.    Each  letter  served  an  important  function  in  the  tea  brewing  process.    The  T  encased  all  of  

the  manual  inputs  and  electronics.    This  was  designed  to  keep  the  water  and  electronics  separate.    

On  the  stem  of  the  T,  there  is  storage  for  an  extra  cup  and  extra  tea  bags,  making  it  easy  to  brew  

another  cup.    The  E  braces  the  water  reservoir  which  connects  to  the  heater.    The  heater  is  located  

directly  below  the  A.    The  A  allows  space  for  the  cup,  room  for  the  tea  bag  to  be  dropped  from  the  

top  and  water  to  be  dispensed  into  the  cup.    

Page 5: final report in color

          page  5        

 

   

 Figure  1:  Project  Structure  

                                         

Water  Reservoir  

Hot  Plate  

Tea  Bag  Mechanism  

Start  Button/  

Tea  Selector  

Tea  bag  Storage  

LED  Indicators  

Page 6: final report in color

          page  6        

 

   

System  Details    Heater  

 Figure  2:  Heater  

Figure  2  displays  the  critical  part  of  the  project  that  heats  the  water.    The  heater  only  allows  water  to  enter  the  cold  valve  and  exits  through  the  hot  valve  because  it  is  a  one  way  valve.      In  the  process  water  becomes  boiling  hot.  The  bimetallic  thermal  cut  off  connecters  are  a  mechanism  that  cuts  the  power  to  the  heater  if  the  heater  reaches  a  temperature  grater  than  216C.      

Page 7: final report in color

          page  7        

 

   

 Figure  3:  Power  

This  diagram  shows  the  power  source  and  relay  connections  for  the  project.  As  seen  in  the  wiring  

diagram,  the  output  from  the  PIC  turns  on  a  transistor,  which  connects  two  9V  batteries  wired  in  

series  to  ground.  This  allows  sufficient  current  to  flow  through  the  relay  to  close  the  switch  and  

connect  120V  to  the  heater.  Once  converted  to  5V  DC,  power  is  provided  to  the  components  on  the  

breadboard  through  the  leads  shown.  

                       

Page 8: final report in color

          page  8        

 

   

 Mechanism:  Pulley  

 Figure  4:  Mechanism  

Figure  4  displays  how  the  pulley  mechanism  works.    First  the  motor  is  turned  on  counter  clockwise,  then  the  string  passes  through  the  pulley  which  then  drops  the  tea  bag  strainer  into  the  cup.    Once  the  tea  is  finished  brewing,  the  motor  then  runs  clockwise  and  lifts  the  tea  strainer.    Breadboard      

 Figure  5:  Breadboard  

Figure  5  presents  the  breadboard  of  the  working  tea  maker.  It  displays  the  actual  circuit  components  and  where  they  are  placed.  

16F88  PIC  

H-­‐Bridge  

Transistor  to  turn  on  relay  

Two  9V  batteries  

connected  in  series  

9V  power  

5V  power   Capacitor  to  

amplify  speaker  

Speaker  

Pulley  

Tea  strainer  

Motor  

Page 9: final report in color

          page  9        

 

   

 Block  Functional  Diagram  

 Figure  6:  Block  Functional  Diagram  

Figure  6  demonstrates  the  logic  behind  the  breadboard  and  the  inputs  and  outputs  of  the  system.    The  logic  behind  the  functional  diagram  is  found  in  the  appendix.    

 Figure  7:  IR  Sensors  

Figure  7  displays  when  the  IR  sensor  see  each  other  and  when  the  signal  is  interrupted.  

