Tarkka peristalttinen pumppu: 13 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Olemme RWTH Aachenin yliopiston eri tieteenalojen opiskelijatiimi ja olemme luoneet tämän projektin vuoden 2017 iGEM -kilpailun yhteydessä.

Kaikkien pumppuun tehtyjen töiden jälkeen haluamme jakaa tulokset kanssasi!

Rakensimme tämän peristalttisen pumpun yleisesti sovellettavaksi nesteenkäsittelyratkaisuksi kaikkiin projekteihin, jotka edellyttävät nesteiden kuljetusta. Pumppumme pystyy annostamaan ja pumppaamaan tarkasti ja tarjoaa laajan valikoiman annostelutilavuuksia ja virtausnopeuksia mahdollisten sovellusten maksimoimiseksi. 125 annostelukokeella pystyimme osoittamaan ja kvantifioimaan pumpun tarkkuuden. Jos letku on sisähalkaisijaltaan 0, 8 mm ja mikä tahansa virtausnopeus tai annostelutilavuus on eritelmien mukainen, voimme näyttää tarkkuuden, joka on parempi kuin 2% poikkeama asetetusta arvosta. Mittaustulosten perusteella tarkkuutta voidaan parantaa entisestään, jos kalibroinnin nopeus säädetään vaadittuun virtausnopeuteen.

Pumppua voidaan ohjata ilman ohjelmointitietoja sisäänrakennetun LCD-näytön ja kiertonupin avulla. Lisäksi pumppua voidaan kauko -ohjata USB: n kautta sarjakomennoilla. Tämä yksinkertainen tapa kommunikoida on yhteensopiva yleisten ohjelmistojen ja ohjelmointikielien kanssa (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#jne.).

Pumppu on yksinkertainen ja halpa valmistaa, ja kaikki osat ovat alle 100 dollaria verrattuna 1300 dollariin halvimmalla vertailukelpoisella kaupallisella ratkaisulla. 3D -tulostimen lisäksi tarvitaan vain yleisiä työkaluja. Projektimme on avoimen lähdekoodin laitteisto ja ohjelmisto. Toimitamme 3D -tulostettujen osien CAD -tiedostot, täydellisen luettelon kaikista tarvittavista kaupallisista komponenteista ja niiden lähteistä sekä pumpussa käytetyn lähdekoodin.

Vaihe 1: Tarkista tekniset tiedot

Tarkista alla olevat tekniset tiedot ja keskustelu tarkkuudesta.

Täyttääkö pumppu tarpeesi?

Vaihe 2: Kerää komponentit

1x Arduino Uno R3/ yhteensopiva levy 1x askelmoottori (LxKxS): 42x42x41 mm, akseli (ØxL): 5x22 mm 1x virtalähde 12 V/ 3 A, liitin: 5,5/ 2,1 mm mm3x Neulalaakeri 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 suora tappi (Ø x L) 4 mm x 14 mm 1x säätönuppi (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm 1x potentiometri/ trimmeri 10k1x 220 ohmin vastus1x kondensaattori 47µF, 25V

Johdotus: 1x piirilevy (P x L) 80 mm x 52 mm, kosketinväli 2,54 mm (CS) 2x nastanauha, suora, CS 2,54, nimellisvirta 3A, 36 nastaa 1 x pistorasia, suora, CS 2,54, nimellisvirta 3A, 40 nastat 1x Kaapelit, eri värit (esim. Ø 2,5 mm, poikkileikkaus 0, 5 mm²) Kutistemuovi (sopii kaapeleille, esim. Ø 3 mm)

Ruuvit: 4x M3, L = 25 mm (pituus ilman päätä), ISO 4762 (kuusiokanta) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (kuusiokanta) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (kuusiokanta) 4x Pieni kierteitysruuvi (nestekidenäytölle, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10mm kiristysruuvi, DIN 9161x M3, mutteri, ISO 4032

3D -tulostetut osat: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D -tulostusta ei tarvita => jyrsintä/leikkaus/sahaus) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Vaihe 3: 3D -tulostusten jälkikäsittely

3D -tulostetut osat on puhdistettava tulostuksen jälkeen, jotta tulostusprosessista ei jää jäännöksiä. Työkaluja, joita suosittelemme jälkikäsittelyyn, ovat pieni tiedosto ja langankatkaisija M3 -kierteille. Painatusprosessin jälkeen suurin osa reikistä on laajennettava sopivalla poralla. M3 -ruuveja sisältävien reikien kohdalla lanka on leikattava edellä mainitulla kierreleikkurilla.

