Pontos perisztaltikus szivattyú: 13 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:42

Az RWTH Aachen Egyetem különböző tudományágaiból származó diákcsapat vagyunk, és ezt a projektet a 2017 -es iGEM verseny keretében hoztuk létre.

Az összes munka után, ami a szivattyúnkba került, szeretnénk megosztani veletek eredményeinket!

Ezt a perisztaltikus szivattyút általánosan alkalmazható folyadékkezelési megoldásként építettük fel minden olyan projekthez, amely folyadékok szállítását igényli. Szivattyúnk képes precíz adagolásra és szivattyúzásra, széles adagolási térfogatot és áramlási sebességet biztosítva a lehetséges alkalmazások maximalizálása érdekében. 125 adagolási kísérlettel bizonyíthattuk és számszerűsíthettük szivattyúnk pontosságát. A 0, 8 mm belső átmérőjű csövek és a specifikációkon belüli bármilyen áramlási vagy adagolási térfogat esetén a pontosság 2% -nál nagyobb eltérést mutathat. A mérések eredményei alapján a pontosság még tovább javítható, ha a kalibrálás sebességét a kívánt áramlási sebességhez igazítják.

A szivattyú programozási ismeretek nélkül vezérelhető a beépített LCD kijelzőn és egy forgatógombbal. Ezenkívül a szivattyú távvezérelhető USB -n keresztül soros parancsokkal. Ez az egyszerű kommunikációs mód kompatibilis a közös szoftverekkel és programozási nyelvekkel (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#stb.).

A szivattyú gyártása egyszerű és olcsó, az összes alkatrész kevesebb, mint 100 dollár, míg a legolcsóbb összehasonlítható kereskedelmi megoldás 1300 dollárja. A 3D nyomtató mellett csak közös eszközökre van szükség. Projektünk hardver és szoftver szempontjából nyílt forráskódú. Biztosítjuk a 3D nyomtatott alkatrészek CAD fájljait, az összes szükséges kereskedelmi alkatrész és azok forrásainak teljes listáját, valamint a szivattyúnkban használt forráskódot.

1. lépés: Ellenőrizze a specifikációkat

Ellenőrizze az alább mellékelt specifikációkat és a pontossági vitát.

A szivattyú megfelel az Ön igényeinek?

2. lépés: Gyűjtse össze az alkatrészeket

1x Arduino Uno R3/ kompatibilis kártya 1x léptetőmotor (szélesség x magasság x mélység): 42x42x41 mm, tengely (ØxL): 5x22 mm mm3x tűcsapágy HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm Szé x Ma) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm 3x Egyenes csap (Ø x L) 4 mm x 14 mm 1x Vezérlőgomb (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm

Kábelezés: 1x NYÁK (H x Sz) 80 mm x 52 mm, Érintőtávolság 2,54 mm (CS) 2x Tűszalag, egyenes, CS 2,54, névleges áram 3A, 36 érintkező 1x Foglalatcsík, egyenes, CS 2,54, névleges áram 3A, 40 csapok 1x Különböző színű kábelek (pl. Ø 2,5 mm, keresztmetszet 0, 5 mm²) Hőzsugorodás (alkalmas kábelekhez, pl. Ø 3 mm)

Csavarok: 4x M3, L = 25 mm (hossz fej nélkül), ISO 4762 (hatszögletű fej) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (hatszögletű fej) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (hatszögletű fej) 4x Kis csavar (LCD-hez, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm csavar, DIN 9161x M3, anya, ISO 4032

3D nyomtatott alkatrészek: (Thingiverse) 1x tok_max2 x tok_oldal (3D nyomtatás nem szükséges => marás/vágás/fűrészelés) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

3. lépés: A 3D nyomatok utólagos feldolgozása

A 3D nyomtatott alkatrészeket a nyomtatás után meg kell tisztítani, hogy eltávolítsák a nyomtatási folyamat maradványait. Az utófeldolgozáshoz ajánlott eszközök egy kis reszelő és egy szálvágó az M3 szálakhoz. A nyomtatási folyamat után a legtöbb lyukat ki kell szélesíteni egy megfelelő fúróval. Az M3 csavarokat tartalmazó lyukakhoz menetet kell vágni a fent említett menetvágóval.

