Precyzyjna pompa perystaltyczna: 13 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Jesteśmy zespołem studenckim z różnych dyscyplin Uniwersytetu RWTH Aachen i stworzyliśmy ten projekt w kontekście konkursu iGEM 2017.

Po całej pracy, która włożyła się w naszą pompę, chcielibyśmy podzielić się z Wami naszymi wynikami!

Zbudowaliśmy tę pompę perystaltyczną jako ogólnie stosowane rozwiązanie do transportu cieczy dla każdego projektu, który wymaga transportu cieczy. Nasza pompa jest zdolna do precyzyjnego dozowania i pompowania, zapewniając szeroki zakres objętości dozowania i natężenia przepływu, aby zmaksymalizować możliwe zastosowania. Dzięki 125 eksperymentom z dawkowaniem byliśmy w stanie zademonstrować i określić ilościowo dokładność naszej pompy. W przypadku rurki o średnicy wewnętrznej 0,8 mm i dowolnym natężeniu przepływu lub objętości dozowania mieszczącej się w specyfikacjach możemy wykazać dokładność lepszą niż 2% odchylenie od ustawionej wartości. Biorąc pod uwagę wyniki pomiarów, dokładność można poprawić jeszcze bardziej, jeśli prędkość kalibracji zostanie dostosowana do wymaganego natężenia przepływu.

Pompą można sterować bez znajomości programowania za pomocą wbudowanego wyświetlacza LCD i pokrętła. Dodatkowo pompą można sterować zdalnie przez USB za pomocą poleceń szeregowych. Ten prosty sposób komunikacji jest kompatybilny z popularnymi językami oprogramowania i programowania (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C# itp.).

Pompa jest prosta i niedroga w produkcji, a wszystkie części kosztują mniej niż 100 USD w porównaniu do 1300 USD za najtańsze porównywalne rozwiązanie komercyjne, jakie mogliśmy znaleźć. Oprócz drukarki 3D potrzebne są tylko zwykłe narzędzia. Nasz projekt jest open source pod względem sprzętu i oprogramowania. Dostarczamy pliki CAD dla części drukowanych w 3D, kompletną listę wszystkich wymaganych komponentów komercyjnych i ich źródeł oraz kod źródłowy używany w naszej pompie.

Krok 1: Sprawdź specyfikacje

Sprawdź specyfikacje i omówienie dokładności załączone poniżej.

Czy pompa spełnia Twoje wymagania?

Krok 2: Zbierz komponenty

1x płytka kompatybilna z Arduino Uno R3/1x Silnik krokowy (SxWxG): 42x42x41 mm, Wał (ØxD): 5x22 mm1x Zasilanie 12 V/3 A, złącze: 5,5 / 2,1 mm1x Sterownik silnika krokowego A49881x Moduł LCD 16x2, (SxWxG): 80x36x13 mm3x Łożysko igiełkowe HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8 mm1x Enkoder 5 V, 0,01 A, 20 przełączników, 360 °1x Wąż pompy, grubość ścianki 1,6 mm, 0,2 m 4x Stopka samoprzylepna szer. x wys.) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x prosty bolec (Ø x dł.) 4 mm x 14 mm1x pokrętło sterujące (Ø x wys.) 16,8 mm x 14,5 mm1x potencjometr/trymer 10k1x rezystor 220 omów1x kondensator 47µF, 25V

Okablowanie:1x PCB (L x W) 80 mm x 52 mm, Rozstaw styków 2,54 mm (CS)2x Listwa styków, prosta, CS 2,54, prąd znamionowy 3A, 36 pinów1x Listwa gniazd, prosta, CS 2,54, prąd znamionowy 3A, 40 piny1x Kable, różne kolory (np. Ø 2,5 mm, przekrój 0,5 mm²) Termokurczliwe (odpowiednie do kabli, np. Ø 3 mm)

Śruby:4x M3, L = 25 mm (długość bez łba), ISO 4762 (łb sześciokątny)7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (łb sześciokątny)16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (łb sześciokątny)4x Mała śruba samogwintująca (do LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm)1x M3, L=10mm wkręt dociskowy, DIN 9161x M3, nakrętka, ISO 4032

Części drukowane 3D: (Thingiverse)1x Case_main2 x Case_side (druk 3D nie jest konieczny => frezowanie/cięcie/piłowanie)1x obudowa_pompy_dolna1x obudowa_pompy_górna_120°1x montaż_łożyskowy_dolny1x montaż_łożyskowy_górny

Krok 3: Przetwarzanie końcowe wydruków 3D

Części drukowane w 3D muszą zostać oczyszczone po wydrukowaniu, aby usunąć wszelkie pozostałości z procesu drukowania. Narzędzia, które polecamy do postprocessingu to mały pilnik i obcinacz nici do gwintów M3. Po procesie drukowania większość otworów należy poszerzyć za pomocą odpowiedniego wiertła. W przypadku otworów, w których znajdują się śruby M3, należy wyciąć gwint wyżej wymienionym obcinaczem nici.

