Presné peristaltické čerpadlo: 13 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Sme študentský tím z rôznych odborov RWTH Aachen University a vytvorili sme tento projekt v kontexte súťaže iGEM 2017.

Po všetkej práci, ktorá bola vynaložená na naše čerpadlo, by sme sa chceli s vami podeliť o naše výsledky!

Toto peristaltické čerpadlo sme postavili ako všeobecne použiteľné riešenie pre manipuláciu s kvapalinami pre akýkoľvek projekt, ktorý vyžaduje prepravu kvapalín. Naše čerpadlo je schopné presného dávkovania a čerpania a poskytuje široký rozsah dávkovacích objemov a prietokov na maximalizáciu možných aplikácií. Prostredníctvom 125 experimentov s dávkovaním sme dokázali demonštrovať a kvantifikovať presnosť našej pumpy. Pre hadičky s vnútorným priemerom 0, 8 mm a akýmkoľvek prietokom alebo dávkovaným objemom v rámci špecifikácií by sme mohli ukázať presnosť lepšiu ako 2% odchýlka od nastavenej hodnoty. Vzhľadom na výsledky meraní je možné presnosť ešte viac zlepšiť, ak je rýchlosť kalibrácie upravená na požadovaný prietok.

Čerpadlo je možné ovládať bez znalosti programovania pomocou vstavaného LCD displeja a otočného gombíka. Čerpadlo je navyše možné diaľkovo ovládať pomocou USB pomocou sériových príkazov. Tento jednoduchý spôsob komunikácie je kompatibilný s bežným softvérom a programovacími jazykmi (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#atď.).

Čerpadlo je jednoduché a lacné na výrobu, pričom všetky diely predstavujú menej ako 100 dolárov v porovnaní s 1300 dolármi za najlacnejšie porovnateľné komerčné riešenie, aké sme mohli nájsť. Okrem 3D tlačiarne sú potrebné iba bežné nástroje. Náš projekt je z hľadiska hardvéru a softvéru open source. Poskytujeme súbory CAD pre 3D tlačené diely, kompletný zoznam všetkých požadovaných komerčných komponentov a ich zdroje a zdrojový kód použitý v našej pumpe.

Krok 1: Skontrolujte špecifikácie

Pozrite si nižšie uvedené špecifikácie a diskusiu o presnosti.

Spĺňa čerpadlo vaše požiadavky?

Krok 2: Zhromaždite komponenty

1 x Arduino Uno R3/ kompatibilná doska mm3x Ihlové ložisko HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8 mm1x Kodér 5 V, 0,01 A, 20 spínacích polôh, 360 ° 1x Hadica pumpy, hrúbka steny 1,6 mm, 0,2 m4x Samolepiaca noha (D x Š x V) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Rovný kolík (Ø x D) 4 mm x 14 mm1x Ovládací gombík (Ø x V) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potenciometer/ trimer 10k1x Rezistor 220 Ohm 1 x kondenzátor 47 µF, 25V

Zapojenie: 1x DPS (D x Š) 80 mm x 52 mm, Rozstup kontaktov 2,54 mm (CS) 2x Kolíková lišta, rovná, CS 2,54, menovitý prúd 3A, 36 pinov 1 x Zásuvková lišta, rovná, CS 2,54, menovitý prúd 3A, 40 kolíky 1 x káble, rôzne farby (napr. Ø 2,5 mm, prierez 0, 5 mm²) zmršťovanie teplom (vhodné pre káble, napr. Ø 3 mm)

Skrutky: 4x M3, L = 25 mm (dĺžka bez hlavy), ISO 4762 (šesťhranná hlava) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (šesťhranná hlava) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (šesťhranná hlava) 4x Malá závitová skrutka (pre LCD, Ø 2-2,5 mm, d = 3-6 mm) 1x M3, d = 10 mm závitová skrutka, DIN 9161x M3, matica, ISO 4032

3D tlačené diely: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D tlač nie je potrebná => frézovanie/rezanie/pílenie) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Krok 3: Spracovanie 3D výtlačkov

3D tlačené diely je potrebné po vytlačení vyčistiť, aby sa z procesu tlače odstránili všetky zvyšky. Nástroje, ktoré odporúčame na dodatočné spracovanie, sú malý súbor a rezačka závitov na závity M3. Po procese tlače je potrebné väčšinu otvorov rozšíriť pomocou vhodného vrtáka. V prípade otvorov, ktoré obsahujú skrutky M3, je potrebné niť odstrihnúť pomocou vyššie uvedeného noža.

