Sous Vide főző Arduino platformon - 1.

Bevezetés
Mivel nagyon szeretek főzni, és annál még jobban szeretek enni, ezért elhatároztam, hogy bevezetem a Sous Vide (ejtsd: szu vid) főzést. Ez egy speciális főzési metódus, ami megőrzi az ételek eredeti zamatát, tápanyagtartalmát és állagát. Egy jobb éttermi konyha félkarú óriás Sous Vide főző nélkül, de a háztartásokba is kezd beszivárogni ez a főzési technika.

A Sous Vide (vákuum) főzés során az ételek egy speciális vákuumgép segítségével (30-40ezer forint, ez nem megspórolható) egy teljesen légmentesen lezárt zacskóba kerülnek, és alacsony, 50-70 °C hőmérsékleten rendkívül hosszú ideig, 8-12 óráig főzzük őket. A vákuum miatt már ezen az alacsony hőmérsékleten is fő az étel, és az alacsony hőmérsékleten nem bomlanak el a vitaminok sem. Mivel a zacskó légmentesen van lezárva, az ételek nem érintkeznek a vízzel, a vízben úszva nem vesztik el állagukat, zamatukat. Sőt, további előny, hogy a felbontatlan vákuumcsomagolt, sous vide-olt élelmiszer hűtőszekrényben, fagyasztás nélkül is hetekig, hónapokig eltartható. Fogyasztás előtt a sous vide-olt húst egy pár perce forró olajba tesszük, hogy sült kérge keletkezzen, és azonnal fogyasztható. Állagra, ízre, szagra minden egyéb sütési eljárást felülmúl.

Ez eddig mind szép és jó, egyetlen komoly gond van csak, hogy a legolcsóbb főzőgépek a 150 ezer forintos árcímkével kaphatók. Innen egyenesen jött a gondolat, hogy egy Arduino mikrokontrollerrel vezérelt fűtőszál segítségével töredék költségvetéssel teljes értékű Sous Vide főzőedény építhető.

Íme egy egyszerűsített ábra a projektről:

Az alábbi főegységekre lesz szükség:
Arduino DUEMILANOVE/UNO: [link] [link] [link] [link]
Négycsatornás SSR modul: [link] vagy esetleg [link]
6 drótos LCD panel: [link] [link]
4 db vízálló digitális hőmérsékletszenzor: [link] [link]
5 db nyomógomb: [link] [link] [link]
2 db max. 400W fűtőszál: [link]
Nagyobb szögletes műanyagtál: [link] [link]

Ezen kívül a projekthez szükségesek az alábbi
- alkatrészek: ellenállások (később részletezve), kondenzátorok (szintén), trimpot, próbanyák, 12V táp, 230V szerelhető Schuko dugó
- eszközök: forrasztópáka, szigetelőszalag, lágyforrasz, USB kábel és számítógép a programozáshoz

A működési elv
A négy hőmérsékletszenzor adatokat szolgáltat a mikrokontrollernek, amit az egy öntanuló PID eljárással feldolgoz, és az SSR-en keresztül vezérli a 230V-ra csatlakoztatott fűtőszálakat. A nyomógombok a hőmérséklet és főzési idő beállítására, és a készülék ki-be kapcsolására szolgálnak. A kijelzőt a beállítások során is használjuk, majd a főzés elindulása után a hátralévő időt és a szenzorok által jelzett hőmérsékletet is mutatja.

Az SSR (solid state relay) egy olyan nagyfeszültségű relé, amely nem tartalmaz mozgó alkatrészt, a kapcsolást kizárólag integrált áramkörökkel valósítja meg. A hagyományos reléknél gyorsabban kapcsol, hangtalan, nagyságrendekkel több kapcsolási ciklusra van tervezve, valamint a fénydiódás leválasztás miatt meghibásodás vagy hálózati túlfeszültség esetén is teljesen biztonságos a törpefeszültségű vezérlőáramkör felé. A fénydiódás leválasztás úgy működik, hogy a vezérlőáramkör tulajdonképpen egy LED-et vezérel, ami a relén belül található. Ennek a fényjelét szintén a relén belül található fényérzékelő veszi, és az kapcsolja az relét. Az SSR ezen tulajdonságai mind szükségesek, ezért PID-es vezérléshez kizárólag ilyen relét alkalmazzunk.

