Precizna peristaltička pumpa: 13 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:36

Studentski smo tim iz različitih disciplina Sveučilišta RWTH u Aachenu i stvorili smo ovaj projekt u kontekstu natjecanja iGEM 2017. godine.

Nakon svih radova koji su uloženi u našu pumpu, željeli bismo s vama podijeliti naše rezultate!

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

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

Pumpa je jednostavna i jeftina za proizvodnju, sa svim dijelovima koji vrijede manje od 100 USD u usporedbi s 1300 USD za najjeftinije usporedivo komercijalno rješenje koje smo mogli pronaći. Osim 3D pisača, potrebni su samo uobičajeni alati. Naš projekt je otvorenog koda u smislu hardvera i softvera. Pružamo CAD datoteke za 3D ispisane dijelove, potpuni popis svih potrebnih komercijalnih komponenti i njihovih izvora te izvorni kod koji se koristi u našoj pumpi.

Korak 1: Provjerite specifikacije

Provjerite specifikacije i raspravu o točnosti u nastavku.

Odgovara li pumpa vašim zahtjevima?

Korak 2: Skupite komponente

1x Arduino Uno R3/ kompatibilna ploča1x Koračni motor (ŠxVxG): 42x42x41 mm, Vratilo (ØxL): 5x22 mm1x Napajanje 12 V/ 3 A, priključak: 5,5/ 2,1 mm1x Upravljač koračnog motora A49881x LCD modul 16x2, (ŠxVxG): 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, debljina stijenke 1,6 mm, 0,2 m4x Samoljepljivo stopalo (L x Š x V) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Ravni zatik (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Kontrolni gumb (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 Utičnica, ravna, CS 2,54, nazivna struja 3A, 40 igle1x Kabeli, različite boje (npr. Ø 2,5 mm, presjek 0, 5 mm²) Termoskupljanje (prikladno za kabele, npr. Ø 3 mm)

Vijci: 4x M3, L = 25 mm (duljina 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 vijak za točenje (za LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm vijak za brušenje, DIN 9161x M3, matica, ISO 4032

3D ispisani dijelovi: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D ispis nije potreban => glodanje/rezanje/piljenje) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Ležaj_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Korak 3: naknadna obrada 3D ispisa

3D ispisani dijelovi moraju se očistiti nakon ispisa kako bi se uklonili svi ostaci iz procesa ispisa. 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 izrezati konac s gore spomenutim rezačem navoja.

Korak 4: Kabeli i ožičenje

Jezgru 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 Perfboarda. U tu je svrhu dioda koja se nalazi na Arduinu izravno iza priključka za napajanje raspajkana i umjesto toga dovedena na ploču za napajanje.

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 i okretni moment motora, što omogućuje veće brzine i brzine protoka. Međutim, također se povećava 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 shemi ožičenja, motor radi u načinu rada u četvrtim koracima, koji smo koristili. To znači da se točno jedan korak (1,8 °) izvodi za četiri impulsa koja vozač koračnog motora prima na pin STEP.

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

Korak 6: Ispitni krug i komponente

Prije montaže preporučuje se testiranje komponenti i kruga na ploči. Na taj način lakše je pronaći i ispraviti moguće pogreške.

Već možete prenijeti naš softver na Arduino, kako biste unaprijed isprobali sve funkcije. Izvorni kod smo objavili na GitHubu:

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

Korak 7: Montaža

Video prikazuje montažu komponenti u predviđenom redoslijedu bez ožičenja. Svi priključci najprije trebaju biti pričvršćeni na komponente. Ožičenje je najbolje izvesti na mjestu gdje su umetnute sve komponente, ali bočne stjenke još nisu fiksirane. Do teško dostupnih vijaka lako se dolazi šesterokutnim ključem.

1. Umetnite prekidač za napajanje i davač u predviđenu rupu i pričvrstite ih na kućište. Pričvrstite upravljački gumb na davač, budite oprezni - nakon što ga postavite, može ga uništiti ako ga pokušate ponovno ukloniti.

2. Pričvrstite LCD zaslon malim vijcima za zatezanje, prije spajanja lemite otpornik i ožičenje na zaslon.

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 3 mm vijka

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

Korak 8: Umetnite cijevi

Korak 9: Upoznajte se s korisničkim sučeljem (ručna kontrola)

Korisničko sučelje pruža sveobuhvatnu kontrolu peristaltičke pumpe. Sastoji se od LCD zaslona, upravljačke tipke i prekidača za uključivanje. Kontrolni gumb se može okretati ili gurati.

Okretanjem gumba možete birati između različitih stavki izbornika, trenutno je odabrana stavka izbornika na gornjem retku. Pritiskom na gumb aktivirat će se odabrana stavka izbornika, označena treperavim pravokutnikom. Trepćući pravokutnik znači da je stavka izbornika aktivirana.

