Pam Peristaltik Tepat: 13 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:11

Kami adalah pasukan pelajar dari pelbagai disiplin Universiti RWTH Aachen dan telah membuat projek ini dalam konteks pertandingan iGEM 2017.

Selepas semua kerja yang dilakukan di pam kami, kami ingin berkongsi hasil kami dengan anda!

Kami membina pam peristaltik ini sebagai penyelesaian pengendalian cecair yang boleh digunakan secara umum untuk setiap projek yang memerlukan pengangkutan cecair. Pam kami mampu memberi dos dan mengepam dengan tepat, memberikan pelbagai volume dan kadar aliran untuk memaksimumkan kemungkinan aplikasi. Melalui 125 eksperimen dos, kami dapat menunjukkan dan mengukur ketepatan pam kami. Untuk tiub dengan diameter dalaman 0, 8 mm dan kadar aliran atau jumlah dos mengikut spesifikasi, kami dapat menunjukkan ketepatan yang lebih baik daripada penyimpangan 2% dari nilai yang ditetapkan. Mengingat hasil pengukuran, ketepatan dapat ditingkatkan lebih jauh lagi jika kecepatan penentukuran disesuaikan dengan laju aliran yang diperlukan.

Pam boleh dikawal tanpa pengetahuan pengaturcaraan melalui paparan LCD terbina dalam dan tombol putar. Di samping itu, pam boleh dikendalikan dari jarak jauh melalui USB melalui perintah bersiri. Cara komunikasi yang sederhana ini sesuai dengan perisian dan bahasa pengaturcaraan umum (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C #, dll.).

Pamnya ringkas dan murah untuk dihasilkan, dengan semua bahagian berjumlah kurang dari $ 100 berbanding $ 1300 untuk penyelesaian komersil setanding termurah yang kami dapat. Selain pencetak 3D, hanya alat biasa yang diperlukan. Projek kami adalah sumber terbuka dari segi perkakasan dan perisian. Kami menyediakan fail CAD untuk bahagian bercetak 3D, senarai lengkap semua komponen komersial yang diperlukan dan sumbernya, dan kod sumber yang digunakan di pam kami.

Langkah 1: Periksa Spesifikasi

Lihat spesifikasi dan perbincangan ketepatan yang dilampirkan di bawah.

Adakah pam memenuhi keperluan anda?

Langkah 2: Kumpulkan Komponen

1x Arduino Uno R3 / papan serasi 1x Motor Stepper (WxHxD): 42x42x41 mm, Shaft (ØxL): 5x22 mm1x Bekalan kuasa 12 V / 3 A, penyambung: 5.5 / 2.1 mm1x Pemacu motor langkah A49881x Modul LCD 16x2, (WxHxD): 80x36x13 mm3x Jarum bantalan HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm1x Encoder 5 V, 0.01 A, 20 switch postions, 360 ° 1x Pump tubing, 1.6mm ketebalan dinding, 0.2m4x Kaki pelekat diri (L x W x H) 12.6 x 12.6 x 5.7 mm3x Pin lurus (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Tombol kawalan (Ø x H) 16.8 mm x 14.5 mm1x Potensiometer / Pemangkas 10k1x 220 Ohm Resistor1x Kapasitor 47µF, 25V

Pendawaian: 1x PCB (L x W) 80 mm x 52 mm, Jarak hubungan 2.54 mm (CS) Jalur pin 2x, lurus, CS 2.54, arus nominal 3A, 36 pin 1x Jalur soket, lurus, CS 2.54, arus nominal 3A, 40 pin1x Kabel, warna yang berbeza (mis. Ø 2.5 mm, keratan rentas 0, 5 mm²) Pengecutan haba (sesuai untuk kabel, misalnya Ø 3 mm)

Skru: 4x M3, L = 25 mm (panjang tanpa kepala), ISO 4762 (kepala hex) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (kepala hex) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (kepala hex) 4x Skru penoreh kecil (untuk LCD, Ø 2-2.5mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = skru grub 10mm, DIN 9161x M3, mur, ISO 4032

Bahagian bercetak 3D: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (cetak 3D tidak diperlukan => penggilingan / pemotongan / menggergaji) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Langkah 3: Proses Pemprosesan Cetakan 3D

Bahagian bercetak 3D harus dibersihkan setelah mencetak untuk mengeluarkan sisa dari proses pencetakan. Alat yang kami cadangkan untuk pemprosesan pasca adalah fail kecil dan pemotong utas untuk M3 utas. Selepas proses pencetakan sebahagian besar lubang harus dilebarkan dengan menggunakan gerudi yang sesuai. Untuk lubang yang mengandungi skru M3, benang harus dipotong dengan pemotong benang yang disebutkan di atas.