Krok 4: Kable i okablowanie

Rdzeń układu składa się z Arduino i płytki perforowanej. Na płytce perforowanej znajduje się sterownik silnika krokowego, trymer do LCD, kondensator 47µF i złącza do zasilania różnych komponentów. W celu wyłączenia Arduino wyłącznikiem zasilania, zasilanie Arduino zostało przerwane i doprowadzone do płytki perforowanej. W tym celu wylutowano diodę znajdującą się na Arduino bezpośrednio za gniazdem zasilającym i przeniesiono ją na płytkę perforowaną.

Krok 5: Ustawienia sprzętu

Istnieją trzy ustawienia, które należy wykonać bezpośrednio na obwodzie.

Najpierw należy ustawić limit prądu dla sterownika silnika krokowego, regulując małą śrubę na A4988. Na przykład, jeśli napięcie V_ref między śrubą a GND w stanie włączonym wynosi 1V, limit prądu jest dwukrotnością wartości: I_max = 2A (jest to wartość, której użyliśmy). Im wyższy prąd, tym wyższy moment obrotowy silnika, co pozwala na wyższe prędkości i natężenia przepływu. Jednak wzrasta również zużycie energii i wydzielanie ciepła.

Ponadto tryb pracy silnika krokowego można ustawić za pomocą trzech pinów, które znajdują się w lewym górnym rogu sterownika silnika krokowego (MS1, MS2, MS3). Gdy MS2 jest przy +5V, jak pokazano na schemacie elektrycznym, silnik pracuje w trybie ćwierć kroku, którego użyliśmy. Oznacza to, że dokładnie jeden krok (1,8°) jest wykonywany dla czterech impulsów, które sterownik silnika krokowego otrzymuje na pinie STEP.

Jako ostatnią wartość do ustawienia, trymer na płycie perforowanej może być użyty do regulacji kontrastu wyświetlacza LCD.

Krok 6: Test obwodu i komponentów

Przed montażem zaleca się przetestowanie elementów i obwodu na płytce stykowej. W ten sposób łatwiej jest znaleźć i naprawić ewentualne błędy.

Możesz już wgrać nasze oprogramowanie do Arduino, aby wcześniej wypróbować wszystkie funkcje. Kod źródłowy opublikowaliśmy na GitHub:

github.com/iGEM-Aachen/Open-Source-Pompa-perystaltyczna

Krok 7: Montaż

Film przedstawia montaż komponentów w zamierzonej kolejności bez okablowania. Wszystkie złącza należy najpierw podłączyć do komponentów. Okablowanie najlepiej wykonać w miejscu, w którym wszystkie elementy są włożone, ale ściany boczne nie zostały jeszcze naprawione. Trudno dostępne śruby można łatwo dosięgnąć za pomocą klucza imbusowego.

1. Włóż wyłącznik zasilania i enkoder do wyznaczonego otworu i przymocuj je do obudowy. Przymocuj gałkę kontrolną do enkodera – bądź ostrożny – po założeniu gałki może ona zniszczyć enkoder, jeśli spróbujesz go ponownie wyjąć.

2. Przymocuj wyświetlacz LCD za pomocą małych wkrętów samogwintujących, pamiętaj o przylutowaniu rezystora i okablowania do wyświetlacza przed montażem.

3. Przymocuj płytkę Arduino Uno do obudowy za pomocą śrub M3 8 mm.

4. Włóż silnik krokowy i przymocuj go do obudowy razem z wydrukowaną częścią 3D (Pump_case_bottom) za pomocą czterech śrub M3 10 mm.

5. Przymocuj płytkę perforowaną do obudowy – upewnij się, że przylutowałeś wszystkie elementy do płytki perforowanej, jak pokazano na schemacie połączeń.