IR  pair  open    

IR  pair  interrupted  

Page 10: final report in color

          page  10        

 

   

Design  Evaluation    

There  are  multiple  design  considerations  for  developing  a  tea  maker.    The  first  is  to  make  it  

marketable.    A  single  cup  drink  device  is  gaining  popularity  in  todays  society  but  a  tea  maker  

which  can  boil  and  steep  the  tea  for  the  correct  time,  affordable  and  only  make  a  single  cup  is  

unheard  of.    To  keep  the  costs  down  so  more  consumers  could  enjoy  a  fresh  cup  of  tea  design  a  

simple  machine.  There  is  no  reason  for  an  over  priced  device  with  less  functionality.  

Output  Display  

A  visual  display  is  key  to  interact  with  the  user  and  indicate  how  the  tea  maker  is  

functioning.    An  LED  unit  is  integrated  into  the  system  to  signify  if  a  cup  is  present,  when  the  tea  is  

brewing  and  when  the  tea  is  finished.    When  a  cup  is  not  present  both  of  the  LEDs  will  flash  on  and  

off  twice  and  end  the  program.    This  is  a  safety  feature  which  prevents  water  to  boil  and  dispense  

with  out  a  cup  present.    A  LED  is  also  indicated  if  the  tea  is  actively  brewing.    This  indicator  stays  

on  during  the  entire  length  that  the  tea  bag  is  inside  the  cup.    This  lets  the  user  know  that  the  tea  is  

still  being  made  and  should  not  be  disturbed.    The  final  LED  indicates  when  the  tea  is  completely  

ready  and  finished  brewing.    When  this  light  turns  on,  the  tea  is  ready.  

Audio  Output    

Although  there  is  an  LED  which  indicates  visually  that  the  tea  is  ready  to  drink  the  song  

“I’m  a  little  Tea  Pot”  if  brewing  black  tea  was  also  important.  Since  this  is  the  modern  day  one  

press  button  tea  maker,  the  user  can  do  other  things  while  the  tea  is  brewing.    A  song  helps  display  

to  the  user  that  the  tea  finished  brewing  so  they  remember  to  drink  the  tea.    The  sound  is  loud  

enough  to  hear  across  multiple  rooms  but  not  too  loud  and  short  enough  not  to  be  annoying.    If  the  

song  that  plays  is  a  melody  scale,  it  means  the  tea  finished  brewing  herbal  tea.    There  are  two  

songs  that  indicate  both  tea  types.    The  speaker  is  software-­‐controlled  with  synthesized  music.    A  

PIC  sound  command  matches  note  frequencies  that  are  set  as  variables,  which  allows  the  program  

to  read  two  different  songs.    These  songs  can  be  changed  depending  on  the  user  specifications.    

The  volume  was  boosted  using  an  amplified  capacitor  circuit.    This  provided  the  perfect  frequency  

of  noise  to  indicate  the  tea  is  finished  brewing.    

Automatic  Sensors  

One  important  safety  feature  is  to  make  sure  the  tea  does  not  brew  if  there  is  not  a  cup  

there.    For  this  reason  the  most  logical  sensor  selection  was  a  photo-­‐optic  IR  detector  and  emitter  

Page 11: final report in color

          page  11        

 

   

pair.        This  automatic  sensor  detects  if  there  is  an  obstruction  between  the  pair.    When  there  is  

nothing  blocking  the  pair,  the  emitter  sends  out  an  infrared  laser  light  that  is  transformed  into  an  

electrical  current  and  is  detached  by  a  voltage  detector.    The  emitter  produces  a  certain  

wavelength  that  when  a  current  is  applied,  it  is  detected.  IR  detectors  act  similar  to  motion  

detectors  when  the  cup  is  in  range.  The  signal  is  reflected  back  to  the  emitter  and  the  program  

signal  goes  high  and  runs  the  program.    