Langkah 4: Kabel & Pendawaian

Inti litar terdiri daripada Arduino dan papan wangi. Di papan wangi terdapat pemacu motor stepper, pemangkas untuk LCD, kapasitor 47µF dan sambungan untuk bekalan kuasa pelbagai komponen. Untuk mematikan Arduino dengan suis kuasa, bekalan kuasa Arduino terganggu dan menuju ke Perfboard. Untuk tujuan ini, diod yang terletak di Arduino tepat di belakang soket kuasa tidak terpateri dan dibawa ke papan wangi.

Langkah 5: Tetapan Perkakasan

Terdapat tiga tetapan yang perlu dibuat secara langsung di litar.

Mula-mula had semasa untuk pemacu motor langkah mesti ditetapkan, dengan menyesuaikan skru kecil pada A4988. Sebagai contoh, jika voltan V_ref antara skru dan GND dalam keadaan hidup adalah 1V, had semasa adalah dua kali nilai: I_max = 2A (ini adalah nilai yang kami gunakan). Semakin tinggi arus, semakin tinggi tork motor, memungkinkan kelajuan dan kadar aliran yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, penggunaan tenaga dan pengembangan haba juga meningkat.

Tambahan pula, moda motor stepper dapat diatur melalui tiga pin yang terletak di kiri atas pemandu motor stepper (MS1, MS2, MS3). Apabila MS2 berada pada + 5V, seperti yang ditunjukkan dalam rajah pendawaian, motor dikendalikan dalam mod langkah suku, yang kami gunakan. Ini bermaksud bahawa satu langkah (1.8 °) dilakukan selama empat denyutan yang diterima oleh pemandu motor stepper pada pin STEP.

Sebagai nilai terakhir yang ditetapkan, perapi pada papan wangi dapat digunakan untuk menyesuaikan kontras LCD.

Langkah 6: Litar Uji dan Komponen

Sebelum pemasangan disarankan untuk menguji komponen dan litar di papan roti. Dengan cara ini, lebih mudah untuk mencari dan memperbaiki kemungkinan kesilapan.

Anda sudah boleh memuat naik perisian kami ke Arduino, untuk mencuba semua fungsi sebelumnya. Kami menerbitkan kod sumber di GitHub:

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

Langkah 7: Perhimpunan

Video menunjukkan pemasangan komponen mengikut urutan yang dimaksudkan tanpa pendawaian. Semua penyambung hendaklah dilekatkan pada komponen terlebih dahulu. Pendawaian paling baik dilakukan pada titik di mana semua komponen dimasukkan, tetapi dinding sisi belum dipasang. Skru yang sukar dijangkau boleh dicapai dengan sepana hex.

1. Masukkan suis kuasa dan pengekod ke dalam lubang yang ditentukan dan pasangkannya ke casing. Pasang kenop kawalan ke pengekod - berhati-hatilah - setelah anda memasang kenop, ia mungkin memusnahkan pengekod jika anda cuba melepaskannya semula.

2. Pasang paparan LCD dengan skru penoreh kecil, pastikan untuk memateri perintang dan pendawaian ke paparan sebelum pemasangan.

3. Betulkan papan Arduino Uno ke casing dengan menggunakan skru 8 mm M3.

4. Masukkan motor langkah dan pasangkan ke dalam casing bersama dengan bahagian bercetak 3D (Pump_case_bottom) menggunakan empat skru 10 mm M3.

5. Pasang papan wangi pada casing - pastikan anda menyolder semua komponen ke papan wangi seperti yang ditunjukkan dalam rajah pendawaian.