Krok 4: Káble a zapojenie

Jadro obvodu tvorí Arduino a perfboard. Na perfboarde je ovládač krokového motora, trimer pre LCD, kondenzátor 47 µF a prípojky na napájanie rôznych komponentov. Aby bolo možné Arduino vypnúť vypínačom, bolo napájanie Arduina prerušené a vedené k Perfboardu. Za týmto účelom bola dióda, ktorá sa nachádza na Arduine priamo za napájacím konektorom, nespájkovaná a namiesto toho bola privedená na perfboard.

Krok 5: Nastavenia hardvéru

Existujú tri nastavenia, ktoré je potrebné vykonať priamo na obvode.

Najprv musíte nastaviť obmedzenie prúdu pre krokový motorový ovládač nastavením skrutky na A4988. Ak je napríklad napätie V_ref medzi skrutkou a GND v zapnutom stave 1 V, prúdový limit je dvojnásobkom hodnoty: I_max = 2A (to je hodnota, ktorú sme použili). Čím vyšší je prúd, tým vyšší je krútiaci moment motora, čo umožňuje vyššie rýchlosti a prietoky. Zvyšuje sa však aj spotreba energie a vývoj tepla.

Režim krokového motora je navyše možné nastaviť pomocou troch kolíkov, ktoré sú umiestnené v ľavom hornom rohu ovládača krokového motora (MS1, MS2, MS3). Keď je MS2 na + 5 V, ako je znázornené na schéme zapojenia, motor pracuje v štvrťkrokovom režime, ktorý sme použili. To znamená, že sa vykoná presne jeden krok (1,8 °) pre štyri impulzy, ktoré vodič krokového motora dostane na kolík STEP.

Ako poslednú hodnotu na nastavenie je možné použiť trimer na doske na úpravu kontrastu displeja LCD.

Krok 6: Testujte obvod a komponenty

Pred montážou sa odporúča otestovať komponenty a obvod na doske. Na tejto ceste je jednoduchšie nájsť a opraviť možné chyby.

Náš softvér už môžete nahrať do Arduina, aby ste si vopred vyskúšali všetky funkcie. Zdrojový kód sme zverejnili na GitHub:

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

Krok 7: Zostavenie

Video ukazuje zostavu komponentov v zamýšľanom poradí bez zapojenia. Všetky konektory by mali byť najskôr pripevnené k komponentom. Zapojenie sa najlepšie vykoná v mieste, kde sú vložené všetky súčasti, ale bočné steny ešte nie sú upevnené. Na ťažko dostupné skrutky sa dá ľahko dosiahnuť šesťhranným kľúčom.

1. Vložte vypínač a kodér do určeného otvoru a pripevnite ich k puzdru. Pripojte ovládací gombík k kodéru - pozor - keď ho raz pripevníte, môže kodér zničiť, ak sa ho pokúsite znova odstrániť.

2. Pripojte LCD displej malými skrutkami do plechu, pred montážou dbajte na spájkovanie odporu a vedenia k displeju.

3. Dosku Arduino Uno pripevnite k puzdru pomocou 8 mm skrutiek M3.

4. Vložte krokový motor a pripevnite ho k puzdru spolu s 3D vytlačenou časťou (Pump_case_bottom) pomocou štyroch skrutiek M3 s priemerom 10 mm.

5. Pripojte perfboard k puzdru - uistite sa, že ste k perfboardu spájkovali všetky komponenty, ako je znázornené na schéme zapojenia.

6. Zapojte elektronické diely do skrinky.

7. Zatvorte puzdro pridaním bočných panelov pomocou skrutiek M3 10 x 8 mm.

8. Namontujte držiak ložiska podľa obrázka a pripevnite ho na hriadeľ motora pomocou závitovej skrutky 3 mm

9. Nakoniec pripevnite podperu počítadla na uchytenie trubice (Pump_case_top_120 °) dvoma skrutkami 25 mm M3 a vložte hadičku. Vložte dve 25 mm skrutky M3, aby hadica zostala na mieste počas procesu pumpy

Krok 8: Vložte hadičku

Krok 9: Zoznámte sa s používateľským rozhraním (manuálne ovládanie)

Užívateľské rozhranie poskytuje komplexné ovládanie peristaltického čerpadla. Skladá sa z LCD displeja, ovládacieho gombíka a vypínača. Ovládací gombík je možné otáčať alebo tlačiť.