 

Actuators  

One  important  function  of  the  tea  maker  was  to  brew  tea  for  the  correct  time.    To  achieve  

this  function,  an  actuator  two  phase  bipolar  stepper  motor  was  implemented.  This  motor  could  

successfully  raise  and  lower  the  tea  bag  slow  enough  not  to  swing  or  splash  the  bag.    There  are  

four  terminals  which  connect  the  motor  to  an  H-­‐bridge.    The  motor  provided  enough  torque  for  

the  job  had    difficulty  when  wanting  to  run  the  motor  both  clockwise  and  counterclockwise.    The  

magnetic  polarity  has  to  change  directions,  which  was  why  the  H-­‐bridge  was  necessary.  By  

purchasing  this  stepper  motor,  it  saved  on  cost  and  provided  functionality  but  provided  a  bit  more  

coding.      

Mechanisms  and  Hardware  

A  pulley  system  mechanism  and  hardware  was  implement  to  ensure  success  of  the  tea  bag  

lowering  from  the  motor  as  seen  in  figure  4.    The  first  pulley  is  horizontally  aligned  with  the  exit  

mode  of  the  motor.    The  pulley  system  keeps  the  weight  perpendicular  to  the  motor  shaft  .  Having  

a  pulley  placed  there  made  sure  there  were  no  snags  in  the  string  or  that  it  would  catch  on  

anything.    This  also  allowed  the  tea  bag  to  drop  directly  over  the  cup.    

Another  mechanism  was  incorporated  into  the  heater  as  seen  in  figure2,  a  one  way  valve  is  

engineered  into  the  heater  to  prevent  boiled  water  to  come  back  through  the  entrance  tube  or  

reservoir.    Having  this  mechanism  allows  pressure  to  buildup  and  force  the  water  out  the  other  

end  of  the  tube.    This  design  was  perfect  for  our  device  and  allows  water  to  flow  out  and  dispense  

into  a  cup  without  a  pump.    The  system  is  very  quiet  overall  and  space  efficient.    

 The  heater  mechanism  is  made  of  aluminum  tubing  that  is  heated  by  nichrome  wire.    The  

aluminum  gets  hot  enough  so  that  when  water  passes  all  the  way  through  the  aluminum  and  

arrives  boiling.    This  boiling  water  is  directly  dripped  into  the  cup.    

Power  Source  

Page 12: final report in color

          page  12        

 

   

The  power,  figure  3,    required  to  make  each  component  run  had  different  requirements.    An  

old  phone  charger  provided  a  voltage  source  110V  to  the  heater.    The  heater  required  the  most  

amount  of  voltage  to  continuously  heat  the  water    and  cup  and  it  had  to  be  a  constant  source.  A  5V  

regulator  is  used  to  convert  to  DC  for  the  PIC,  H-­‐bridge  and  all  other  components.    All  of  these  

components  do  not  take  much  to  power  so  5V  was  adequate.    After  multiple  tests  it  was  

determined  that  in  order  to  trip  the  relay  batteries  were  needed  to  boost  to  18V.    The  heater  is  

turned  on  when  the  relay  and  a  transistor  network  goes  high  from  the  PIC.    

Logic,  Processing,  and  control;  and  miscellaneous  

The  Perfect  Tea  Maker  uses  a  PIC  interfacing  with  an  H-­‐bridge  to  control  bipolar  stepper  

motor.    The  programmed  logic  used  is  PIC  Basic  Pro  to  code.    The  actual  code  is  located  in  the  

appendix.    The  functional  block  diagram  is  found  in  figure  6  and  the  software  flow  chart  is  in  the  

appendix.    The  program  is  relatively  simple  and  is  found  in  the  appendix.    There  is  a  safety  feature  

which  will  shut  off  the  heater  if  it  becomes  too  hot.    Two  bi-­‐metallic  safety  shutoffs  are  for  the  

heater  when  it  reaches  216F  to  prevent  over  heating  and  fire.  

