Precizna peristaltička pumpa: 13 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Studentski smo tim iz različitih disciplina RWTH Aachen univerziteta i kreirali smo ovaj projekt u kontekstu iGEM takmičenja 2017. godine.

Nakon svega posla koji je uložen u našu pumpu, željeli bismo podijeliti naše rezultate s vama!

Ovu peristaltičku pumpu izgradili smo kao općenito primjenjivo rješenje za rukovanje tekućinama za sve projekte koji zahtijevaju transport tekućina. Naša pumpa je sposobna za precizno doziranje i pumpanje, pružajući širok raspon zapremina doziranja i protoka kako bi se povećale moguće primjene. Kroz 125 eksperimenata doziranja uspjeli smo pokazati i kvantificirati točnost naše pumpe. Za cijevi s unutarnjim promjerom 0,8 mm i bilo kojim protokom ili zapreminom doziranja unutar specifikacija mogli bismo pokazati tačnost bolju od 2% odstupanja od zadane vrijednosti. S obzirom na rezultate mjerenja, preciznost se može dodatno poboljšati ako se brzina kalibracije prilagodi potrebnoj brzini protoka.

Pumpom se može upravljati bez znanja programiranja putem ugrađenog LCD ekrana i okretnog dugmeta. Osim toga, crpkom se može daljinski upravljati putem USB -a serijskim naredbama. Ovaj jednostavan način komunikacije kompatibilan je sa uobičajenim softverom i programskim jezicima (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#itd.).

Pumpa je jednostavna i jeftina za proizvodnju, sa svim dijelovima ukupne vrijednosti manje od 100 USD u odnosu na 1300 USD za najjeftinije uporedivo komercijalno rješenje koje smo mogli pronaći. Osim 3D štampača, potrebni su samo uobičajeni alati. Naš projekat je otvorenog koda u pogledu hardvera i softvera. Pružamo CAD datoteke za 3D štampane dijelove, potpunu listu svih potrebnih komercijalnih komponenti i njihovih izvora, te izvorni kod koji se koristi u našoj pumpi.

Korak 1: Provjerite specifikacije

U nastavku pogledajte specifikacije i raspravu o tačnosti.

Odgovara li pumpa vašim zahtjevima?

Korak 2: Skupite komponente

1x Arduino Uno R3/ kompatibilna ploča1x Steper motor (ŠxVxD): 42x42x41 mm, Vratilo (ØxL): 5x22 mm1x Napajanje 12 V/ 3 A, konektor: 5,5/ 2,1 mm1x Upravljač koračnog motora A49881x LCD modul 16x2, (ŠxVxD): 80x36x13 mm3x Igličasti ležaj HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8 mm1x Davač 5 V, 0,01 A, 20 položaja prekidača, 360 ° 1x cijev pumpe, 1,6 mm debljine zida, 0,2 m4x Samoljepljivo stopalo (L x Š x V) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Ravna iglica (Ø x D) 4 mm x 14 mm1x Kontrolna ručica (Ø x V) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potenciometar/ trimer 10k1x 220 Ohm Otpornik1x Kondenzator 47µF, 25V

Ožičenje: 1x PCB (D x Š) 80 mm x 52 mm, Razmak kontakata 2,54 mm (CS) 2x Iglasta traka, ravna, CS 2,54, nominalna struja 3A, 36 pinova 1x Utična traka, ravna, CS 2,54, nominalna struja 3A, 40 pins1x Kablovi, različite boje (npr. Ø 2,5 mm, poprečni presjek 0, 5 mm²) Termoskupljanje (pogodno za kablove, npr. Ø 3 mm)

Vijci: 4x M3, L = 25 mm (dužina bez glave), ISO 4762 (šesterokutna glava) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (šesterokutna glava) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (šesterokutna glava) 4x Mali zavrtanj za točenje (za LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm vijak, DIN 9161x M3, matica, ISO 4032

3D štampani dijelovi: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D ispis nije potreban => glodanje/rezanje/piljenje) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Korak 3: naknadna obrada 3D ispisa

3D štampani dijelovi moraju se očistiti nakon štampanja kako bi se uklonili svi ostaci iz procesa štampanja. Alati koje preporučujemo za naknadnu obradu su mala datoteka i rezač niti za niti M3. Nakon procesa tiskanja većina rupa mora se proširiti odgovarajućom bušilicom. Za rupe koje sadrže vijke M3, potrebno je odrezati navoj gore navedenim rezačem navoja.