Vaihe 4: Kaapelit ja johdotus

Piirin ydin koostuu Arduinosta ja perfboardista. Esilevyllä on askelmoottorin ohjain, LCD -näytön trimmeri, 47µF: n kondensaattori ja liitännät eri komponenttien virtalähteelle. Arduinon sammuttamiseksi virtakytkimellä Arduinon virransyöttö keskeytettiin ja johdettiin Perfboardiin. Tätä tarkoitusta varten diodi, joka sijaitsee Arduinolla suoraan virtaliitännän takana, on juotettu ja tuotu sen sijaan perfboardille.

Vaihe 5: Laitteistoasetukset

On kolme asetusta, jotka on tehtävä suoraan piirille.

Ensin on asetettava askelmoottorin ohjaimen virtaraja säätämällä A4988: n pientä ruuvia. Jos esimerkiksi ruuvin ja GND: n välinen jännite V_ref on päällä -tilassa, on 1V, virtaraja on kaksi kertaa arvo: I_max = 2A (tämä on käyttämämme arvo). Mitä suurempi virta, sitä suurempi moottorin vääntömomentti, mikä mahdollistaa suuremmat nopeudet ja virtausnopeudet. Kuitenkin myös virrankulutus ja lämmön kehitys lisääntyvät.

Lisäksi askelmoottorin tila voidaan asettaa kolmella tapilla, jotka sijaitsevat askelmoottorin ohjaimen vasemmassa yläkulmassa (MS1, MS2, MS3). Kun MS2 on + 5V, kuten kytkentäkaaviossa esitetään, moottoria käytetään neljännesvaiheessa, jota käytimme. Tämä tarkoittaa, että täsmälleen yksi vaihe (1,8 °) suoritetaan neljälle pulssille, jotka askelmoottorin kuljettaja vastaanottaa STEP -tapilla.

Viimeisenä asetettavana arvona perfboard -leikkuria voidaan käyttää nestekidenäytön kontrastin säätämiseen.

Vaihe 6: Testaa piiri ja komponentit

Ennen kokoonpanoa on suositeltavaa testata komponentit ja piiri leipälevyllä. Tällä tavalla mahdollisten virheiden löytäminen ja korjaaminen on helpompaa.

Voit jo ladata ohjelmistomme Arduinolle kokeillaksesi kaikkia toimintoja etukäteen. Julkaisimme lähdekoodin GitHubissa:

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

Vaihe 7: Kokoonpano

Video näyttää komponenttien kokoamisen aiotussa järjestyksessä ilman johdotusta. Kaikki liittimet on ensin kiinnitettävä komponentteihin. Johdotus on parasta tehdä kohdassa, jossa kaikki komponentit on asennettu, mutta sivuseiniä ei ole vielä kiinnitetty. Vaikeasti saavutettaviin ruuveihin pääsee helposti käsiksi kuusiokoloavaimella.

1. Työnnä virtakytkin ja anturi sille tarkoitettuun reikään ja kiinnitä ne koteloon. Kiinnitä säätönuppi anturiin - ole varovainen - kun olet kiinnittänyt nupin, se voi tuhota anturin, jos yrität poistaa sen uudelleen.

2. Kiinnitä LCD -näyttö pienillä ruuveilla, varmista, että juotat vastuksen ja johdot näyttöön ennen asennusta.

3. Kiinnitä Arduino Uno -levy koteloon 8 mm: n M3 -ruuveilla.

4. Aseta askelmoottori paikalleen ja kiinnitä se koteloon yhdessä 3D -tulostetun osan kanssa (Pump_case_bottom) neljällä 10 mm: n M3 -ruuvilla.

5. Kiinnitä perfboard -kotelo - varmista, että juotit kaikki osat perfboardiin kytkentäkaavion mukaisesti.

6. Johda elektroniset osat kotelon sisään.

7. Sulje kotelo lisäämällä sivupaneelit 10x 8 mm M3 -ruuveilla.

8. Kokoa laakerikiinnike videon mukaisesti ja kiinnitä se moottorin akseliin 3 mm: n ruuvilla

9. Kiinnitä lopuksi letkun pidätystuki (Pump_case_top_120 °) kahdella 25 mm: n M3 -ruuvilla ja aseta letku paikalleen. Aseta kaksi 25 mm: n M3 -ruuvia pitämään letku paikallaan pumppausprosessin aikana

Vaihe 8: Asenna letku

Vaihe 9: Tutustu käyttöliittymään (manuaalinen ohjaus)

Käyttöliittymä tarjoaa kattavan ohjauksen peristalttisesta pumpusta. Se koostuu LCD -näytöstä, säätönupista ja virtakytkimestä. Säätönuppia voidaan kääntää tai työntää.