Otočením gombíka môžete vyberať z rôznych položiek ponuky, je aktuálne zvolená položka ponuky v hornom riadku. Stlačením gombíka sa aktivuje zvolená položka ponuky, ktorá je indikovaná blikajúcim obdĺžnikom. Blikajúci obdĺžnik znamená, že je aktivovaná položka ponuky.

Akonáhle je položka ponuky aktivovaná, spustí sa v závislosti od vybranej položky buď ako akcia, alebo umožňuje zmenu zodpovedajúcej hodnoty otáčaním gombíka. Pri všetkých položkách ponuky spojených s číselnou hodnotou môžete podržaním gombíka resetovať hodnotu na nulu alebo dvojitým stlačením zvýšiť hodnotu o jednu desatinu jej maximálnej hodnoty. Na nastavenie zvolenej hodnoty a deaktiváciu položky ponuky je potrebné druhýkrát stlačiť ovládací gombík.

Vypínač okamžite vypne čerpadlo a všetky jeho súčasti (Arduino, krokový motor, ovládač krokového motora, LCD), pokiaľ nie je čerpadlo pripojené cez USB. Arduino a LCD môžu byť napájané USB, takže vypínač ich nebude ovplyvňovať.

Ponuka čerpadiel má 10 položiek, ktoré sú uvedené a popísané nižšie:

0 | Začnite s čerpaním, prevádzkový režim závisí od režimu zvoleného v „6) režime“

1 | Objem Nastavte dávkovací objem, zohľadňuje sa iba vtedy, ak je v režime „6) zvolený režim„ Dávka “

2 | V. Unit: Nastavte jednotku objemu, možnosti sú: „ml“: ml „uL“: µL „rot“: otáčky (pumpy)

3 | Rýchlosť Nastavte prietok, zohľadňuje sa iba vtedy, ak je v režime „6) zvolený režim„ Dávka “alebo„ Čerpadlo “

4 | S. Unit: Nastavte jednotku objemu, možnosti sú: „ml/min“: ml/min „ul/min“: µL/min „otáčky“: otáčky/min

5 | Smer: Vyberte smer čerpania: „CW“pre otáčanie v smere hodinových ručičiek, „CCW“pre proti smeru hodinových ručičiek

6 | Režim: Nastavte prevádzkový režim: „Dávka“: dávkujte zvolený objem (1 | Objem) zvoleným prietokom (3 | Otáčky) pri spustení "Čerpadlo": pumpujte nepretržite pri zvolenom prietoku (3 | Rýchlosť), keď spustené „Kal.“: Kalibrácia, pumpa po spustení vykoná 30 otáčok za 30 sekúnd

7 | Kal. Nastavte kalibračný objem v ml. Pri kalibrácii sa čerpadlo spustí raz v kalibračnom režime a zmeria sa výsledný kalibračný objem, ktorý bol čerpaný.

8 | Uložiť nastavenie. Uložte všetky nastavenia do pamäte EEPROM Arduinos, hodnoty sa zachovajú aj po vypnutí a opätovnom načítaní, keď sa znova zapne napájanie

9 | USB Ctrl Aktivácia ovládania USB: Pumpa reaguje na sériové príkazy odoslané cez USB