Korak 4: Kablovi i ožičenje

Jezgro kruga čine Arduino i perfboard. Na ploči se nalazi upravljački program koračnog motora, trimer za LCD, kondenzator od 47µF i priključci za napajanje različitih komponenti. Kako bi isključili Arduino prekidačem za napajanje, napajanje Arduina je prekinuto i dovelo je do Perfboard -a. U tu svrhu dioda koja se nalazi na Arduinu neposredno iza utičnice za napajanje je raspajkana i umjesto toga dovedena na ploču.

Korak 5: Postavke hardvera

Postoje tri postavke koje je potrebno izvršiti izravno na krugu.

Prvo se mora postaviti ograničenje struje za pogon koračnog motora podešavanjem malog vijka na A4988. Na primjer, ako je napon V_ref između vijka i GND u uključenom stanju 1V, granica struje je dvostruko veća od vrijednosti: I_max = 2A (ovo je vrijednost koju smo koristili). Što je veća struja, veći je obrtni moment motora, što omogućava veće brzine i protoke. Međutim, povećava se i potrošnja energije i razvoj topline.

Nadalje, način rada koračnog motora može se postaviti putem tri pina koji se nalaze u gornjem lijevom kutu upravljačkog programa koračnog motora (MS1, MS2, MS3). Kada je MS2 na + 5V, kao što je prikazano na dijagramu ožičenja, motor radi u režimu četvrtine koraka, koji smo koristili. To znači da se točno jedan korak (1,8 °) izvodi za četiri impulsa koja vozač koračnog motora prima na STEP pin.

Kao zadnju vrijednost za podešavanje, trimer na ploči se može koristiti za podešavanje kontrasta LCD -a.

Korak 6: Ispitni krug i komponente

Prije sastavljanja preporučuje se testiranje komponenti i kruga na ploči. Na ovaj način lakše ćete pronaći i ispraviti moguće greške.

Već možete prenijeti naš softver na Arduino kako biste unaprijed isprobali sve funkcije. Izvorni kod smo objavili na GitHub -u:

github.com/iGEM-Aachen/Open-Source-Peristaltic-Pump

Korak 7: Montaža

Video prikazuje sastavljanje komponenti u predviđenom redoslijedu bez ožičenja. Svi priključci prvo trebaju biti pričvršćeni na komponente. Ožičenje je najbolje izvesti na mjestu gdje su umetnute sve komponente, ali bočni zidovi još nisu fiksirani. Do teško dostupnih vijaka lako se može doći pomoću imbus ključa.

1. Umetnite prekidač za napajanje i koder u predviđenu rupu i pričvrstite ih na kućište. Pričvrstite upravljačko dugme na davač

2. Pričvrstite LCD zaslon malim zavrtnjima za zatezanje, pazite da lemite otpornik i ožičenje na zaslon prije montaže.

3. Pričvrstite Arduino Uno ploču na kućište vijcima M3 8 mm.

4. Umetnite koračni motor i pričvrstite ga na kućište zajedno s 3D ispisanim dijelom (Pump_case_bottom) pomoću četiri vijka M3 od 10 mm.

5. Pričvrstite perfboard na kućište - provjerite jeste li lemili sve komponente na perfboard kao što je prikazano na shemi ožičenja.

