Presiese peristaltiese pomp: 13 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Ons is 'n studentespan uit verskillende dissiplines van die RWTH Aachen Universiteit en het hierdie projek geskep in die konteks van die 2017 iGEM -kompetisie.

Na al die werk wat in ons pomp gedoen is, deel ons graag ons resultate met u!

Ons het hierdie peristaltiese pomp gebou as 'n algemeen toepaslike oplossing vir vloeistofhantering vir enige projek wat vloeistowwe vervoer. Ons pomp is in staat om presies te doseer en te pomp, en bied 'n wye verskeidenheid doseervolumes en vloeitempo's om die maksimum toepassings te maksimeer. Deur 125 doseringseksperimente kon ons die akkuraatheid van ons pomp aantoon en kwantifiseer. Vir 'n buis met 'n binnediameter van 0, 8 mm en enige vloei- of doseervolume binne die spesifikasies, kan ons 'n akkuraatheid van meer as 2% van die ingestelde waarde toon. Gegewe die resultate van die metings, kan die akkuraatheid nog verder verbeter word as die kalibrasiesnelheid by die vereiste vloeitempo aangepas word.

Die pomp kan sonder programmeringskennis bestuur word via die ingeboude LCD-skerm en 'n draaiknop. Boonop kan die pomp op afstand via USB beheer word deur middel van opdragte. Hierdie eenvoudige manier van kommunikasie is verenigbaar met algemene sagteware en programmeertale (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#, ens.).

Die pomp is eenvoudig en goedkoop om te vervaardig, met al die onderdele in totaal minder as $ 100 in vergelyking met $ 1300 vir die goedkoopste vergelykbare kommersiële oplossing wat ons kon vind. Benewens 'n 3D -drukker, is slegs algemene gereedskap nodig. Ons projek is open source wat hardeware en sagteware betref. Ons verskaf die CAD -lêers vir die 3D -gedrukte onderdele, 'n volledige lys van alle vereiste kommersiële komponente en hul bronne, en die bronkode wat in ons pomp gebruik word.

Stap 1: Gaan die spesifikasies na

Kyk na die spesifikasies en die bespreking van akkuraatheid hieronder.

Voldoen die pomp aan u vereistes?

Stap 2: Versamel komponente

1x Arduino Uno R3/ versoenbare bord 1x Stepper motor (BxHxD): 42x42x41 mm, As (ØxL): 5x22 mm1x Kragtoevoer 12 V/ 3 A, connector: 5.5/ 2.1 mm1x Stap motor bestuurder A49881x LCD module 16x2, (BxHxD): 80x36x13 mm3x Naaldlager HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8 mm1x Encoder 5 V, 0,01 A, 20 skakelaars, 360 ° 1x Pompslang, 1,6 mm wanddikte, 0,2 m4x Voet selfklevend (L x B x H) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Reguit pen (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Bedieningsknop (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potentiometer/ Trimmer 10k1x 220 Ohm Weerstand 1x kondensator 47µF, 25V

Bedrading: 1x PCB (L x B) 80 mm x 52 mm, kontakafstand tussen 2,54 mm (CS) 2x penstrook, reguit, CS 2,54, nominale stroom 3A, 36 penne1x sokstrook, reguit, CS 2,54, nominale stroom 3A, 40 pins1x Kabels, verskillende kleure (bv. Ø 2,5 mm, deursnee 0, 5 mm²) Krimpkrimp (geskik vir kabels, bv. Ø 3 mm)

Skroewe: 4x M3, L = 25 mm (lengte sonder kop), ISO 4762 (seskop) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (heksekop) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (seskop) 4x Klein tikskroef (vir LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm schroef, DIN 9161x M3, moer, ISO 4032

3D -gedrukte onderdele: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D print nie nodig => frees/sny/saag) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Stap 3: Naverwerking van 3D -afdrukke

Die 3D -gedrukte dele moet na die druk skoongemaak word om enige oorblyfsels uit die drukproses te verwyder. Die gereedskap wat ons aanbeveel vir die verwerking, is 'n klein lêer en 'n draadknipsel vir M3 -drade. Na die drukproses moet die meeste gate verbreed word deur 'n geskikte boor te gebruik. Vir die gate wat M3 -skroewe bevat, moet 'n draad met die bogenoemde draadsnyer gesny word.

Stap 4: Kabels en bedrading

Die kern van die kring bestaan uit die Arduino en 'n perfboard. Op die perfboard is die stapmotorbestuurder, die trimmer vir die LCD, die 47µF kondensator en aansluitings vir die kragtoevoer van die verskillende komponente. Om die Arduino met die kragskakelaar af te skakel, is die kragtoevoer van die Arduino onderbreek en na die Perfboard gelei. Vir hierdie doel is die diode wat op die Arduino direk agter die kragaansluiting geleë is, ongesoldeer en in plaas daarvan na die perfboard gebring.

Stap 5: Hardeware -instellings

Daar is drie instellings wat direk op die stroombaan gemaak moet word.

Eerstens moet die huidige limiet vir die stapmotorbestuurder ingestel word deur die klein skroef op die A4988 aan te pas. Byvoorbeeld, as die spanning V_ref tussen skroef en GND in die aan -toestand 1V is, is die huidige limiet twee keer die waarde: I_max = 2A (dit is die waarde wat ons gebruik het). Hoe hoër die stroom, hoe hoër is die wringkrag van die motor, wat hoër snelhede en vloeitempo's moontlik maak. Die kragverbruik en die hitte -ontwikkeling neem egter ook toe.

