Natančna peristaltična črpalka: 13 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Smo študentska ekipa iz različnih disciplin univerze RWTH Aachen in smo ta projekt ustvarili v okviru natečaja iGEM 2017.

Po vsem delu, ki smo ga vložili v našo črpalko, bi radi svoje rezultate delili z vami!

To peristaltično črpalko smo zgradili kot splošno uporabno rešitev za ravnanje s tekočinami za vsak projekt, ki zahteva transport tekočin. Naša črpalka je sposobna natančnega doziranja in črpanja, kar zagotavlja širok razpon dozirnih količin in pretokov za čim večjo uporabo. Skozi 125 poskusov doziranja smo lahko dokazali in količinsko opredelili natančnost naše črpalke. Za cevi z notranjim premerom 0, 8 mm in kakršnim koli pretokom ali dozirno prostornino v skladu s specifikacijami bi lahko pokazali natančnost, ki je boljša od 2% odstopanja od nastavljene vrednosti. Glede na rezultate meritev se lahko natančnost še izboljša, če se hitrost kalibracije prilagodi zahtevanemu pretoku.

Črpalko je mogoče upravljati brez znanja programiranja prek vgrajenega LCD zaslona in vrtljivega gumba. Poleg tega lahko črpalko daljinsko upravljate prek USB -ja s serijskimi ukazi. Ta preprost način komunikacije je združljiv s splošno programsko opremo in programskimi jeziki (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#itd.).

Črpalka je preprosta in poceni za izdelavo, saj vsi deli skupaj stanejo manj kot 100 USD v primerjavi s 1300 USD za najcenejšo primerljivo komercialno rešitev, ki smo jo našli. Poleg 3D tiskalnika so potrebna le običajna orodja. Naš projekt je odprtokoden v smislu strojne in programske opreme. Ponujamo datoteke CAD za 3D tiskane dele, celoten seznam vseh zahtevanih komercialnih komponent in njihovih virov ter izvorno kodo, ki se uporablja v naši črpalki.

1. korak: Preverite specifikacije

Preverite spodaj priložene specifikacije in razpravo o natančnosti.

Ali črpalka ustreza vašim zahtevam?

2. korak: Zberite komponente

1x Arduino Uno R3/ združljiva plošča 1x koračni motor (ŠxVxG): 42x42x41 mm, Gred (ØxL): 5x22 mm1x Napajanje 12 V/ 3 A, priključek: 5,5/ 2,1 mm1x Gonilnik koračnega motorja A49881x LCD modul 16x2, (ŠxVxG): 80x36x13 mm3x Igličasti ležaj HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8 mm1x Dajalnik 5 V, 0,01 A, 20 stikalnih položajev, 360 ° 1x cev črpalke, 1,6 mm debelina stene, 0,2m4x samolepilna noga (L x Š x V) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Ravni zatič (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Krmilni gumb (Ø x V) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potenciometer/ trimer 10k1x 220 Ohm Upor 1x Kondenzator 47 μF, 25 V

Ožičenje: 1x tiskana vezja (D x Š) 80 mm x 52 mm, Razmik med kontakti 2,54 mm (CS) 2x Pin -trak, ravno, CS 2,54, nazivni tok 3A, 36 zatičev 1 x Vtičnica, ravna, CS 2,54, nazivni tok 3A, 40 zatiči 1x Kabli, različnih barv (npr. Ø 2,5 mm, prerez 0, 5 mm²) Toplotno krčenje (primerno za kable, npr. Ø 3 mm)

Vijaki: 4x M3, L = 25 mm (dolžina brez glave), ISO 4762 (šestkotna glava) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (šestkotna glava) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (šestkotna glava) 4x Majhen vijak (za LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm vijak, DIN 9161x M3, matica, ISO 4032

3D natisnjeni deli: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D tiskanje ni potrebno => rezkanje/rezanje/žaganje) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

3. korak: naknadna obdelava 3D natisov

3D tiskane dele je treba po tiskanju očistiti, da odstranite morebitne ostanke iz procesa tiskanja. Orodja, ki jih priporočamo za naknadno obdelavo, so majhna datoteka in rezalnik niti za niti M3. Po tiskanju je treba večino lukenj razširiti z ustreznim vrtalnikom. Za luknje, ki vsebujejo vijake M3, je treba z zgoraj omenjenim rezalnikom navojev odrezati navoj.