Nakon što je stavka izbornika aktivirana, počinje ovisno o odabranoj stavci ili radnji ili dopušta promjenu odgovarajuće vrijednosti okretanjem gumba. Za sve stavke izbornika spojene na numeričku vrijednost, gumb se može držati za poništavanje vrijednosti na nulu ili dvaput pritisnuti kako bi se vrijednost povećala za jednu desetinu njegove maksimalne vrijednosti. Za postavljanje odabrane vrijednosti i deaktiviranje stavke izbornika, gumb je potrebno pritisnuti drugi put.

Prekidač za napajanje odmah će isključiti crpku i sve njezine komponente (Arduino, koračni motor, upravljački program koračnog motora, LCD), osim ako je crpka spojena putem USB -a. Arduino i LCD mogu se napajati putem USB -a, tako da prekidač za napajanje neće utjecati na njih.

Izbornik crpki ima 10 stavki koje su navedene i opisane u nastavku:

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

1 | VolumenPostavljanje volumena doziranja, uzima se u obzir samo ako je "Doza" odabrana u "6) načinu"

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

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

4 | S. Jedinica: Postavite jedinicu volumena, 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 odabranog volumena (1 | Volumen) pri odabranoj brzini protoka (3 | Brzina) pri pokretanju "Pumpa": pumpa kontinuirano pri odabranoj brzini protoka (3 | Brzina) kada pokrenuto "Cal.": Kalibracija, crpka će pokrenuti 30 okretaja u 30 sekundi

7 | Kal. Postavite kalibracijski volumen u ml. Za kalibraciju, crpka se jednom pokreće u načinu kalibracije i mjeri se rezultirajući kalibracijski volumen koji je ispumpan.

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

9 | USB CtrlAktiviranje USB kontrole: Pumpa reagira na serijske naredbe poslane putem USB -a

Korak 10: Kalibracija i isprobajte doziranje

Izvođenje odgovarajuće kalibracije prije uporabe pumpe ključno je za precizno doziranje i pumpanje. Kalibracija će pumpi reći koliko se tekućine pomiče po jednoj rotaciji, tako da crpka može izračunati koliko rotacija i koja brzina je potrebna da bi se zadovoljile zadane vrijednosti. Za početak kalibracije odaberite način rada "Cal". i pokrenite pumpanje ili pošaljite naredbu za kalibraciju putem USB -a. Standardni kalibracijski ciklus izvest će 30 okretaja u 30 sekundi. Volumen tekućine koja se ispumpava tijekom ovog ciklusa (kalibracijski volumen) treba precizno izmjeriti. Uvjerite se da na mjerenje ne utječu padovi koji se lijepe za cijev, težina cijevi ili bilo koje druge smetnje. Za kalibraciju preporučujemo upotrebu mikrogramske ljestvice jer možete lako izračunati volumen ako su poznata 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 tlaka utjecati na preciznost crpke. Pokušajte kalibrirati uvijek pod istim uvjetima, pri kojima će se crpka kasnije koristiti. Ako uklonite cijev i ponovno je postavite u pumpu, kalibracijska će se vrijednost promijeniti do 10%, zbog malih razlika u položaju i sili koja se primjenjuje na vijke. Povlačenjem cijevi promijenit će se i položaj, a time i vrijednost umjeravanja. Ako se kalibracija vrši bez razlike tlaka, a crpka se kasnije koristi za pumpanje tekućina pod drugim tlakom, to će utjecati na preciznost. Upamtite da čak i razlika u razini od jednog metra može stvoriti razliku tlaka od 0,1 bara, što će imati mali utjecaj na kalibracijsku vrijednost, čak i ako crpka može postići tlak 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 Arduinovom serijskom komunikacijskom sučelju 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 crpke dostupne su slanjem odgovarajuće naredbe crpki, 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 1 ml pri 2 ml/min, kalibracijski volumen = 1,462 ml)

Crpka: p (brzina u µL/min), (kalibracijski volumen u µL) '\ n'

npr.: p2000, 1462 '\ n' (pumpa pri 2 ml/min, kalibracijski volumen = 1,462 ml)

Kalibrirajte: c '\ n'

Zaustavi: x '\ n'

Arduino okruženje (Arduino IDE) ima ugrađeni 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 ispisani dijelovi)

GitHub (softver)

Instrukcije (upute, ožičenje, općenito)

Korak 13: Zanima vas IGEM?

Zaklada iGEM (međunarodni genetski projektirani stroj) neovisna je, neprofitna organizacija posvećena obrazovanju i konkurenciji, napretku sintetičke biologije te razvoju otvorene zajednice i suradnje.

iGEM vodi tri glavna programa: iGEM Competition - međunarodno natjecanje za studente zainteresirane za područje sintetske biologije; Labs Program - program za akademske laboratorije koji koriste iste resurse kao i natjecateljski timovi; i Registar standardnih bioloških dijelova - sve veća zbirka genetskih dijelova koji se koriste za izgradnju bioloških uređaja i sustava.

igem.org/Main_Page