4. lépés: Kábelek és huzalozás

Az áramkör magja az Arduino és egy perfboard. A perfboardon található a léptetőmotor meghajtója, az LCD trimmerje, a 47µF kondenzátor és a csatlakozók a különböző alkatrészek áramellátásához. Annak érdekében, hogy kikapcsolja az Arduino -t a főkapcsolóval, az Arduino áramellátása megszakadt, és a Perfboardhoz vezetett. Ebből a célból a diódát, amely az Arduino -n található, közvetlenül a tápcsatlakozó mögött, ki kell forrasztani, és helyette a perfboardra kell vinni.

5. lépés: Hardverbeállítások

Három beállítást kell elvégezni közvetlenül az áramkörön.

Először az A4988 kis csavarjának beállításával kell beállítani a lépésmotor meghajtó áramkorlátját. Például, ha a V_ref feszültség a csavar és a GND között bekapcsolt állapotban 1V, akkor az áramhatár kétszerese az értéknek: I_max = 2A (ezt az értéket használtuk). Minél nagyobb az áram, annál nagyobb a motor nyomatéka, ami nagyobb fordulatszámot és áramlási sebességet tesz lehetővé. Ugyanakkor az energiafogyasztás és a hőfejlődés is növekszik.

Ezenkívül a léptetőmotor üzemmódja beállítható a léptetőmotor -meghajtó bal felső sarkában található három csap segítségével (MS1, MS2, MS3). Amikor az MS2 + 5V feszültség alatt van, amint az a kapcsolási rajzon látható, a motort negyed lépéses üzemmódban működtetjük, amelyet mi használtunk. Ez azt jelenti, hogy pontosan egy lépést (1,8 °) kell végrehajtani négy impulzushoz, amelyeket a léptetőmotor meghajtója kap a STEP csapnál.

Utolsó beállítható értékként a perfboardon lévő trimmer használható az LCD kontrasztjának beállítására.

6. lépés: Vizsgálja meg az áramkört és az alkatrészeket

Összeszerelés előtt ajánlott az alkatrészek és az áramkör tesztelése kenyérsütő deszkán. Ily módon könnyebb megtalálni és kijavítani a lehetséges hibákat.

Már feltöltheti szoftverünket az Arduino -ba, hogy előzetesen kipróbálhassa az összes funkciót. A forráskódot közzétettük a GitHubon:

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

7. lépés: Összeszerelés

A videó bemutatja az alkatrészek összeszerelését a kívánt sorrendben, kábelezés nélkül. Minden csatlakozót először az alkatrészekhez kell csatlakoztatni. A huzalozást a legjobban ott kell elvégezni, ahol az összes alkatrészt behelyezték, de az oldalfalakat még nem rögzítették. A nehezen hozzáférhető csavarok hatlapú csavarkulccsal könnyen elérhetők.

1. Helyezze be a főkapcsolót és a jeladót a kijelölt lyukba, és rögzítse azokat a tokhoz. Csatlakoztassa a vezérlőgombot a kódolóhoz - legyen óvatos - miután rögzítette a gombot, az tönkreteheti a kódolót, ha ismét megpróbálja eltávolítani.

2. Csatlakoztassa az LCD kijelzőt kis csavarokkal, győződjön meg arról, hogy az ellenállást és a kábelezést a kijelzőhöz forrasztja, mielőtt összeszereli.

3. Rögzítse az Arduino Uno lapot a tokhoz 8 mm -es M3 csavarokkal.

4. Helyezze be a lépésmotort, és rögzítse a tokhoz a 3D nyomtatott résszel együtt (Pump_case_bottom) négy 10 mm -es M3 csavar segítségével.

5. Rögzítse a perfboardot a tokhoz - győződjön meg arról, hogy az összes alkatrészt forrasztotta a perfboardra, a kapcsolási rajzon látható módon.

6. Csatlakoztassa az elektronikus alkatrészeket a házba.

7. Zárja le a burkolatot az oldalsó panelek hozzáadásával 10x 8 mm -es M3 csavarokkal.

8. Szerelje össze a csapágytartót a videó szerint, és rögzítse a motor tengelyéhez egy 3 mm -es csavarral

9. Végül rögzítse a cső tartására szolgáló ellenállást (Pump_case_top_120 °) két 25 mm -es M3 csavarral, és helyezze be a csövet. Helyezzen be két 25 mm -es M3 csavart, hogy a cső a helyén maradjon a szivattyúzás során

8. lépés: Helyezze be a csövet

9. lépés: Ismerje meg a felhasználói felületet (kézi vezérlés)

A felhasználói felület átfogó vezérlést biztosít a perisztaltikus szivattyúhoz. LCD kijelzőből, vezérlőgombból és főkapcsolóból áll. A vezérlőgomb forgatható vagy tolható.