6. Okablować części elektroniczne wewnątrz obudowy.

7. Zamknij obudowę dodając panele boczne za pomocą śrub M3 10x 8 mm.

8. Zamontuj łożysko jak pokazano na filmie i przymocuj je do wału silnika za pomocą śruby dociskowej 3 mm

9. Na koniec przymocuj wspornik podtrzymujący rurkę (Pump_case_top_120°) za pomocą dwóch śrub M3 25 mm i włóż rurkę. Włóż dwie śruby M3 25 mm, aby utrzymać rurkę na miejscu podczas procesu pompowania

Krok 8: Włóż rurkę

Krok 9: Zapoznaj się z interfejsem użytkownika (sterowanie ręczne)

Interfejs użytkownika zapewnia kompleksowe sterowanie pompą perystaltyczną. Składa się z wyświetlacza LCD, pokrętła i włącznika zasilania. Pokrętło można obracać lub wciskać.

Obracanie pokrętłem umożliwia wybór spośród różnych pozycji menu, aktualnie wybrana jest pozycja menu w górnym wierszu. Naciśnięcie pokrętła aktywuje wybraną pozycję menu, oznaczoną migającym prostokątem. Migający prostokąt oznacza, że pozycja menu jest aktywna.

Gdy pozycja menu jest aktywna, uruchamia się w zależności od wybranej pozycji albo działaniem, albo umożliwia zmianę odpowiedniej wartości poprzez obrót pokrętła. W przypadku wszystkich pozycji menu związanych z wartością numeryczną pokrętło można przytrzymać, aby zresetować wartość do zera lub dwukrotnie wcisnąć, aby zwiększyć wartość o jedną dziesiątą wartości maksymalnej. Aby ustawić wybraną wartość i dezaktywować pozycję menu, należy ponownie nacisnąć pokrętło.

Przełącznik zasilania natychmiast wyłączy pompę i wszystkie jej elementy (Arduino, silnik krokowy, sterownik silnika krokowego, wyświetlacz LCD), z wyjątkiem sytuacji, gdy pompa jest podłączona przez USB. Arduino i LCD mogą być zasilane przez USB, dzięki czemu włącznik zasilania nie będzie na nie wpływał.

Menu pomp składa się z 10 pozycji, które są wymienione i opisane poniżej:

0|StartStart pompowania, tryb pracy zależy od trybu wybranego w „6) Tryb”

1|ObjętośćUstaw objętość dozowania, jest uwzględniane tylko wtedy, gdy „Dawka” jest wybrana w „6) Tryb”

2|V. Unit:Ustaw jednostkę objętości, opcje to:„mL”: mL„uL”: µL„rot”: obroty (pompy)

3|SpeedUstaw natężenie przepływu, jest brane pod uwagę tylko wtedy, gdy „Dawka” lub „Pompa” są wybrane w „6) Tryb”

4|S. Unit:Ustaw jednostkę objętości, opcje to:„mL/min”: mL/min„uL/min”: µL/min„rpm”: obroty/min

5|Kierunek:Wybierz kierunek pompowania: „CW” dla obrotów zgodnych z ruchem wskazówek zegara, „CCW” dla przeciwnych do ruchu wskazówek zegara

6 | Tryb: Ustaw tryb pracy: „Dawka”: dozuj wybraną objętość (1 | Objętość) z wybranym natężeniem przepływu (3 | Prędkość) po uruchomieniu „Pompa”: pompuj w sposób ciągły z wybranym natężeniem przepływu (3 | Prędkość), gdy started“Cal.”: Kalibracja, pompa wykona 30 obrotów w ciągu 30 sekund po uruchomieniu

7|Kal. Ustaw objętość kalibracyjną w ml. W celu kalibracji pompa jest uruchamiana jeden raz w trybie kalibracji i mierzona jest uzyskana objętość kalibracji, która została przepompowana.

8|Save Sett. Zapisz wszystkie ustawienia w pamięci EEPROM Arduinos, wartości są zachowywane podczas wyłączania zasilania i ponownego ładowania, gdy zasilanie jest ponownie włączane

9|USB CtrlActivate USB Control: Pompa reaguje na polecenia szeregowe wysyłane przez USB