6. Kawat bahagian elektronik di dalam casing.

7. Tutup casing dengan menambahkan panel sisi menggunakan skru M3 10x8 mm.

8. Pasang dudukan galas seperti yang ditunjukkan dalam video dan pasangkan pada batang motor menggunakan skru grub 3 mm

9. Akhirnya, pasangkan sokongan kaunter untuk menahan tiub (Pump_case_top_120 °) dengan dua skru M3 25 mm dan masukkan tiub. Masukkan dua skru M3 25 mm untuk memastikan tiub tetap di tempat semasa proses pam

Langkah 8: Masukkan Tiub

Langkah 9: Kenali Antara Muka Pengguna (Kawalan manual)

Antara muka pengguna menyediakan kawalan menyeluruh pam peristaltik. Ia terdiri daripada paparan LCD, tombol kawalan dan suis kuasa. Tombol kawalan boleh dipusingkan atau ditolak.

Memusing tombol memungkinkan untuk memilih dari item menu yang berbeza, item menu di baris atas sedang dipilih. Menekan tombol akan mengaktifkan item menu yang dipilih, ditunjukkan oleh segi empat tepat yang berkedip. Segi empat tepat yang berkedip menyiratkan bahawa item menu diaktifkan.

Setelah item menu diaktifkan, ia akan mula bergantung pada item yang dipilih sama ada tindakan atau membenarkan perubahan nilai yang sesuai dengan memutar tombol. Untuk semua item menu yang disambungkan ke nilai berangka, tombol dapat ditahan untuk menetapkan semula nilainya menjadi sifar atau ditekan dua kali untuk meningkatkan nilai dengan sepersepuluh dari nilai maksimumnya. Untuk menetapkan nilai yang dipilih dan menyahaktifkan item menu, kenop perlu ditekan kali kedua.

Suis kuasa akan segera mematikan pam dan semua komponennya (Arduino, step step, step motor driver, LCD), kecuali ketika pam disambungkan melalui USB. Arduino dan LCD boleh dikuasakan oleh USB, sehingga suis kuasa tidak akan mempengaruhi mereka.

Menu pam mempunyai 10 item, yang disenaraikan dan dijelaskan di bawah:

0 | StartStart pumping, mod operasi bergantung pada mode yang dipilih pada "6) Mode"

1 | VolumeMenetapkan volume dos, hanya dipertimbangkan jika "Dosis" dipilih pada "6) Mode"

2 | V. Unit: Tetapkan unit kelantangan, pilihannya adalah: "mL": mL "uL": µL "rot": putaran (dari pam)

3 | SpeedMenetapkan laju aliran, hanya dipertimbangkan jika "Dosis" atau "Pompa" dipilih pada "6) Mode"

4 | S. Unit: Tetapkan unit volume, pilihannya adalah: "mL / min": mL / min "uL / min": µL / min "rpm": putaran / min

5 | Arah: Pilih arah pompa: "CW" untuk putaran searah jarum jam, "CCW" untuk berlawanan arah jarum jam

6 | Mod: Tetapkan mod operasi: "Dosis": dosis volume yang dipilih (1 | Volume) pada laju aliran yang dipilih (3 | Kecepatan) ketika dimulakan "Pam": pam terus pada kadar aliran yang dipilih (3 | Kelajuan) ketika mulai "Cal.": Kalibrasi, pam akan melakukan 30 putaran dalam 30 saat ketika dimulakan

7 | Cal. Tetapkan isipadu penentukuran dalam mL. Untuk penentukuran, pam dijalankan sekali dalam mod penentukuran dan jumlah kalibrasi yang dihasilkan yang dipam diukur.

8 | Simpan Sett. Simpan semua tetapan ke Arduinos EEPROM, nilai dikekalkan semasa dimatikan dan dimuat semula, apabila daya dihidupkan lagi

9 | USB CtrlAktifkan Kawalan USB: Pam bertindak balas terhadap arahan bersiri yang dihantar melalui USB