A gomb elforgatásával különböző menüpontok közül választhat, a felső sorban lévő menüpont jelenleg kiválasztva. A gomb megnyomásával aktiválhatja a kiválasztott menüpontot, amelyet villogó téglalap jelez. A villogó téglalap azt jelzi, hogy a menüpont aktiválva van.

A menüpont aktiválása után a kiválasztott elemtől függően elindul, vagy egy művelet, vagy lehetővé teszi a megfelelő érték megváltoztatását a gomb elforgatásával. Az összes menüponthoz, amely numerikus értékhez van csatlakoztatva, a gombot lenyomva tarthatja az érték nullára állítását vagy kétszeres megnyomását, hogy a maximális érték tizedével növelje az értéket. A kiválasztott érték beállításához és egy menüpont kikapcsolásához a gombot másodszor kell megnyomni.

A főkapcsoló azonnal leállítja a szivattyút és annak összes alkatrészét (Arduino, lépésmotor, lépésmotor -meghajtó, LCD), kivéve, ha a szivattyú USB -n keresztül van csatlakoztatva. Az Arduino és az LCD tápellátása USB -ről lehetséges, így a főkapcsoló nem befolyásolja őket.

A szivattyúk menü 10 elemet tartalmaz, amelyeket az alábbiakban sorolunk fel és ismertetünk:

0 | Indítsa el a szivattyúzást, az üzemmód a „6) módban” kiválasztott módtól függ

1 | Hangerő Az adagolási térfogat beállítása csak akkor vehető figyelembe, ha a „Dózis” van kiválasztva a „6) módban”

2 | V. Egység: Állítsa be a térfogat egységet, a következő lehetőségek állnak rendelkezésre: „mL”: ml „uL”: µL „rothadás”: a szivattyú forgása

3 | Sebesség Az áramlási sebesség beállítása csak akkor vehető figyelembe, ha a „Dózis” vagy „Szivattyú” van kiválasztva a „6) üzemmódban”

4 | S. Egység: Állítsa be a hangerőegységet, a következő lehetőségek állnak rendelkezésre: „ml/perc”: ml/perc „uL/perc”: µL/perc „rpm”: fordulatszám/perc

5 | Irány: Válassza ki a szivattyúzás irányát: „CW” az óramutató járásával megegyező irányban, „CCW” az óramutató járásával ellentétes irányban

6 | Üzemmód: Üzemmód beállítása: „Adag”: a kiválasztott térfogatot (1 | Térfogat) adagolja a kiválasztott áramlási sebességgel (3 | Sebesség) indításkor „Szivattyú”: folyamatosan szivattyúz a kiválasztott áramlási sebességgel (3 | Sebesség), amikor indított „Cal.”: Kalibrálás, a szivattyú 30 fordulatot hajt végre 30 másodpercen belül indításkor

7 | Cal. Állítsa be a kalibrálási térfogatot ml -ben. A kalibráláshoz a szivattyút egyszer működtetik kalibrációs módban, és megmérik a kapott kalibrációs térfogatot.

8 | Mentse a beállítást. Mentsen el minden beállítást az Arduinos EEPROM -ba, az értékek megmaradnak a kikapcsolás során, és újra betöltődnek, amikor újra bekapcsolják a készüléket

9 | USB CtrlAz USB vezérlés aktiválása: A szivattyú reagál az USB -n keresztül küldött soros parancsokra