4. korak: Kabli in ožičenje

Jedro vezja sestavljata Arduino in plošča. Na deski je gonilnik koračnega motorja, trimer za LCD, 47µF kondenzator in priključki za napajanje različnih komponent. Da bi izklopili Arduino s stikalom za vklop, je bilo napajanje Arduina prekinjeno in pripeljalo do Perfboard -a. V ta namen je bila dioda, ki se nahaja na Arduinu neposredno za vtičnico, razpakana in namesto tega pripeljana na ploščo.

5. korak: Nastavitve strojne opreme

Neposredno na vezju je treba izvesti tri nastavitve.

Najprej je treba nastaviti tokovno mejo za gonilnik koračnega motorja, tako da nastavite mali vijak na A4988. Na primer, če je napetost V_ref med vijakom in GND v vklopljenem stanju 1V, je trenutna meja dvakratna vrednost: I_max = 2A (to je vrednost, ki smo jo uporabili). Višji kot je tok, večji je navor motorja, kar omogoča večje hitrosti in pretok. Vendar pa se povečujeta tudi poraba energije in razvoj toplote.

Poleg tega lahko način koračnega motorja nastavite s tremi zatiči, ki se nahajajo v zgornjem levem kotu gonilnika koračnega motorja (MS1, MS2, MS3). Ko je MS2 pri + 5V, kot je prikazano na shemi ožičenja, motor deluje v četrtstopenjskem načinu, ki smo ga uporabili. To pomeni, da se izvede točno en korak (1,8 °) za štiri impulze, ki jih gonilnik koračnega motorja sprejme na zatič STEP.

Kot zadnjo vrednost, ki jo lahko nastavite, lahko trimer na plošči prilagodite kontrast LCD -ja.

6. korak: Preskusno vezje in komponente

Pred montažo je priporočljivo preizkusiti komponente in vezje na plošči. Na ta način je lažje najti in popraviti morebitne napake.

Našo programsko opremo lahko že naložite v Arduino, da vnaprej preizkusite vse funkcije. Izvorno kodo smo objavili na GitHubu:

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

7. korak: Montaža

Video prikazuje montažo komponent v predvidenem zaporedju brez ožičenja. Vse priključke je treba najprej pritrditi na komponente. Ožičenje je najbolje narediti na mestu, kjer so vstavljene vse komponente, vendar stranske stene še niso pritrjene. Težko dostopne vijake lahko enostavno dosežete s šestnajstim ključem.

1. Stikalo za vklop in dajalnik vstavite v predvideno luknjo in ju pritrdite na ohišje. Krmilni gumb pritrdite na dajalnik - bodite previdni - ko ga pritrdite, lahko kodirnik uniči, če ga poskusite znova odstraniti.

2. Pritrdite LCD zaslon z majhnimi vijaki, pred montažo spajajte upor in ožičenje na zaslon.

3. Ploščo Arduino Uno pritrdite na ohišje z 8 mm vijaki M3.

4. Vstavite koračni motor in ga s štirimi 10 mm vijaki M3 pritrdite na ohišje skupaj s 3D natisnjenim delom (Pump_case_bottom).

5. Ploščo pritrdite na ohišje - prepričajte se, da ste vse komponente spajkali na ploščo, kot je prikazano na shemi ožičenja.