A fűtőszálakat a PID algoritmus segítségével vezéreljük. Az a szándékunk, hogy a fűtés a lehető legegyenletesebb legyen. A fűtőszálak alap teljesítménye túl nagy, hagyományos termosztátos vezérléssel a a fűtőszál tehetetlenségénél fogva a víz hőmérséklete nagy, több Celsius fokos intervallumot járna be. Sőt a víz hőmérséklete nem csak időben, de térben sem volna egyenletes, a fűtőszálakhoz közel melegebb volna, tőlük távolabb pedig hideg. Ez teljesen megengedhetetlen a Sous Vide eljárás során, ugyanis nemcsak az étel lenne rossz minőségű, de élelmiszer-biztonsági szempontból is hatalmas a kockázat. Ha nem sikerül elérni a megfelelő maghőmérsékletet (ami sajnos vákuum lévén ellenőrizni sem tudunk), nem garantálható hogy a főzés során az összes kórokozó elpusztul.

A vízben 4 db hőmérőt helyezünk el. Kettő közvetlenül a fűtőszálak mellé kerül a két átellenes sarokba, a másik kettő pedig a távolabbi, üres sarkokba.

A fűtőszálakat két másodperces PWM módszerrel szabályozzuk. A PWM segítségével a hőmérőktől kapott visszajelzés alapján nagyon pontosan állíthatjuk a fűtőszál pillanatnyi teljesítményét. Ez annyit jelent, hogy fél teljesítmény esetén 50%-os kitöltést használunk, azaz 1 mp-ig be van kapcsolva a fűtőszál, majd 1 mp-ig ki van kapcsolva. 75% estén, 1,5" - 0,5" ciklust, 25% esetén 0,5" - 1,5" ciklust, míg 1% teljesítmény esetén 0,02" - 1,98" ciklust használunk. 1%-nál nem érdemes lejjebb venni a teljesítményt, ugyanis az SSR-ünk a 230V hálózat 50Hz-es ciklusának zéró pontjánál tud csak kikapcsolni (ezt a pontot mindenképpen megvárja), ami századmásodpercenként egyszer következik be, így 1% alatt nagyon pontatlanná válik a vezérlés.

Az előzetes terveink szerint a fűtőszál melletti hőmérőktől a beállított hőmérséklet +/-1,5 °C eltérést fogadunk el, a távoli hőmérőktől +/-0,5 °C-t. A fűtőszál teljesítményének szabályzását a PID algoritmus öntanuló rendszerére bízzuk.

A projekthez szükséges egyéb alkatrészek:
Az LCD kontraszt beállításához trimpot: 10k Ohm 1db
Gombokhoz felhúzó ellenállás: 10k Ohm 5db
Hőmérséklet szenzorhoz felhúzó ellenállás (ha nincs a csomagban): 4,7k Ohm 1db
Gombokhoz simító kondik: 100 nF 5db
Hőmérséklet szenzorhoz simító kondi: 100 nF 1db
Gombokhoz 6 csatornás Schmitt trigger: TI CD40106BE vagy TI SN74ACT14N vagy TI SN74AHC14N 1db

Kapcsolások

LCD kijelző
GND: LCD 1., 5., 16. láb
5V: LCD 2., 15. láb
D0: LCD 4. láb
D1: LCD 6. láb
D2: LCD 11. láb
D3: LCD 12. láb
D4: LCD 13. láb
D5: LCD 14. láb

A trimpot középső lába: LCD 3. láb
A trimpot szélső lábai közül az egyik az 5V-ba, másik a GND-be, mindegy melyik hova.

SSR és 230 V
FIGYELEM NAGYFESZÜLTSÉG
A készülék elkészítésekor nagyon komoly figyelmet kell fordítani a megfelelő szigetelésre, érintésvédelemre. A szerző semmilyen felelősséget nem vállal bármilyen baleset, sérülés vagy kár esetén.

GND: SSR GND (x2)
5V: SSR VCC
D6: IN3, IN4
D7: IN1, IN2
230 V egyik ér: OUT1, OUT3
230 V másik ér: OUT2, OUT4
1. fűtőszál egyik ér: OUT1
1. fűtőszál másik ér: OUT2
2. fűtőszál egyik ér: OUT3
2. fűtőszál másik ér: OUT4

Hőmérsékletszenzorok
GND: 100 nF kondi, fekete ér
5V: 100 nF kondi, 4,7 kOhm ellenállás, piros ér
D8: 4,7 kOhm ellenállás, kék v. sárga ér

Vezérlőgombok

Schmitt IC:
1., 3., 5., 11., 13. láb: gombok felmenő lába, 100 nF kondi + lába, 10 kOhm ellenállás 5V felől
2. láb: D13
4. láb: D12
6. láb: D11
10. láb: D9 (!)
12. láb: D10
7. láb: GND
14. láb: 5V
8., 9. láb: szabadon

Gomb:
Felmenő láb: 100 nF kondi + lába, 10 kOhm ellenállás 5V felől, Scmitt IC páratlan lába
Lemenő láb: GND, kondi - lába

Egy vezérlőgomb egyszerűsített ábrája

Teljes ábra

Folytatás Arduino kódokkal, fotókkal az alkatrészek megérkezése után.