10. lépés: Kalibrálás és az adagolás kipróbálása

A pontos kalibrálás a szivattyú használata előtt elengedhetetlen a pontos adagoláshoz és szivattyúzáshoz. A kalibrálás megmondja a szivattyúnak, hogy mennyi folyadékot mozgatnak forgásonként, így a szivattyú kiszámíthatja, hogy hány fordulat és milyen sebesség szükséges a beállított értékek teljesítéséhez. A kalibrálás elindításához válassza a „Cal” módot. és indítsa el a szivattyúzást, vagy küldje el a kalibrálási parancsot USB -n keresztül. A standard kalibrációs ciklus 30 fordulatot hajt végre 30 másodperc alatt. A ciklus során szivattyúzott folyadék térfogatát (kalibrációs térfogat) pontosan meg kell mérni. Győződjön meg arról, hogy a mérést nem befolyásolja a csőre tapadt csepp, a cső súlya vagy bármilyen más interferencia. Javasoljuk, hogy kalibráláshoz mikrogramm skálát használjon, mivel könnyen kiszámíthatja a térfogatot, ha ismert a szivattyúzott folyadékmennyiség sűrűsége és tömege. Miután megmérte a kalibrálási térfogatot, beállíthatja a szivattyút a „7 | Cal.” Menüpont értékének beállításával. vagy csatolja a soros parancsokhoz.

Kérjük, vegye figyelembe, hogy a csőtartó vagy a nyomáskülönbség kalibrálása utáni bármilyen változtatás befolyásolja a szivattyú pontosságát. Próbálja meg a kalibrálást mindig azonos feltételek mellett elvégezni, amelyeknél a szivattyút később használni fogják. Ha eltávolítja a csöveket, és visszahelyezi a szivattyúba, a kalibrálási érték akár 10%-kal is megváltozik, mivel a csavarokra helyezett helyzetben és erőben kis eltérések vannak. A cső meghúzása megváltoztatja a pozicionálást és ezáltal a kalibrálási értéket is. Ha a kalibrációt nyomáskülönbség nélkül hajtják végre, és a szivattyút később más nyomáson folyadékok szivattyúzására használják, ez befolyásolja a pontosságot. Ne feledje, hogy még egy méteres szintkülönbség is 0,1 bar nyomáskülönbséget eredményezhet, ami kismértékben befolyásolja a kalibrálási értéket, még akkor is, ha a szivattyú a 0,8 mm -es cső segítségével legalább 1,5 bar nyomást tud elérni.

11. lépés: Soros interfész - Távirányító USB -n keresztül

A soros interfész az Arduino USB -n keresztüli soros kommunikációs interfészén alapul (Baud 9600, 8 adatbit, nincs paritás, egy stop bit). Bármilyen szoftver vagy programozási nyelv, amely képes adatokat írni a soros portra, használható a szivattyúval való kommunikációra (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#stb.). A szivattyú minden funkciója elérhető, ha elküldi a megfelelő parancsot a szivattyúnak, minden parancs végén egy új sor / 'n' (ASCII 10) szükséges.

Adag: d (térfogat µL -ben), (sebesség µL/perc), (kalibrációs térfogat µL -ben) '\ n'

pl.: d1000, 2000, 1462 (1 ml adagolás 2 ml/perc sebességgel, kalibrálási térfogat = 1,462 ml)

Szivattyú: p (sebesség µL/percben), (kalibrációs térfogat µL -ben) '\ n'

pl.: p2000, 1462 '\ n' (szivattyú 2 ml/perc sebességgel, kalibrálási térfogat = 1,462 ml)

Kalibrálás: c '\ n'

Megállás: x '\ n'

Az Arduino környezet (Arduino IDE) beépített soros monitorral rendelkezik, amely képes olvasni és írni soros adatokat, ezért a soros parancsok írott kód nélkül tesztelhetők.

12. lépés: Ossza meg tapasztalatait és javítsa a szivattyút

Ha megépítette szivattyúnkat, kérjük, ossza meg tapasztalatait és fejlesztéseit a szoftverek és hardverek területén:

Thingiverse (3D nyomtatott alkatrészek)

GitHub (szoftver)

Utasítások (utasítások, kábelezés, általános)

13. lépés: Kíváncsi az IGEM -re?

Az iGEM (nemzetközi Genetically Engineered Machine) Alapítvány egy független, non-profit szervezet, amely elkötelezett az oktatás és a verseny, a szintetikus biológia fejlődése, valamint a nyitott közösség és együttműködés kialakítása iránt.

Az iGEM három fő programot futtat: az iGEM Competition - nemzetközi verseny a szintetikus biológia iránt érdeklődő hallgatók számára; a Labs Program - olyan program az akadémiai laboratóriumoknak, amelyek ugyanazokat az erőforrásokat használják fel, mint a versenycsoportok; valamint a szabványos biológiai alkatrészek nyilvántartása - a biológiai eszközök és rendszerek építéséhez használt genetikai alkatrészek egyre növekvő gyűjteménye.

igem.org/Main_Page