6. Elektronske dele v ohišju ožičite.

7. Zaprite ohišje z dodajanjem stranskih plošč z vijaki M3 10x8 mm.

8. Sestavite nosilec ležaja, kot je prikazano na videoposnetku, in ga s 3 mm vijakom pritrdite na gred motorja

9. Na koncu pritrdite števec za držanje cevi (Pump_case_top_120 °) z dvema 25 mm vijakoma M3 in vstavite cev. Vstavite dva 25 mm vijaka M3, da ohranite cev na mestu med postopkom črpalke

8. korak: Vstavite cevi

9. korak: Spoznajte uporabniški vmesnik (ročni nadzor)

Uporabniški vmesnik ponuja celovit nadzor nad peristaltično črpalko. Sestavljen je iz LCD zaslona, kontrolnega gumba in stikala za vklop. Krmilni gumb lahko obračate ali pritiskate.

Z obračanjem gumba lahko izbirate med različnimi elementi menija, trenutno je izbrana točka menija v zgornji vrstici. S pritiskom na gumb aktivirate izbrano točko menija, označeno z utripajočim pravokotnikom. Utripajoči pravokotnik pomeni, da je element menija aktiviran.

Ko je element menija aktiviran, se začne, odvisno od izbranega elementa, dejanja ali dovoljuje spremembo ustrezne vrednosti z obračanjem gumba. Za vse elemente menija, povezane s številsko vrednostjo, lahko držite gumb za ponastavitev vrednosti na nič ali dvakrat pritisnete, da vrednost povečate za desetino svoje največje vrednosti. Če želite nastaviti izbrano vrednost in deaktivirati element menija, morate gumb še enkrat pritisniti.

Stikalo za vklop bo takoj izklopilo črpalko in vse njene komponente (Arduino, koračni motor, gonilnik koračnega motorja, LCD), razen če je črpalka priključena prek USB -ja. Arduino in LCD se lahko napajata prek USB -ja, tako da stikalo za vklop ne vpliva na njiju.

Meni črpalk vsebuje 10 elementov, ki so navedeni in opisani spodaj:

0 | StartStart črpanje, način delovanja je odvisen od načina, izbranega v načinu "6)"

1 | Volumen Nastavite dozirni volumen, upošteva se le, če je v načinu "6) izbran" Odmerek"

2 | V. Unit: Nastavite enoto prostornine, možnosti so: “mL”: mL “uL”: µL “gniloba”: rotacije (črpalke)

3 | Hitrost Nastavite pretok, upošteva se le, če je v načinu "6) izbran" Doza "ali" Črpalka"

4 | S. Unit: Nastavite enoto prostornine, možnosti so: "mL/min": mL/min "uL/min": µL/min "rpm": rotacije/min

5 | Smer: Izberite smer črpanja: „CW“za vrtenje v smeri urinega kazalca, „CCW“za nasprotni

6 | Način: Nastavite način delovanja: "Odmerek": doziranje izbrane prostornine (1 | Volumen) pri izbranem pretoku (3 | Hitrost) ob zagonu "Črpalka": črpalka neprekinjeno pri izbranem pretoku (3 | Hitrost), ko začelo "Cal.": Umerjanje, črpalka bo ob zagonu izvedla 30 vrtljajev v 30 sekundah

7 | Cal. Set kalibracijski volumen v ml. Za umerjanje se črpalka enkrat zažene v kalibracijskem načinu in izmerjena nastala kalibracijska prostornina, ki je bila črpana.

8 | Shrani nastavitev Shrani vse nastavitve v Arduinos EEPROM, vrednosti se ohranijo med izklopom in ponovno naložijo, ko se znova vklopi

9 | Ctrl USB Aktivirajte nadzor USB: Črpalka reagira na serijske ukaze, poslane prek USB -ja

10. korak: Umerjanje in poskusite z odmerjanjem

Izvedba ustrezne kalibracije pred uporabo črpalke je ključnega pomena za natančno odmerjanje in črpanje. Umerjanje bo črpalki povedalo, koliko tekočine se premika na vrtenje, zato lahko črpalka izračuna, koliko vrtljajev in katera hitrost je potrebna za dosego nastavljenih vrednosti. Če želite začeti kalibracijo, izberite način »Cal«. in začnite črpanje ali pošljite ukaz za umerjanje prek USB -ja. Standardni kalibracijski cikel bo opravil 30 obratov v 30 sekundah. Količino tekočine, ki se črpa v tem ciklu (kalibracijska prostornina), je treba natančno izmeriti. Prepričajte se, da na merjenje ne vplivajo kapljice, ki se prilepijo na cev, teža same cevi ali druge motnje. Priporočamo uporabo mikrogramske lestvice za umerjanje, saj lahko preprosto izračunate prostornino, če sta znana gostota in teža črpane količine tekočine. Ko izmerite kalibracijsko prostornino, lahko črpalko prilagodite tako, da nastavite vrednost točke menija "7 | Cal". ali pa ga priložite svojim serijskim ukazom.