Nuppia kiertämällä voit valita eri valikkokohteista, ylärivin valikkokohta on parhaillaan valittuna. Nupin painaminen aktivoi valitun valikkokohdan, joka näkyy vilkkuvaan suorakulmioon. Vilkkuva suorakulmio tarkoittaa, että valikkokohta on aktivoitu.

Kun valikkokohta on aktivoitu, se käynnistyy valitun kohteen mukaan joko toiminnolla tai sallii vastaavan arvon muuttamisen kiertämällä nuppia. Kaikkien numeeriseen arvoon liitettyjen valikkokohtien kohdalla voit palauttaa arvon nollaan tai painaa kaksoisnapsauttamalla nuppia, jolloin arvo nousee kymmenesosa sen maksimiarvosta. Valitun arvon asettamiseksi ja valikkokohteen deaktivoimiseksi nuppia on painettava toisen kerran.

Virtakytkin sammuttaa pumpun ja kaikki sen osat (Arduino, askelmoottori, askelmoottorin ohjain, LCD) välittömästi, paitsi jos pumppu on kytketty USB -liitännän kautta. Arduinoa ja LCD -näyttöä voidaan käyttää USB: llä, joten virtakytkin ei vaikuta niihin.

Pumput -valikossa on 10 kohdetta, jotka on lueteltu ja kuvattu alla:

0 | Käynnistä pumppaus, toimintatapa riippuu tilasta “6) Mode”

1 | Tilavuus Aseta annostelutilavuus vain, jos “Annos” on valittu”6) -tilassa”

2 | V. Yksikkö: Aseta tilavuusyksikkö, vaihtoehdot ovat: "mL": ml "uL": µL "rot": kierrokset (pumpun)

3 | Nopeus Aseta virtausnopeus vain, jos “Annos” tai “Pumppu” on valittu”6) -tilassa”

4 | S. Yksikkö: Aseta tilavuusyksikkö, vaihtoehdot ovat: "ml/min": ml/min "uL/min": µL/min "rpm": kierrosta/min

5 | Suunta: Valitse pumppaussuunta: "CW" kiertämällä myötäpäivään ja "CCW" vastapäivään

6 | Tila: Aseta toimintatila: "Annos": annostele valittu tilavuus (1 | Tilavuus) valitulla virtausnopeudella (3 | Nopeus) käynnistettäessä "Pumppu": pumppaa jatkuvasti valitulla virtausnopeudella (3 | Nopeus), kun käynnistetty "Cal.": Kalibrointi, pumppu suorittaa 30 kierrosta 30 sekunnissa käynnistettäessä

7 | Kalibrointi Aseta kalibrointitilavuus millilitroina. Kalibrointia varten pumppua käytetään kerran kalibrointitilassa ja tuloksena oleva kalibrointitilavuus mitataan.

8 | Tallenna asetus Tallenna kaikki asetukset Arduinos EEPROMiin, arvot säilyvät virrankatkaisun aikana ja ladataan uudelleen, kun virta kytketään uudelleen

9 | USB CtrlAktivoi USB -ohjaus: Pumppu reagoi USB -yhteyden kautta lähetettyihin sarjakomentoihin

Vaihe 10: Kalibrointi ja kokeile annostusta

Oikean kalibroinnin suorittaminen ennen pumpun käyttöä on ratkaisevan tärkeää annostelun ja pumppaamisen kannalta. Kalibrointi kertoo pumpulle, kuinka paljon nestettä liikkuu kierrosta kohden, joten pumppu voi laskea kuinka monta kierrosta ja mikä nopeus tarvitaan asetettujen arvojen saavuttamiseksi. Aloita kalibrointi valitsemalla tila "Cal". ja aloita pumppaus tai lähetä kalibrointikomento USB: n kautta. Normaali kalibrointisykli suorittaa 30 kierrosta 30 sekunnissa. Tämän syklin aikana pumpatun nesteen tilavuus (kalibrointitilavuus) on mitattava tarkasti. Varmista, että putkeen tarttuneet pisat, putken paino tai muut häiriöt eivät vaikuta mittaukseen. Suosittelemme kalibrointiin mikrogramman asteikon käyttöä, koska voit laskea tilavuuden helposti, jos pumpattavan nesteen määrän tiheys ja paino tiedetään. Kun olet mitannut kalibrointitilavuuden, voit säätää pumppua asettamalla valikkokohdan “7 | Cal.” Arvon. tai liittämällä se sarjakomentoihisi.