In  todays  society  reduce,  reuse  and  recycle  are  important  and  when  designing  for  the  

modern  consumers  they  want  a  product  that  is  also  eco  friendly.    For  this  reason  an  interesting  

aspect  of  the  Perfect  Tea  Maker  is  it  extremely  thrifty.  Many  items  for  the  project  were  found  at  

the  local  thrift  store.    These  include  the  heater,  5V  converter,  warming  plate,  reservoir  for  water,  

tiles,  tea  cup,  tubing,  tea  storage  container  and  the  relay  from  a  printed  circuit  board.    Obtaining  

these  parts  from  second  stores  allowed  the  project  to  stay  well  under  budget  and  provided  instant  

feedback  if  they  were  to  work.    The  components  were  “upcycled”  and  composed  a  product  which  

is  truly  unique.      

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 13: final report in color

          page  13        

 

   

Partial  Parts  List  Overall  the  Perfect  Tea  Maker  was  designed  to  meet  the  standards  of  the  modern  society.    

The  projects  budget  stayed  under  $25  which  is  low  enough  to  make  a  profit  if  the  tea  maker  was  to  

sell  in  the  market.    The  project  remained  simple  with  an  open  concept  and  re  purposed  multiple  

items  to  make  the  device  like  the  flawless  traditional  maker  but  with  a  contemporary  twist.    The  

interesting  bill  of  materials  is  found  in  Table  1.  

 Table  1:  Partial  Bill  of  Materials  

Item  #   Part  Description   Model  #   Where  Purchased   Quantity   Cost  1.1   Bipolar  Stepper  Motor   ST-­‐PM35-­‐15-­‐11C   SparkFun.com   1    $      6.95    

1.2  Infrared  Emitter  and  Detector   LTE-­‐302   SparkFun.com   1    $      1.95    

1.3   Tea  Ball  Infuser   922TB120   Webstaurant  Store   1    $      1.49    1.4   Round  Magnet  Speaker   B008DS1UBO   Amazon.com   1    $      4.50    

1.5  Heating  Element-­‐from  Mr.  Coffee   N/A   ArcWay  Thrift   1    $      2.50    

1.6  AC-­‐DC  Converter-­‐from  phone  charger   N/A   ArcWay  Thrift   1    $      1.00    

1.7   H-­‐bridge   SN754410   SparkFun.com   1    $      2.35      

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 14: final report in color

          page  14        

 

   

Lessons  Learned  

The  Mech  307  project  provided  multiple  learning  experiences  throughout  the  semester.  

One  of  the  largest  lessons  is  in  regards  to  the  electronics.  For  all  of  us,  it  was  our  first  time  

programming.  A  whole  programming  language  was  learned  and  mastered.  Our  group  found  that  

everything  would  be  working  incredibly  well  then  suddenly  one  component  stops  working.  

Electronics  are  bound  to  burn  out  or  be  improperly  wired.  Although  this  is  frustrating  and  ate  

away  at  our  budget,  there  was  a  lot  learned  in  the  electronics.    More  times  than  not  the  project  

would  be  fine  just  the  power  was  never  plugged  in.    The  motto  for  the  semester  was  “If  it  works  

don’t  fix  it”.  In  addition,  when  ordering  parts  it  is  a  good  idea  to  order  two  quantities  of  every  

component.  One  thing  might  go  wrong  and  rather  than  waiting  a  week  for  the  part  to  come  in,  you  

already  have  it.  This  would  is  our  lesson  learned  and  hope  future  teams  take  replacements  into  

account  when  thinking  about  future  projects  with  a  strict  time  schedule.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 15: final report in color

          page  15        

 

   

Appendix    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Table  2:  I/O  List  

Page 16: final report in color

          page  16        

 

   

 

Figure  8:  Software  Flow  Chart  

Page 17: final report in color

          page  17        

 

   

 Figure  9:  Wiring  Diagram  

  Tea Maker Program:  'define  vaiables  start   Var   PORTB.0   'start  brewing  button  heater  Var   PORTA.0   'water  heater  motor  Var   PORTA.1   'stepper  motor  black   Var   PORTB.1   'black  tea  button  brew   Var   PORTA.2   'brewing  LED  speaker   Var   PORTA.3   'finished  brewing  sound  done   Var   PORTA.4   'finished  brewing  LED  cup          Var   PORTB.2   'sensor  incating  if  cup  is  in  place  one          var  PORTB.7  two          var  PORTB.6  three      var  PORTB.5  four        var  PORTB.4  i              var  byte          

