Täpne peristaltiline pump: 13 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:49

Oleme RWTH Aacheni ülikooli erinevate erialade tudengimeeskond ja oleme selle projekti loonud 2017. aasta iGEM -võistluse kontekstis.

Pärast kogu tööd, mis meie pumbasse läks, tahaksime teiega oma tulemusi jagada!

Ehitasime selle peristaltilise pumba kui üldiselt kasutatava vedeliku käitlemise lahenduse iga projekti jaoks, mis nõuab vedelike transportimist. Meie pump on võimeline täpselt doseerima ja pumpama, pakkudes laia valikut doseerimismahte ja voolukiirusi, et maksimeerida võimalikke rakendusi. 125 doseerimiskatse abil suutsime näidata ja kvantifitseerida oma pumba täpsust. Torude puhul, mille siseläbimõõt on 0, 8 mm ja mis tahes voolukiirus või doseerimismaht vastavalt spetsifikatsioonidele, võime näidata täpsust, mis on parem kui 2% kõrvalekalle seadistatud väärtusest. Arvestades mõõtmistulemusi, saab täpsust veelgi parandada, kui kalibreerimiskiirus kohandatakse nõutavale voolukiirusele.

Pumpa saab juhtida ilma programmeerimisteadmisteta sisseehitatud LCD-ekraani ja pöördnupu abil. Lisaks saab pumpa USB kaudu kaugjuhtida jadakäskudega. See lihtne suhtlusviis ühildub tavaliste tarkvara- ja programmeerimiskeeltega (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#jne).

Pumpa on lihtne ja odav toota, kõik osad on kokku vähem kui 100 dollarit, võrreldes 1300 dollariga odavaima võrreldava kaubandusliku lahenduse jaoks. Lisaks 3D -printerile on vaja ainult tavalisi tööriistu. Meie projekt on riistvara ja tarkvara osas avatud lähtekoodiga. Pakume 3D -trükitud osade CAD -faile, täielikku loetelu kõigist nõutavatest kaubanduslikest komponentidest ja nende allikatest ning meie pumbas kasutatud lähtekoodi.

Samm: kontrollige spetsifikatsioone

Kontrollige allpool toodud spetsifikatsioone ja täpsuse arutelu.

Kas pump vastab teie nõuetele?

2. samm: koguge komponente

1x Arduino Uno R3/ ühilduv plaat 1x samm -mootor (LxKxS): 42x42x41 mm, võll (ØxL): 5x22 mm 1x toiteallikas 12 V/ 3 A, pistik: 5,5/ 2,1 mm mm3x Nõelalaager HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm L x K) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm 3x sirge tihvt (Ø x L) 4 mm x 14 mm 1x juhtnupp (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm 1x potentsiomeeter/ trimmer 10k1x 220 oomi takisti 1x kondensaator 47µF, 25V

Juhtmestik: 1x PCB (L x W) 80 mm x 52 mm, kontaktide vahekaugus 2,54 mm (CS) 2x tihvtriba, sirge, CS 2.54, nimivool 3A, 36 tihvti 1x pistikupesa, sirge, CS 2.54, nimivool 3A, 40 tihvtid 1x Kaablid, erinevad värvid (nt Ø 2,5 mm, ristlõige 0, 5 mm²) Termokahanev (sobib kaablitele, nt Ø 3 mm)

Kruvid: 4x M3, L = 25 mm (pikkus ilma peata), ISO 4762 (kuuskantpea) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (kuuskantpea) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (kuuskantpea) 4x Väike kruvikeeraja (LCD jaoks, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm kruvikeeraja, DIN 9161x M3, mutter, ISO 4032

3D -prinditud osad: (Thingiverse) 1x ümbrismax2 x ümbrise_külg (3D -printimine pole vajalik => freesimine/lõikamine/saagimine) 1x pumba_karbi_alumine1x pumba_karbi_top_120 ° 1x laagri_kinnitus_bottom1x laagri_kinnituse_top

Samm: 3D -printide järeltöötlus

3D -prinditud osad tuleb pärast printimist puhastada, et printimisprotsessist jäägid eemaldada. Vahendid, mida soovitame järeltöötluseks, on väike fail ja M3 -niitide niidilõikur. Pärast printimisprotsessi tuleb enamik auke sobiva puuriga laiendada. Aukude jaoks, mis sisaldavad M3 kruvisid, tuleb lõng lõigata ülalmainitud niidilõikuriga.