Krok 10: Kalibrácia a vyskúšajte dávkovanie

Vykonanie správnej kalibrácie pred použitím pumpy je nevyhnutné pre presné dávkovanie a čerpanie. Kalibrácia oznámi čerpadlu, koľko kvapaliny sa pohybuje za jednu otáčku, takže pumpa môže vypočítať, koľko otáčok a aké otáčky sú potrebné na dosiahnutie stanovených hodnôt. Na spustenie kalibrácie zvoľte režim „Kal.“a začnite pumpovať alebo odošlite príkaz na kalibráciu cez USB. Štandardný kalibračný cyklus vykoná 30 otáčok za 30 sekúnd. Objem kvapaliny čerpanej počas tohto cyklu (kalibračný objem) by sa mal presne zmerať. Zaistite, aby meranie nebolo ovplyvnené kvapkami prilepenými na hadičke, hmotnosťou samotnej hadičky alebo inými interferenciami. Na kalibráciu odporúčame použiť mikrogramovú stupnicu, pretože ak je známa hustota a hmotnosť čerpaného množstva kvapaliny, môžete ľahko vypočítať objem. Hneď ako odmeriate kalibračný objem, môžete čerpadlo nastaviť nastavením hodnoty v položke ponuky „7 | Kal.“alebo ho pripojte k svojim sériovým príkazom.

Upozorňujeme, že akákoľvek zmena po kalibrácii držiaka hadičky alebo rozdielu tlaku ovplyvní presnosť čerpadla. Kalibráciu sa pokúste vykonať vždy za rovnakých podmienok, za akých sa čerpadlo neskôr použije. Ak odstránite hadičku a znova ju nainštalujete do čerpadla, kalibračná hodnota sa zmení až o 10%, pretože k malým rozdielom v umiestnení a sile pôsobiacej na skrutky. Potiahnutím za hadičku sa zmení aj umiestnenie a tým aj kalibračná hodnota. Ak sa kalibrácia vykoná bez rozdielu tlaku a čerpadlo sa neskôr použije na čerpanie kvapalín pri inom tlaku, ovplyvní to presnosť. Pamätajte si, že aj výškový rozdiel jedného metra môže spôsobiť tlakový rozdiel 0,1 baru, čo bude mať mierny vplyv na kalibračnú hodnotu, aj keď čerpadlo môže pomocou 0,8 mm hadičky dosiahnuť tlak najmenej 1,5 baru.

Krok 11: Sériové rozhranie - diaľkové ovládanie cez USB

Sériové rozhranie je založené na sériovom komunikačnom rozhraní Arduino cez USB (Baud 9600, 8 dátových bitov, žiadna parita, jeden stop bit). Na komunikáciu s pumpou je možné použiť akýkoľvek softvér alebo programovací jazyk, ktoré sú schopné zapisovať údaje na sériový port (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#atď.). Všetky funkcie pumpy sú prístupné odoslaním zodpovedajúceho príkazu na pumpu, na konci každého príkazu je potrebný nový znak riadka '\ n' (ASCII 10).

Dávka: d (objem v µL), (rýchlosť v µL/min), (kalibračný objem v µL) „\ n“

napr.: d1000, 2000, 1462 '\ n' (dávkovanie 1 ml pri 2 ml/min, kalibračný objem = 1,462 ml)

Čerpadlo: p (rýchlosť v µL/min), (kalibračný objem v µL) '\ n'

napr.: p2000, 1462 '\ n' (čerpadlo pri 2 ml/min, kalibračný objem = 1,462 ml)

Kalibrácia: c '\ n'

Zastaviť: x '\ n'

Prostredie Arduino (Arduino IDE) má vstavaný sériový monitor, ktorý dokáže čítať a zapisovať sériové údaje, preto je možné testovať sériové príkazy bez akéhokoľvek napísaného kódu.

Krok 12: Podeľte sa o svoje skúsenosti a vylepšite pumpu

Ak ste postavili naše čerpadlo, podeľte sa o svoje skúsenosti a vylepšenia softvéru a hardvéru na:

Thingiverse (3D tlačené diely)

GitHub (softvér)

Pokyny (pokyny, zapojenie, všeobecné)

Krok 13: Ste zvedaví na IGEM?

Nadácia iGEM (medzinárodná geneticky upravená mašina) je nezávislá nezisková organizácia zameraná na vzdelávanie a súťaž, rozvoj syntetickej biológie a rozvoj otvorenej komunity a spolupráce.

iGEM realizuje tri hlavné programy: iGEM Competition - medzinárodná súťaž pre študentov zaujímajúcich sa o oblasť syntetickej biológie; Labs Program - program pre akademické laboratóriá využívajúci rovnaké zdroje ako súťažné tímy; a Register štandardných biologických častí - rastúca zbierka genetických častí používaných na stavbu biologických zariadení a systémov.

igem.org/Main_Page