Tee ist lecker und gesund. Wer sich auskennt oder des Öfteren einen Aufguss der Teepflanze getrunken hat weiß, dass sich mit der Ziehzeit der Geschmack variieren und auch der Teein-Gehalt beeinflussen lässt. Als Faustregel gilt: Je länger der Tee zieht, desto intensiver wird der Geschmack und desto geringer wird der aufputschende Effekt. Früchtetees und andere heiße Aufgüsse werden nach längerer Zeit bitter. Im Alltag ist das Einhalten der gewünschten Ziehzeit nicht immer so einfach wie gedacht. Manchmal wird man abgelenkt oder vergisst den Teebeutel aus eigenem Antrieb in der Tasse. Bemerkt man das Unglück, ist es bereits zu spät. Natürlich kann man sich eine Erinnerung in Form eines Timers setzen. Nur musss man dann auch zur richtigen Zeit wieder am richtigen Ort sein. Eine clevere technische Lösung in Hasenform macht auch das überflüssig.
Das Make-Magazin hat in der Ausgabe 1/2017 eine Bauanleitung für einen kleinen Roboter namens „Teeodohr“ veröffentlicht. Der Name kommt von seiner Form, welche einen Hasen mit seinen typischerweise langen Löffeln darstellt. Seine primäre Direktive ist es, einen an seinem Ohr befestigten Teebeutel nach einer zuvor festgelegten Zeit aus einer Tasse mit heißem Wasser zu ziehen. Das Bewegen seines Ohrs gelingt ihm mittels eines Servo-Motors. Passend zu der liebevollen Gestaltung ist auch sein Bedienkonzept weniger technisch: Zu seinen Füßen auf einem Podest steckt eine Möhre, die man dem Hasen in die rechte Pfote gibt. Damit weckt man ihn auf wundersame Weise auf (Spoiler: Reed-Kontakt mit Magnet). Die Einstellung der Ziehzeit und das Starten/Stoppen erfolgt über Taster auf dem Podest. Drei LEDs an Hasis Bauch geben Auskunft über seinen Zustand. Außerdem kommuniziert er über einen Piezo-Schallwandler mit uns. Sein „Gehirn“, das witzigerweise in seinem Bauch untergebracht ist, besteht aus einem Arduino Nano V3.
Die Anleitung zum Nachbau gibt es mitterweile kostenlos auf der Seite des Heise-Verlags. Als regelmäßiger Teetrinker und begeisterter Maker fasste ich schon nach dem Lesen der ersten Zeilen den Entschluss, selbst einen Teeodohr zum Leben zu erwecken. Bis die Arbeit allerdings beginnen konnte, zogen noch mehrere Monate durchs Land und einige Verbesserungsideen durch meinen Kopf.
Das erste Problem war zunächst, Teeodohrs Gehäuse und Sockel herzustellen. Unerwarteterweise wurde dieses durch den plötzlichen Einzug eines 3D-Druckers in meinen Maker-Haushalt gelöst. Super, so war das Ergebnis einer der ersten Testdrucke schon ein roter Hase und ein schwarzes Podest. Als Druckmaterial stand mir nur PLA zur Verfügung, welches aufgrund seiner geringen Hitzebeständigkeit nicht für die Fertigung der in der Anleitung beschriebenen Platine geeignet ist. Dieser Fakt und der Anreiz, die Hardware möglichst minimal zu halten, machten einige Schaltungsanpassungen notwendig.
Es kommt auf die inneren Werte an
Original-Teeodohr erhält seine Energie aus einem 9V-Block, an dem ein linearer Festspannungsregler vom Typ 7805 angeschlossen ist. Dieser versorgt sowohl Arduino als auch alle weitere Peripherie. Der Spannungsregler auf dem Arduino Nano Board bleibt dabei ungenutzt. Warum eigentlich? Hier wurde wohl auf Nummer sicher gegangen und die maximalen Strombelastbarkeit des LM1117IMPX-5.0 von 800 mA als zu niedrig eingeschätzt. Ein kurze Überschlagsrechnung zeigt jedoch, dass die Stromaufnahme von Arduino, Piezo, Servo und 3 LEDs zusammen doch unter diesem Wert liegt. Daher verzichtete ich auf den 7805 und gebe die 9V direkt auf den VIN-Pin des Arduinos. Die Spannung für den Servo-Motor greife ich am 5V-Pin ab.
Die Start/Stop- und Zeitauswahl-Taster sind im Original-Schaltplan über externe Pulldown-Widerstände angeschlossen und ziehen den Arduino-Pin beim Drücken auf 5V-Pegel. Ich invertiere diese Logik und schließe die Taster so an, dass sie gegen GND schalten. Softwareseitig aktiviere ich die internen Pullup-Widerstände des Mikrocontrollers. Damit spare ich die externen Widerstände ein.