Samm: kaablid ja juhtmestik

Vooluahela tuum koosneb Arduino ja perfboardist. Parfüüril on samm -mootor, draiver, LCD trimmer, 47µF kondensaator ja ühendused erinevate komponentide toiteallika jaoks. Arduino väljalülitamiseks toitelüliti abil katkestati Arduino toide ja see viidi Perfboardi. Sel eesmärgil oli Arduino peal otse pistikupesa taga asuv diood jootmata ja toodud selle asemel lauale.

Samm: riistvaraseaded

Otse vooluringil tuleb teha kolm seadistust.

Esmalt tuleb seadistada astmelise mootori juhi praegune piir, reguleerides A4988 väikest kruvi. Näiteks kui kruvi ja GND vaheline pinge V_ref sisselülitatud olekus on 1V, on voolupiirang kahekordne väärtus: I_max = 2A (see on väärtus, mida kasutasime). Mida suurem on vool, seda suurem on mootori pöördemoment, mis võimaldab suuremat kiirust ja voolukiirust. Siiski suureneb ka elektritarbimine ja soojuse areng.

Lisaks saab samm -mootori töörežiimi seadistada kolme tihvti abil, mis asuvad samm -mootorimootori vasakus ülanurgas (MS1, MS2, MS3). Kui MS2 on + 5 V juures, nagu on näidatud ühendusskeemil, töötab mootor neljanda sammu režiimis, mida kasutasime. See tähendab, et täpselt üks samm (1,8 °) sooritatakse nelja impulsi jaoks, mille samm -mootori juht saab STEP -i tihvti juures.

Viimase väärtusena saab LCD -ekraani kontrastsuse reguleerimiseks kasutada perfboardi trimmerit.

6. samm: katsetage vooluringi ja komponente

Enne kokkupanekut on soovitatav testida komponente ja vooluringi leivaplaadil. Sel moel on lihtsam leida ja parandada võimalikke vigu.

Saate juba meie tarkvara Arduinosse üles laadida, et kõiki funktsioone eelnevalt proovida. Avaldasime lähtekoodi GitHubis:

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

7. samm: kokkupanek

Video näitab komponentide kokkupanekut ettenähtud järjekorras ilma juhtmestikuta. Kõik pistikud tuleb kõigepealt komponentide külge kinnitada. Juhtmestik on kõige parem teha kohas, kus kõik komponendid on sisestatud, kuid külgseinad pole veel fikseeritud. Raskesti ligipääsetavaid kruvisid saab kuuskantvõtme abil hõlpsasti kätte.

1. Sisestage toitelüliti ja kodeerija ettenähtud auku ning kinnitage need korpuse külge. Kinnitage juhtnupp kodeerija külge - olge ettevaatlik - kui olete nupu kinnitanud, võib see kodeerija hävitada, kui proovite seda uuesti eemaldada.

2. Kinnitage LCD -ekraan väikeste kruvidega, veenduge, et joote takisti ja juhtmed enne kokkupanekut ekraanile.

3. Kinnitage Arduino Uno plaat korpuse külge, kasutades 8 mm M3 kruvisid.

4. Sisestage astmemootor ja kinnitage see koos 3D prinditud osaga (Pump_case_bottom) korpuse külge, kasutades nelja 10 mm M3 kruvi.

5. Kinnitage perfboard plaadi külge - veenduge, et olete jootnud kõik komponendid perfboardile, nagu on näidatud ühendusskeemil.