Langkah 10: Kalibrasi dan Cuba Dos

Melakukan penentukuran yang betul sebelum menggunakan pam sangat penting untuk pengambilan dan pengepaman yang tepat. Kalibrasi akan memberitahu pam berapa banyak cecair yang dipindahkan per putaran, sehingga pam dapat mengira berapa putaran dan kecepatan mana yang diperlukan untuk memenuhi nilai yang ditetapkan. Untuk memulakan penentukuran, pilih Mode "Cal." dan mula mengepam atau menghantar arahan penentukuran melalui USB. Kitaran penentukuran standard akan melakukan 30 putaran dalam 30 saat. Isi padu cecair yang dipam selama kitaran ini (jumlah kalibrasi) harus diukur dengan tepat. Pastikan bahawa pengukuran tidak terpengaruh oleh titisan yang melekat pada tiub, berat tubing itu sendiri atau gangguan lain. Kami mengesyorkan menggunakan skala mikrogram untuk penentukuran, kerana anda dapat mengira isipadu dengan mudah, jika ketumpatan dan berat jumlah cecair yang dipam diketahui. Setelah anda mengukur isipadu penentukuran, anda boleh menyesuaikan pam dengan menetapkan nilai item menu "7 | Cal." atau melampirkannya ke perintah bersiri anda.

Harap perhatikan bahawa apa-apa perubahan selepas penentukuran ke tiang pemasangan atau perbezaan tekanan akan mempengaruhi ketepatan pam. Cuba lakukan penentukuran selalu pada keadaan yang sama, di mana pam akan digunakan kemudian. Sekiranya anda melepaskan tiub dan memasangnya semula di pam, nilai penentukuran akan berubah hingga 10%, kerana perbezaan kedudukan dan daya yang kecil dikenakan pada skru. Menarik pada tiub juga akan mengubah kedudukan dan oleh itu nilai penentukuran. Sekiranya penentukuran dilakukan tanpa perbezaan tekanan dan pam kemudian digunakan untuk mengepam cecair pada tekanan lain, ia akan mempengaruhi ketepatan. Ingat, walaupun perbezaan tahap satu meter dapat membuat perbezaan tekanan 0.1 bar, yang akan sedikit mempengaruhi nilai kalibrasi, bahkan jika pam dapat mencapai tekanan sekurang-kurangnya 1.5 bar menggunakan tabung 0,8 mm.

Langkah 11: Antaramuka Bersiri - Alat Kawalan Jauh Melalui USB

Antara muka bersiri didasarkan pada antara muka komunikasi bersiri Arduino melalui USB (Baud 9600, 8 bit data, tanpa paritas, satu henti bit). Sebarang perisian atau bahasa pengaturcaraan yang mampu menulis data ke port bersiri dapat digunakan untuk berkomunikasi dengan pam (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C #, dll.). Semua fungsi pam dapat diakses dengan mengirimkan perintah yang sesuai ke pam, di akhir setiap perintah, karakter baris baru '\ n' (ASCII 10) diperlukan.

Dosis: d (isipadu dalam µL), (kecepatan dalam µL / min), (isipadu penentukuran dalam µL) '\ n'

mis.: d1000, 2000, 1462 '\ n' (dos 1mL pada 2mL / min, isipadu penentukuran = 1.462mL)

Pam: p (kelajuan dalam µL / min), (isipadu penentukuran dalam µL) '\ n'

mis.: p2000, 1462 '\ n' (pam pada 2mL / min, isipadu penentukuran = 1.462mL)

Kalibrasi: c '\ n'

Berhenti: x '\ n'

Lingkungan Arduino (Arduino IDE) mempunyai monitor bersiri terpasang, yang dapat membaca dan menulis data bersiri, oleh itu perintah bersiri dapat diuji tanpa kod bertulis.

Langkah 12: Kongsi Pengalaman Anda dan Tingkatkan Pam

Sekiranya anda telah membina pam kami, sila kongsikan pengalaman dan peningkatan perisian dan perkakasan anda di:

Thingiverse (bahagian bercetak 3D)

GitHub (perisian)

Instructables (arahan, pendawaian, umum)

Langkah 13: Ingin tahu tentang IGEM?

Yayasan iGEM (Mesin Kejuruteraan Genetik Antarabangsa) adalah sebuah organisasi bebas dan bukan keuntungan yang didedikasikan untuk pendidikan dan persaingan, kemajuan biologi sintetik, dan pengembangan komuniti terbuka dan kolaborasi.

iGEM menjalankan tiga program utama: Pertandingan iGEM - pertandingan antarabangsa untuk pelajar yang berminat dalam bidang biologi sintetik; Program Makmal - program untuk makmal akademik menggunakan sumber yang sama dengan pasukan pertandingan; dan Pendaftaran Bahagian Biologi Standard - koleksi bahagian genetik yang semakin meningkat yang digunakan untuk membina peranti dan sistem biologi.

igem.org/Main_Page