6. Ožičite elektroničke dijelove unutar kućišta.

7. Zatvorite kućište dodavanjem bočnih ploča pomoću vijaka M3 10x8 mm.

8. Sastavite držač ležaja kao što je prikazano na videu i pričvrstite ga na osovinu motora pomoću vijka za brušenje od 3 mm

9. Na kraju, pričvrstite nosač brojača za držanje cijevi (Pump_case_top_120 °) s dva 25 mm M3 vijka i umetnite cijev. Umetnite dva 25 mm vijka M3 kako biste cijevi zadržali na mjestu tijekom procesa crpljenja

Korak 8: Umetnite cijevi

Korak 9: Upoznajte se sa korisničkim interfejsom (ručna kontrola)

Korisničko sučelje pruža sveobuhvatnu kontrolu peristaltičke pumpe. Sastoji se od LCD ekrana, komandnog dugmeta i prekidača za napajanje. Kontrolno dugme se može okretati ili pritiskati.

Okretanjem dugmeta možete birati između različitih stavki menija, trenutno je izabrana stavka menija na gornjoj liniji. Pritiskom na dugme aktivira se izabrana stavka menija, označena trepćućim pravokutnikom. Trepćući pravokutnik znači da je stavka izbornika aktivirana.

Kada se aktivira stavka menija, ona počinje ovisno o odabranoj stavci ili radnji ili dopušta promjenu odgovarajuće vrijednosti okretanjem gumba. Za sve stavke menija spojene na numeričku vrijednost, gumb se može držati za poništavanje vrijednosti na nulu ili dvostruko pritisnuti za povećanje vrijednosti za jednu desetinu njegove maksimalne vrijednosti. Za postavljanje odabrane vrijednosti i deaktiviranje stavke menija, dugme je potrebno pritisnuti drugi put.

Prekidač za napajanje odmah će isključiti pumpu i sve njezine komponente (Arduino, step motor, step motor driver, LCD), osim ako je pumpa spojena putem USB -a. Arduino i LCD mogu se napajati putem USB -a, tako da prekidač za napajanje neće utjecati na njih.

Meni pumpi ima 10 stavki, koje su navedene i dole opisane:

0 | StartStart pumpanje, način rada ovisi o načinu rada koji je odabran u "6" načinu rada"

1 | VolumenPostavljanje volumena doziranja, uzima se u obzir samo ako je "Dose" odabrano u "6) Mode"

2 | V. Jedinica: Postavite jedinicu zapremine, opcije su: “mL”: mL “uL”: µL “trulež”: rotacije (pumpe)

3 | Brzina Podesite brzinu protoka, uzima se u obzir samo ako je u načinu rada "6) odabrano" Doza "ili" Pumpa"

4 | S. Unit: Postavite jedinicu za zapreminu, opcije su: „mL/min“: mL/min „uL/min“: µL/min „rpm“: rotacije/min

5 | Smjer: Odaberite smjer crpljenja: „CW“za rotaciju u smjeru kazaljke na satu, „CCW“za suprotno od kazaljke na satu

6 | Način rada: Podesite način rada: „Doza“: doziranje odabrane zapremine (1 | Volumen) pri odabranoj brzini protoka (3 | Brzina) pri pokretanju „Pumpa“: pumpa kontinuirano pri odabranoj brzini protoka (3 | Brzina) kada pokrenuto “Cal.”: Kalibracija, pumpa će izvršiti 30 okretaja u 30 sekundi nakon pokretanja

7 | Cal. Set kalibracijski volumen u ml. Za kalibraciju, pumpa se pokreće jednom u režimu kalibracije i mjeri se rezultirajuća zapremina kalibracije koja je ispumpana.

8 | Spremi postavku. Spremite sve postavke na Arduinos EEPROM, vrijednosti se zadržavaju tijekom isključivanja i ponovno učitavaju, kada se napajanje ponovo uključi

9 | USB CtrlAktivirajte USB kontrolu: Pumpa reagira na serijske naredbe poslane putem USB -a