6. Juhtme elektroonilised osad korpuse sisse.

7. Sulgege korpus, lisades külgpaneelid, kasutades 10x 8 mm M3 kruvisid.

8. Pange laagrikinnitus kokku, nagu on näidatud videos, ja kinnitage see 3 mm kruvikruvi abil mootori võlli külge

9. Lõpuks kinnitage toru hoidmiseks mõeldud tugitugi (Pump_case_top_120 °) kahe 25 mm M3 kruviga ja sisestage toru. Sisestage kaks 25 mm M3 kruvi, et hoida toru paigal pumpamise ajal

8. samm: torude sisestamine

9. samm: tutvuge kasutajaliidesega (käsitsi juhtimine)

Kasutajaliides tagab peristaltilise pumba igakülgse juhtimise. See koosneb LCD -ekraanist, juhtnupust ja toitelülitist. Juhtnuppu saab pöörata või lükata.

Nupu keeramine võimaldab valida erinevate menüüelementide hulgast, ülemisel real olev menüüelement on hetkel valitud. Nupu vajutamine aktiveerib valitud menüüelemendi, mida tähistab vilkuv ristkülik. Vilkuv ristkülik tähendab, et menüüelement on aktiveeritud.

Kui menüüelement on aktiveeritud, algab see sõltuvalt valitud üksusest kas toimingust või võimaldab vastavat väärtust muuta, keerates nuppu. Kõigi numbrilise väärtusega ühendatud menüüelementide puhul saab nuppu nullida või topelt vajutada, et väärtust ühe kümnendiku võrra selle maksimaalsest väärtusest suurendada. Valitud väärtuse määramiseks ja menüüelemendi deaktiveerimiseks tuleb nuppu teist korda vajutada.

Toitelüliti lülitab pumba ja kõik selle komponendid (Arduino, samm -mootor, astmemootori draiver, LCD) kohe välja, välja arvatud juhul, kui pump on ühendatud USB kaudu. Arduino ja LCD saab toita USB kaudu, nii et toitelüliti neid ei mõjuta.

Pumpade menüüs on 10 üksust, mis on loetletud ja kirjeldatud allpool:

0 | Käivitage pumpamine, töörežiim sõltub režiimist „6” valitud režiimist

1 | Helitugevus Seadke doseerimismaht arvesse ainult juhul, kui režiimis „6” on valitud „Dose”

2 | V. Ühik: määrake helitugevuse ühik, valikud on järgmised: „mL“: ml „uL“: µL „mädanik“: (pumba pöörlemised)

3 | Kiirus Seadke voolukiirus arvesse ainult juhul, kui režiimis „6” on valitud „Dose” või „Pump”

4 | S. Ühik: määrake helitugevuse mõõtühik, valikud on järgmised: „ml/min“: ml/min „uL/min“: µL/min „p/min“: pööret minutis

5 | Suund: valige pumpamissuund: päripäeva pööramiseks „CW“, vastupäeva „CCW“

6 | Režiim: seadistage töörežiim: „Annus“: doseerige valitud ruumala (1 | Maht) valitud voolukiirusel (3 | Kiirus) käivitamisel „Pump“: pumbake pidevalt valitud voolukiirusel (3 | Kiirus), kui käivitatud "Cal.": Kalibreerimine, pump teeb käivitamisel 30 pööret 30 sekundi jooksul

7 | Cal. Määrake kalibreerimismaht milliliitrites. Kalibreerimiseks käivitatakse pump üks kord kalibreerimisrežiimis ja mõõdetakse saadud kalibreerimismaht.

8 | Salvestage seade. Salvestage kõik seaded Arduinos EEPROM -i, väärtused säilivad väljalülitamisel ja laaditakse uuesti sisse, kui toide uuesti sisse lülitatakse

9 | USB CtrlAktiveeri USB juhtimine: Pump reageerib USB kaudu saadetud jadakäskudele

