Elektrischer Nussnacker

Mit der Zeit sammelt sich in einem gut sortierten Elektronikerhaushalt so einiges an Material an. Motoren, Antriebe, Netzteile, LCDs, Kabel, Lampen und Schalter wollen irgendwann verbaut werden.
Herausgekommen ist ein mikrocontrollergesteuerter elektrischer Nussknacker für Walnüsse.

Gesamtansicht

Ablauf

  • Nach Einschalten fahren alle Antriebe in Grundstellung.
  • In einem Menü kann die Anzahl der zu knackenden Nüsse vorgewählt werden.
  • Wird der Start-Taster betätigt, gehts los!
  • Der Aufzug fährt nach unten in den Nussbehälter.
  • Der Rührmoter dreht sich einmal und befördert dabei eine Nuss in den Wagen.
  • Ein Abstandssensor erkennt, wenn keine Nuss gefangen wurde und sorgt für eine Wiederholung des Vorgangs.
  • Der Aufzug fährt nach oben und kippt die Nuss in den Behälter des kleinen Roboterarms.
  • Der Roboterarm befördert die Nuss auf die Waage.
  • Die Nuss wird gewogen und das Gewicht wird im Display angezeigt.
  • Ein Servo an der Waage kippt die Nuss zurück in den Behälter am Roboterarm.
  • Der Roboterarm befördert die Nuss in den Knacker, wo sie geknackt wird.
  • Unter dem Knacker öffnet sich eine Klappe und die Nuss fällt in den Behälter am Schlitten.
  • Der Schlitten fährt nach vorne und kippt die Nuss aus.
  • Der Maschinist auf seinem Steuerstand überwacht alle Abläufe. Er kann sich mit seinem Sessel drehen und bewegt den Arm, wenn man die Start-Taste drückt.

Mechanik

Auf der Frontplatte findet sich neben Hauptschalter und Netzleuchte ein Display mit 2x20 Zeichen, sowie ein Zweiwege-Taster, eine Störungsleuchte und ein mechanischer Zähler zur Anzeige der insgesamt bisher geknackten Nüsse. Ein Schlüsselschalter schützt vor unbefugter Benutzung. Mit einem Not-Aus-Schalter kann die Maschine in Gefahrensituationen stromlos geschaltet werden. :-) Der Knacker besteht aus einem kräftigen Getriebemotor, der eine M16 Maschinenschraube dreht. Diese zieht den beweglichen Alukasten gegen den feststehenden Alublock, wodurch die Nuss geknackt wird. Eine Gabellichtschranke erfasst die Umdrehungen der Motorwelle. Bei Ansteigen des Motorstromes wird der "Anfang" der Nuss erkannt und so der Durchmesser gemessen. Der Schlitten zum Transport der geknackten Nuss besteht aus einem Druckkopf- Antrieb aus einem Tintenstrahldrucker. Die unipolaren Schrittmotoren des Roboterarms und des Schlittens werden über I2C-Portexpander und Darlington-Treiber angesteuert. Zur Stromversorgung sind mehrere Netzteile für 24V, 5V und 15V eingebaut.

Knacker Schlitten

Eine Lichtschranke im Vorratsbehälter für die Nüsse erkennt, wenn der Nussbehälter leer ist. Dazu leuchtet ein Lasermodul knapp über dem Boden von links durch den Behälter. Rechts reflektiert ein kleiner Spiegel den Laserstrahl. Ein Fotosensor erkennt eine Unterbrechung des Strahls. Der Aufzug wird durch einen Zahnriehmenantrieb aus einem Flachbettscanner bewegt.
Nussbehälter AUfzug

Der Sessel des Maschinisten auf dem Steuerstand wird durch einen Servo gedreht, den Arm bewegt ein Elektromagnet. Das Steuerpult zeigt mit kleinen Lämpchen den Fortschritt des Arbeitsablaufs.
Steuerstand Steuerstand2

Übersicht der verbauten Antriebe
1RührmotorKFZ-Scheibenwischermotor
2Aufzugbipolarer Schrittmotor aus Scanner
3Roboterarm2 unipolare Schrittmotoren
4Knackermotor24V Gleichstrom Getriebemotor
5Schlittenunipolarer Schrittmotor aus Tintenstrahldrucker
6Klappe, Waage, NussbehälterModellbau-Servo
7Arm des MaschinistenElektromagnet

Elektronik

Die Hauptsteuerung ist auf einer Lochrasterplatine untergebracht. Der Mikrocontroller kommuniziert mit der weitere Peripherie über den I2C-Bus. Ein 4-Kanal Analog-Digital-Wandler digitalisiert die Analogsignale von Abstandssensor im Nussbehälter, Nusswaage und Stromaufnahme von Rührmotor und Knackermotor.
Platine Elektronik

Die Waage ist eine käufliche Feinwaage, in der sich eine mit Dehnungsmessstreifen beklebte Aluminium-Biegefeder befindet. Die originale Elektronik und das Display wurden entfernt. Statt dessen wird das Messsignal mit einem Differenzverstärker verstärkt und dann digitalisiert. Mittels Fühlerwiderständen in den Zuleitungen von Rührmotor und Knackermotor wird die Stromaufnahme gemessen. So wird ein Blockieren des Rührmotors erkannt. Der Motorstrom verhält sich proportional zur Kraft, die der Motor zum Knacken der Nuss aufbringen muss. Wird ein Maximalstrom überschritten und geht der Strom danach um einen bestimmten Wert zurück, wird der Knackermotor abgeschaltet. (Delta I- Erkennung) Somit wird  jede Nuss unabhängig von ihrer Größe nur soweit zerdrückt, wie nötig.
Waage Rückseite

Rueckseite3 Bauphase

Kurzübersicht der wichtigsten Bauteile
Nr.BezeichnungBeschreibung
1AT89S8252Mikrocontroller
2PCF8591I2C 4-Kanal Analog-Digital-Wandler
3PCF8574AI2C Porterweiterung
4INA114DMS-Differenzverstärker für Waage
5LM3244-fach Operationsverstärker
6ULN2003Darlington Treiber
7UDN2916bipolarer Schrittmotortreiber

Firmware und Schaltplan

Naja, die Dokumentation lässt bei diesem Projekt etwas zu Wünschen übrig. Schaltpläne gibt es nur als wage Handskizzen. Das Steuerprogramm ist in Assembler geschrieben und ein riesiges Spagetti-Code-Monster. :-)