Korak 10: Kalibracija i isprobajte doziranje

Pravilno kalibriranje prije upotrebe pumpe ključno je za precizno doziranje i pumpanje. Kalibracija će pumpi reći koliko se tekućine pomiče po jednoj rotaciji, tako da pumpa može izračunati koliko rotacija i koja brzina je potrebna da ispuni zadane vrijednosti. Za početak kalibracije odaberite način rada "Cal". i pokrenite pumpanje ili pošaljite naredbu za kalibraciju putem USB -a. Standardni ciklus kalibracije izvršit će 30 rotacija u 30 sekundi. Zapreminu tečnosti koja se ispumpava tokom ovog ciklusa (kalibraciona zapremina) treba precizno izmeriti. Uvjerite se da na mjerenje ne utječu padovi koji se lijepe za cijev, težina cijevi ili bilo koje druge smetnje. Za kalibraciju preporučujemo upotrebu skale od mikrograma jer možete lako izračunati zapreminu ako su poznate gustoća i težina ispumpane količine tekućine. Nakon što ste izmjerili kalibracijski volumen, možete podesiti pumpu postavljanjem vrijednosti stavke izbornika "7 | Cal". ili ga priključujete svojim serijskim naredbama.

Imajte na umu da će svaka promjena nakon kalibracije nosača cijevi ili razlika u tlaku utjecati na preciznost pumpe. Pokušajte kalibraciju izvršiti uvijek pod istim uvjetima, pri kojima će se pumpa kasnije koristiti. Ako uklonite cijev i ponovno je postavite u pumpu, vrijednost kalibracije će se promijeniti do 10%, zbog malih razlika u položaju i sile koja se primjenjuje na vijke. Povlačenjem cijevi promijenit će se i položaj, a time i vrijednost kalibracije. Ako se kalibracija vrši bez razlike pritiska, a pumpa se kasnije koristi za pumpanje tečnosti pod drugim pritiskom, to će uticati na preciznost. Zapamtite da čak i razlika u razinama od jednog metra može stvoriti razliku tlaka od 0,1 bara, što će imati mali utjecaj na vrijednost kalibracije, čak i ako pumpa može postići pritisak od najmanje 1,5 bara pomoću cijevi od 0,8 mm.

Korak 11: Serijsko sučelje - daljinsko upravljanje putem USB -a

Serijsko sučelje temelji se na serijskom komunikacijskom sučelju Arduina putem USB -a (Baud 9600, 8 bitova podataka, bez pariteta, jedan stop bit). Za komunikaciju s pumpom može se koristiti bilo koji softver ili programski jezik koji može upisivati podatke na serijski port (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#itd.). Sve funkcije pumpe su dostupne slanjem odgovarajuće naredbe pumpi, na kraju svake naredbe potreban je novi znak linije '\ n' (ASCII 10).

Doza: d (volumen u µL), (brzina u µL/min), (kalibracijski volumen u µL) '\ n'

npr.: d1000, 2000, 1462 '\ n' (doziranje 1mL pri 2mL/min, kalibracijski volumen = 1.462mL)

Pumpa: p (brzina u µL/min), (kalibraciona zapremina u µL) '\ n'

npr.: p2000, 1462 '\ n' (pumpa pri 2mL/min, kalibracijski volumen = 1.462mL)

Kalibrirajte: c '\ n'

Zaustavi: x '\ n'

Arduino okruženje (Arduino IDE) ima ugrađen serijski monitor koji može čitati i pisati serijske podatke, pa se serijske naredbe mogu testirati bez ikakvog pisanog koda.

Korak 12: Podijelite svoja iskustva i poboljšajte pumpu

Ako ste izgradili našu pumpu, podijelite svoja iskustva i poboljšanja softvera i hardvera na:

Thingiverse (3D štampani dijelovi)

GitHub (softver)

Instrukcije (upute, ožičenje, općenito)

Korak 13: Zanima vas IGEM?

IGEM (međunarodna genetski konstruirana mašina) fondacija je nezavisna, neprofitna organizacija posvećena obrazovanju i konkurenciji, napretku sintetičke biologije i razvoju otvorene zajednice i saradnje.

iGEM vodi tri glavna programa: iGEM Competition - međunarodno takmičenje za studente zainteresovane za oblast sintetičke biologije; Labs Program - program za akademske laboratorije koji koriste iste resurse kao i takmičarski timovi; i Registar standardnih bioloških dijelova - sve veća zbirka genetskih dijelova koji se koriste za izgradnju bioloških uređaja i sistema.

igem.org/Main_Page