Samm: kalibreerimine ja proovige doseerida

Õige kalibreerimine enne pumba kasutamist on täpse doseerimise ja pumpamise jaoks ülioluline. Kalibreerimine ütleb pumbale, kui palju vedelikku pöörlemise kohta liigutatakse, nii et pump saab arvutada, mitu pööret ja millist kiirust on vaja seatud väärtuste täitmiseks. Kalibreerimise alustamiseks valige režiim “Cal”. ja alustage pumpamist või saatke kalibreerimiskäsk USB kaudu. Tavaline kalibreerimistsükkel sooritab 30 pööret 30 sekundi jooksul. Selle tsükli jooksul pumbatava vedeliku maht (kalibreerimismaht) tuleks täpselt mõõta. Veenduge, et mõõtmist ei mõjutaks torule kleepuvad tilgad, toru enda kaal ega muud häired. Soovitame kalibreerimiseks kasutada mikrogrammide skaalat, kuna saate hõlpsalt arvutada mahu, kui on teada pumbatava vedeliku koguse tihedus ja kaal. Kui olete kalibreerimismahu mõõtnud, saate pumpa reguleerida, seadistades menüüelemendi „7 | Cal” väärtuse. või lisades selle oma jadakäskudele.

Pange tähele, et kõik muudatused pärast torukinnituse kalibreerimist või rõhkude erinevust mõjutavad pumba täpsust. Proovige kalibreerida alati samades tingimustes, kus pumpa hiljem kasutatakse. Kui eemaldate torud ja paigaldate need uuesti pumpa, muutub kalibreerimisväärtus kuni 10%, kuna kruvidele rakendatavas asendis ja jõus on väikesed erinevused. Toru tõmbamine muudab ka positsioneerimist ja seega ka kalibreerimisväärtust. Kui kalibreerimine toimub ilma rõhkude erinevuseta ja pumpa kasutatakse hiljem vedelike pumpamiseks teisel rõhul, mõjutab see täpsust. Pidage meeles, et isegi ühe meetri tasemevahe võib tekitada 0,1 baari rõhuvahe, mis mõjutab kalibreerimisväärtust isegi siis, kui pump suudab 0,8 mm toru abil saavutada vähemalt 1,5 baari rõhu.

Samm 11: jadaliides - kaugjuhtimispult USB kaudu

Jadaliides põhineb Arduino jadaühendusliidesel USB kaudu (Baud 9600, 8 andmebitti, pariteedita, üks stopp). Pumbaga suhtlemiseks saab kasutada mis tahes tarkvara või programmeerimiskeelt, mis suudab andmeid jadaporti kirjutada (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#jne). Kõik pumba funktsioonid on kättesaadavad, saates pumbale vastava käsu, iga käsu lõpus on vaja uut rea märki '\ n' (ASCII 10).

Annus: d (maht µL), (kiirus µL/min), (kalibreerimismaht µL) '\ n'

nt d1000, 2000, 1462 (doseerimine 1 ml kiirusel 2 ml/min, kalibreerimismaht = 1,462 ml)

Pump: p (kiirus µL/min), (kalibreerimismaht µL) '\ n'

nt: p2000, 1462 '\ n (pump 2 ml/min, kalibreerimismaht = 1,462 ml)

Kalibreerimine: c '\ n'

Peatus: x '\ n'

Arduino keskkonnas (Arduino IDE) on sisseehitatud jadamonitor, mis suudab seeriaandmeid lugeda ja kirjutada, seetõttu saab seeriakäske testida ilma kirjaliku koodita.

12. samm: jagage oma kogemusi ja täiustage pumpa

Kui olete meie pumba ehitanud, siis jagage oma kogemusi ja täiustusi tarkvara ja riistvara osas:

Thingiverse (3D -prinditud osad)

GitHub (tarkvara)

Juhendid (juhised, juhtmestik, üldine)

Samm: kas olete huvitatud IGEM -ist?

Sihtasutus iGEM (rahvusvaheline geneetiliselt muundatud masin) on sõltumatu mittetulundusühing, mis on pühendunud haridusele ja konkurentsile, sünteetilise bioloogia edendamisele ning avatud kogukonna ja koostöö arendamisele.

iGEM juhib kolme põhiprogrammi: iGEM Competition - rahvusvaheline konkurss sünteetilise bioloogia valdkonnast huvitatud õpilastele; programm Labs - programm akadeemilistele laboritele, et kasutada samu ressursse nagu võistlusmeeskonnad; ja bioloogiliste standardosade register - bioloogiliste seadmete ja süsteemide ehitamiseks kasutatavate geneetiliste osade kogum.

igem.org/Main_Page