Die Vorwiderstände für die LEDs löte ich direkt in die Kabel ein und isoliere sie mit Schrumpfschlauch. Servo-Motor und Piezo-Schallwandler erhalten abweichend vom Original keinen Vorwiderstand. Das erscheint mir unnötig, da die Stromaufnahme dieser Peripherie nicht künstlich gedrosselt werden muss.
Durch diese Anpassung benötigt Teeodohr keine separate Platine mehr. Alle benötigten Bauteile befinden sich direkt auf dem Arduino Nano Board oder in den Verbindungskabeln. Ich nutze einfache Dupont-Steckverbindungen, um das Testen zu erleichtern und einzelne Komponenten leichter austauschen zu können.
Piezo-Schallwandler, LEDs und Reed-Kontakt werden mit Heißkleber an die richtigen Stellen im Hasenkörper angebracht. Der Arduino und die restlichen Kabel finden ohne Befestigung auch noch Platz. Etwas Geschick und Drücken ist erforderlich.
Immer Ärger mit dem Reed-Kontakt
Mein ursprünglicher Plan war, einen kostengünstigen Reed-Kontakt aus China* zu verbauen. Dieser kostet im Zehnerpack etwa 10 Cent pro Stück und ist noch im Bild oben zu sehen. Leider zeigten sich bereits nach wenigen Tassen Tee Unzuverlässigkeiten – der Kontakt blieb ab und zu kleben und wollte Theodor nicht wieder in den Schlaf versetzen. Es half nur ein leichtes Klopfen auf den Hasenkörper, um den Kontakt wieder zu öffnen. Erst tauschte ich das Bauteil gegen ein baugleiches aus. Doch schnell zeigten sich auch bei diesem die beschriebenen Probleme. Eine Recherche im Internet brachte keine eindeutige Fehlerursache zu Tage, nur den Hinweis, dass diese „billigen“ Reed-Kontakte vorsichtig gehandhabt werden sollten, da einerseits die große Hitze beim Verlöten die Metallkontakte im Inneren des Glaszylinders schnell korrodieren lässt. Andererseits lassen mechanische Beschädigungen die Gasfüllung im Inneren entweichen, sodass das veränderte Funken-Löschverhalten zum Festkleben des Kontakts führen kann. Doch auch noch so behutsames und kurzes Berühren mit dem Lötkolben verbesserten das Ergebnis nicht.
Ein weiterer Gedanke zur Fehlerfindung ging in Richtung der maximalen Strombelastbarkeit des Kontakts. Diese wird mit 500 mA für den Schaltvorgang und mit 1,0 A im Betrieb spezifiziert – soweit man den Angaben des China-Shops vertrauen kann. Ich habe die Stromaufnahme der gesamten Schaltung nicht nachgemessen, aber eine Überschlagsrechnung und mein Bauchgefühl schließen eine zu hohe Strombelastung als Fehlerursache aus.
Aus Ratlosigkeit bestellte ich schließlich den im Make-Artikel beschriebenen MK06-5-C bei Conrad Electronic. Dieser ist noch einmal in einem blauen Kunststoffgehäuse eingegossen und daher vermutlich mechanisch und thermisch resistenter gegen äußere Einwirkungen. Tatsächlich funktioniert er deutlich zuverlässiger, jedoch nicht perfekt. Ab und zu muss ich weiterhin zum Workaround greifen und Teeodohr einen sanften Klaps geben, um seine Lichter zu löschen.
Auf der diesjährigen Maker Faire Berlin hatte ich die Gelgenheit, mit dem Make-Redakteur Heinz Behling zu sprechen und ihm das Problem zu schildern. Sein Tipp war, den Reed-Kontakt doch noch einmal mit dem Lötkolben zu erhitzen. Sollte sich das Klebenbleiben häufen, werde ich das wohl einmal ausprobieren.
Erst Coden, dann Löten
Wie schon der O’Reilly Verlag und Mr. Spock herausstellen, ist die Software hinter der Hardware stets von essenzieller Bedeutung. Und natürlich habe ich einige Schaltungsänderungen auch davon abhängig gemacht, welche Möglichkeiten und Einschränkungen durch das Arduino-Programm gegeben sind. Zum Beispiel haben nicht alle Pins eine hardwareseitige PWM-Funktion, die unter anderem für die Ansteuerung des Servos von Vorteil ist.
Des Weiteren halte ich den originalen Funktionsumfang für stark erweiterungs- und verbesserungswürdig. Dazu werde ich demnächst einen weiteren Blog-Post veröffentlichen, in dem ich auf meine Anforderungen und deren Umsetzung eingehen werde.
Daher: Stay tuned!