Page 18: final report in color

          page  18        

 

   

   'musical  note  variables  ah   con   118  bh   con   119  ch   con   120  dh   con   121  a   con   108  b   con   110  c   con   112  d   con   114  e   con   115  f   con   116  g   con   117          'initialize  I/0  pins  TRISA  =  %0000  TRISB  =  %00001111    'staring  conditions  low  heater  low  one  low  two    low  three  low  four  low  brew  low  speaker  low  done    main_loop:    IF  (start  ==  0)  then          goto  main_loop   'wait  for  start  button  to  be  pressed      else          goto  cup_check      endif    cup_check:          

Page 19: final report in color

          page  19        

 

   

   If  (cup  =  0)  Then     'check  if  cup  is  in  place.  If  not,  blink  both  LEDs  2  times.     low  heater     'if  heater  is  on,  turn  off     low  done     'if  done  light  is  on,  turn  off     high  done           high  brew     pause  600     low  done     low  brew     pause  300     high  done     high  brew     pause  600     low  done     low  brew     goto  main_loop     'return  to  main  loop    else          goto  run       'When  start  is  pushed  and  cup  is  in  place  run.          Endif          run:  high  heater   'turn  on  heater    pause  6000   'wait  for  water  to  boil    pause  6000  pause  6000  pause  6000  gosub  lower   'turn  on  motor  to  lower  tea  high  brew   'turn  on  brewing  led  low  heater       'turn  off  heater      If  (black  =  0)  Then     pause  6000     pause  6000     pause  6000     pause  6000  

Page 20: final report in color

          page  20        

 

   

  pause  6000   'brew  herbal  tea  for  5  min               low  brew   'turn  off  brewing  light             gosub  lift   'turn  on  motor  to  raise  tea                     high  done   'turn  on  done  light                     sound  speaker,  

[c,20,e,20,d,20,f,20,e,20,g,20,f,20,ah,20,g,20,bh,20,ah,20,bh,20,ch,40,c,40]                     pause  150  'sound  finished    else     goto  Black_Loop  endif    Goto  main_Loop      lift:            For  i  =  1  To  20               low  one:  high  two:  low  three:  high  four                     pause  50                   low  one:  high  two:  high  three:  low  four                   pause  50               high  one:  low  two:  high  three:  low  four                     pause  50                   high  one:  low  two:  low  three:  high  four                       pause  50            Next  i     i  =  1  return    lower:          for  i  =  1  to  20                  high  one:  low  two:  low  three:  high  four                    pause  50                  high  one:  low  two:  high  three:  high  four                      pause  50                      low  one:  high  two:  high  three:  low  four                    pause  50                  low  one:  high  two:  low  three:  high  four    

Page 21: final report in color

          page  21        

 

   

               pause  50                    next  i    return    Black_Loop:                  pause  6000                  pause  6000                  pause  6000    'brew  black  tea  for  3  min                  low  brew  'turn  off  brewing  light                  gosub  lift                  high  done     'turn  on  done  light                  sound  speaker,  [c,30,d,10,e,30,f,10,g,40,ch,40,ah,40,ch,40,g,70]                  pause  10                  sound  speaker,  [f,40,f,30,f,10,e,40,e,40,d,40,d,30,d,10,c,70]                  pause  10                                sound  speaker,  [c,30,d,10,e,30,f,10,g,40,ch,40,ah,40,ch,40,g,70]                  pause  10                  sound  speaker,  [ch,60,ah,10,g,40,f,40,e,40,d,40,c,120]                  pause  150  'sound  finished    Goto  main_loop    End