Krok 10: Kalibracja i próba dozowania

Wykonanie prawidłowej kalibracji przed użyciem pompy ma kluczowe znaczenie dla precyzyjnego dozowania i pompowania. Kalibracja poinformuje pompę, ile cieczy jest przemieszczane na jeden obrót, dzięki czemu pompa może obliczyć, ile obrotów i jaka prędkość jest potrzebna, aby osiągnąć ustawione wartości. Aby rozpocząć kalibrację, wybierz tryb „Kal.” i rozpocznij pompowanie lub wyślij polecenie kalibracji przez USB. Standardowy cykl kalibracji wykona 30 obrotów w ciągu 30 sekund. Objętość pompowanej cieczy w tym cyklu (objętość kalibracyjna) powinna być dokładnie odmierzona. Upewnij się, że na pomiar nie mają wpływu krople przywierające do wężyka, ciężar samego wężyka lub inne zakłócenia. Do kalibracji zalecamy użycie skali mikrogramowej, ponieważ można łatwo obliczyć objętość, jeśli znana jest gęstość i waga pompowanej ilości cieczy. Po zmierzeniu objętości kalibracji można wyregulować pompę, ustawiając wartość w pozycji menu „7|Cal”. lub dołączając go do poleceń szeregowych.

Należy pamiętać, że wszelkie zmiany po kalibracji mocowania rurek lub różnica ciśnień wpłyną na precyzję pompy. Staraj się wykonywać kalibrację zawsze w tych samych warunkach, w jakich pompa będzie później używana. Jeśli usuniesz wężyk i zainstalujesz go ponownie w pompie, wartość kalibracji zmieni się do 10%, z powodu niewielkich różnic w położeniu i sile przyłożonej do śrub. Pociągnięcie za rurkę również zmieni położenie, a tym samym wartość kalibracji. Jeśli kalibracja jest wykonywana bez różnicy ciśnień, a pompa jest później używana do pompowania cieczy pod innym ciśnieniem, wpłynie to na precyzję. Pamiętaj, że nawet różnica poziomów wynosząca jeden metr może wytworzyć różnicę ciśnień 0,1 bara, co będzie miało niewielki wpływ na wartość kalibracji, nawet jeśli pompa może osiągnąć ciśnienie co najmniej 1,5 bara przy użyciu wężyka 0,8 mm.

Krok 11: Interfejs szeregowy – zdalne sterowanie przez USB

Interfejs szeregowy jest oparty na interfejsie komunikacji szeregowej Arduino przez USB (Baud 9600, 8 bitów danych, bez parzystości, jeden bit stopu). Do komunikacji z pompą można użyć dowolnego oprogramowania lub języka programowania zdolnego do zapisywania danych na porcie szeregowym (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C# itp.). Wszystkie funkcje pompy są dostępne poprzez wysłanie odpowiedniego polecenia do pompy, na końcu każdego polecenia wymagany jest znak nowej linii '\n' (ASCII 10).

Dawka: d(objętość w µl), (prędkość w µl/min), (objętość kalibracyjna w µl)'\n'

np.: d1000, 2000, 1462'\n' (dawkowanie 1mL przy 2mL/min, objętość kalibracyjna = 1,462mL)

Pompa: p (prędkość w µl/min), (objętość kalibracyjna w µl)'\n'

np.: p2000, 1462'\n' (pompa 2mL/min, objętość kalibracyjna = 1,462mL)

Kalibruj: c'\n'

Zatrzymaj: x'\n'

Środowisko Arduino (Arduino IDE) posiada wbudowany monitor szeregowy, który może odczytywać i zapisywać dane szeregowe, dzięki czemu polecenia szeregowe mogą być testowane bez żadnego pisanego kodu.

Krok 12: Podziel się swoimi doświadczeniami i ulepsz pompę

Jeśli zbudowałeś naszą pompę, podziel się swoimi doświadczeniami i ulepszeniami oprogramowania i sprzętu na:

Thingiverse (części drukowane 3D)

GitHub (oprogramowanie)

Instrukcje (instrukcje, okablowanie, ogólne)

Krok 13: Ciekawi Cię IGEM?

Fundacja iGEM (International Genetically Engineered Machine) jest niezależną organizacją non-profit zajmującą się edukacją i współzawodnictwem, postępem biologii syntetycznej oraz rozwojem otwartej społeczności i współpracy.

iGEM prowadzi trzy główne programy: iGEM Competition – międzynarodowy konkurs dla studentów zainteresowanych biologią syntetyczną; Labs Program – program dla laboratoriów akademickich wykorzystujący te same zasoby, co zespoły konkursowe; oraz Rejestr Standardowych Części Biologicznych - rosnąca kolekcja części genetycznych wykorzystywanych do budowy urządzeń i systemów biologicznych.

igem.org/Strona_główna