Huomaa, että letkukiinnikkeen tai paine -eron kalibroinnin jälkeen tehdyt muutokset vaikuttavat pumpun tarkkuuteen. Yritä suorittaa kalibrointi aina samoissa olosuhteissa, joissa pumppua käytetään myöhemmin. Jos irrotat letkun ja asennat sen takaisin pumppuun, kalibrointiarvo muuttuu jopa 10%, koska pieniä eroja ruuveihin kohdistetussa asennossa ja voimassa. Letkun vetäminen muuttaa myös asentoa ja siten kalibrointiarvoa. Jos kalibrointi suoritetaan ilman paine -eroa ja pumppua käytetään myöhemmin nesteiden pumppaamiseen toisessa paineessa, se vaikuttaa tarkkuuteen. Muista, että jopa yhden metrin tasoero voi aiheuttaa 0,1 barin paine -eron, joka vaikuttaa hieman kalibrointiarvoon, vaikka pumppu voi saavuttaa vähintään 1,5 baarin paineen käyttämällä 0,8 mm: n letkua.

Vaihe 11: Sarjaliitäntä - Kaukosäädin USB: n kautta

Sarjaliitäntä perustuu Arduinon sarjaliikennerajapintaan USB: n kautta (Baud 9600, 8 databittiä, ei pariteettia, yksi pysäytysbitti). Mitä tahansa ohjelmistoa tai ohjelmointikieltä, joka kykenee kirjoittamaan tietoja sarjaporttiin, voidaan käyttää kommunikointiin pumpun kanssa (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#jne.). Kaikki pumpun toiminnot ovat käytettävissä lähettämällä vastaava komento pumpulle. Jokaisen komennon lopussa tarvitaan uusi rivimerkki '\ n' (ASCII 10).

Annos: d (tilavuus µL), (nopeus µL/min), (kalibrointitilavuus µL) '\ n'

esim. d1000, 2000, 1462 '' (annostus 1 ml 2 ml/min, kalibrointitilavuus = 1,462 ml)

Pumppu: p (nopeus µL/min), (kalibrointitilavuus µL) '\ n'

esim. p2000, 1462 '\ n' (pumppu nopeudella 2 ml/min, kalibrointitilavuus = 1,462 ml)

Kalibroi: c '\ n'

Lopeta: x '\ n'

Arduino-ympäristössä (Arduino IDE) on sisäänrakennettu sarjamonitori, joka voi lukea ja kirjoittaa sarjatietoja, joten sarjakomennot voidaan testata ilman kirjoitettua koodia.

Vaihe 12: Jaa kokemuksesi ja paranna pumppua

Jos olet rakentanut pumpun, kerro kokemuksistasi ja parannuksistasi ohjelmistoissa ja laitteistoissa:

Thingiverse (3D -tulostetut osat)

GitHub (ohjelmisto)

Ohjeet (ohjeet, johdotus, yleinen)

Vaihe 13: Oletko utelias IGEM: stä?

IGEM (international Genetically Engineered Machine) -säätiö on riippumaton voittoa tavoittelematon organisaatio, joka on omistettu koulutukselle ja kilpailulle, synteettisen biologian edistämiselle sekä avoimen yhteisön ja yhteistyön kehittämiselle.

iGEMillä on kolme pääohjelmaa: iGEM -kilpailu - kansainvälinen kilpailu synteettisestä biologiasta kiinnostuneille opiskelijoille; Labs -ohjelma - ohjelma akateemisille laboratorioille käyttämään samoja resursseja kuin kilpailutiimit; ja biologisten standardiosien rekisteri - kasvava kokoelma geneettisiä osia, joita käytetään biologisten laitteiden ja järjestelmien rakentamiseen.

igem.org/Main_Page