Upoštevajte, da bo vsaka sprememba po umerjanju nosilca cevi ali razlika v tlaku vplivala na natančnost črpalke. Umerjanje poskušajte izvesti vedno pri enakih pogojih, pri katerih se bo črpalka uporabljala kasneje. Če odstranite cev in jo znova namestite v črpalko, se bo kalibracijska vrednost spremenila do 10%, saj se do majhnih razlik v položaju in sili, ki deluje na vijake. Vlečenje cevi bo spremenilo tudi pozicioniranje in s tem vrednost umerjanja. Če se umerjanje izvede brez razlike tlaka in se črpalka kasneje uporabi za črpanje tekočin pri drugem tlaku, bo to vplivalo na natančnost. Ne pozabite, da lahko tudi razlika v nivoju enega metra ustvari tlačno razliko 0,1 bara, kar bo imelo majhen vpliv na kalibracijsko vrednost, tudi če lahko črpalka s cevjo 0,8 mm doseže pritisk najmanj 1,5 bara.

11. korak: Serijski vmesnik - daljinski upravljalnik prek USB -ja

Serijski vmesnik temelji na serijskem komunikacijskem vmesniku Arduino prek USB -ja (Baud 9600, 8 podatkovnih bitov, brez parnosti, en stop bit). Za komunikacijo s črpalko lahko uporabite katero koli programsko opremo ali programski jezik, ki lahko zapiše podatke v serijska vrata (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#itd.). Vse funkcije črpalke so dostopne s pošiljanjem ustreznega ukaza črpalki, na koncu vsakega ukaza je potreben nov znak vrstice '\ n' (ASCII 10).

Odmerek: d (prostornina v µL), (hitrost v µL/min), (kalibracijska prostornina v µL) '\ n'

npr.: d1000, 2000, 1462 '\ n' (doziranje 1 ml pri 2 ml/min, kalibracijska prostornina = 1,462 ml)

Črpalka: p (hitrost v µL/min), (kalibracijska prostornina v µL) '\ n'

npr.: p2000, 1462 '\ n' (črpalka pri 2 ml/min, kalibracijska prostornina = 1,462 ml)

Umerjanje: c '\ n'

Ustavi: x '\ n'

Okolje Arduino (Arduino IDE) ima vgrajen serijski monitor, ki lahko bere in piše serijske podatke, zato je serijske ukaze mogoče preizkusiti brez pisne kode.

12. korak: Delite svoje izkušnje in izboljšajte črpalko

Če ste izdelali našo črpalko, prosimo, delite svoje izkušnje in izboljšave programske in strojne opreme na:

Thingiverse (3D natisnjeni deli)

GitHub (programska oprema)

Navodila (navodila, ožičenje, splošno)

Korak: Vas zanima IGEM?

Fundacija iGEM (mednarodni genetsko inženirski stroj) je neodvisna, neprofitna organizacija, namenjena izobraževanju in konkurenci, napredku sintetične biologije ter razvoju odprte skupnosti in sodelovanja.

iGEM izvaja tri glavne programe: iGEM Competition - mednarodno tekmovanje za študente, ki se zanimajo za področje sintetične biologije; Labs Program - program za akademske laboratorije, ki uporabljajo iste vire kot tekmovalne ekipe; in Register standardnih bioloških delov - vse večja zbirka genetskih delov, ki se uporabljajo za gradnjo bioloških naprav in sistemov.

igem.org/Main_Page