Verder kan die modus van die stapmotor ingestel word via die drie penne wat links bo op die stappermotorbestuurder (MS1, MS2, MS3) geleë is. As MS2 op + 5V is, soos aangedui in die bedradingsdiagram, werk die motor in die kwartstapmodus, wat ons gebruik het. Dit beteken dat presies een stap (1,8 °) uitgevoer word vir vier pulse wat die stapmotorbestuurder by die STEP -pen ontvang.

As laaste waarde om in te stel, kan die trimmer op die perfboard gebruik word om die kontras van die LCD aan te pas.

Stap 6: Toetsbaan en komponente

Dit word aanbeveel om die komponente en die kring op 'n broodbord te toets voordat dit gemonteer word. Op hierdie manier is dit makliker om moontlike foute op te spoor en reg te stel.

U kan ons sagteware reeds na die Arduino oplaai om vooraf alle funksies te probeer. Ons het die bronkode op GitHub gepubliseer:

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

Stap 7: Montering

Die video toon die samestelling van die komponente in die beoogde volgorde sonder die bedrading. Alle verbindings moet eers aan die komponente geheg word. Die bedrading word die beste gedoen op die punt waar al die komponente ingevoeg is, maar die sywande is nog nie vasgemaak nie. Die moeilik bereikbare skroewe kan maklik bereik word met 'n heksleutel.

1. Steek die aan / uit -skakelaar en die encoder in die daarvoor bestemde gat en bevestig dit aan die kas. Bevestig die stuurknop aan die encoder - wees versigtig - sodra u die knop aangebring het, kan dit die encoder vernietig as u dit weer probeer verwyder.

2. Bevestig die LCD -skerm met klein tikskroewe. Maak seker dat u die weerstand en bedrading aan die skerm soldeer voordat u dit monteer.

3. Bevestig die Arduino Uno -bord met die 8 mm M3 -skroewe aan die kas.

4. Plaas die stapmotor en bevestig dit saam met die 3D -gedrukte deel (Pump_case_bottom) aan die omhulsel met vier M3 -skroewe van 10 mm.

5. Bevestig die perfboard aan die omhulsel - maak seker dat u alle komponente aan die perfboard gesoldeer het soos in die bedradingsdiagram getoon.

6. Dra die elektroniese onderdele in die omhulsel.

7. Maak die kas toe deur die sypanele met 10x 8 mm M3 -skroewe by te voeg.

8. Monteer die laerhouer soos in die video getoon en bevestig dit met 'n 3 mm -skroef aan die motor se as

9. Bevestig ten slotte die toonbanksteun om die buis (Pump_case_top_120 °) vas te hou met twee 25 mm M3 -skroewe en plaas die buis. Plaas twee 25 mm M3 -skroewe om die buis tydens die pompproses op sy plek te hou

Stap 8: Plaas die buis

Stap 9: Maak kennis met die gebruikerskoppelvlak (handmatige beheer)

Die gebruikerskoppelvlak bied 'n uitgebreide beheer van die peristaltiese pomp. Dit bestaan uit 'n LCD -skerm, 'n bedieningsknop en 'n aan / uit -skakelaar. Die bedieningsknop kan gedraai of gedruk word.

Deur aan die knop te draai, kan u uit verskillende menu -items kies; die menu -item op die boonste reël word tans gekies. Deur op die knop te druk, word die gekose menu -item geaktiveer, aangedui deur 'n knipperende reghoek. Die knipperende reghoek impliseer dat die spyskaartitem geaktiveer is.

Sodra die menu -item geaktiveer is, begin dit, afhangende van die geselekteerde item, óf 'n aksie, óf laat die ooreenstemmende waarde toe deur aan die knop te draai. Vir alle spyskaartitems wat aan 'n numeriese waarde gekoppel is, kan die knop ingedruk word om die waarde op nul of dubbel te druk om die waarde met 'n tiende van die maksimum waarde te verhoog. Om die geselekteerde waarde in te stel en 'n menu -item uit te skakel, moet die knop 'n tweede keer gedruk word.

Die aan / uit -skakelaar skakel die pomp en al sy komponente (Arduino, stapmotor, stapmotorbestuurder, LCD) onmiddellik af, behalwe as die pomp via USB gekoppel is. Die Arduino en die LCD kan deur USB aangedryf word, sodat die aan / uit -skakelaar dit nie beïnvloed nie.

Die pompe -spyskaart bevat 10 items wat hieronder gelys en beskryf word:

0 | Begin pomp, die werkingsmodus hang af van die modus wat gekies is by "6) af"

1 | Volume Stel die doseringsvolume in, word slegs oorweeg as "Dosis" gekies is in "6) modus"

2 | V. Eenheid: Stel die volume -eenheid in, die opsies is: “ml”: ml “uL”: µL “vrot”: rotasies (van die pomp)

3 | Snelheid Stel die vloeitempo in, word slegs oorweeg as “Dosis” of “Pomp” gekies is by “6) Modus”

4 | S. Eenheid: Stel die volume -eenheid in, die opsies is: “ml/min”: ml/min “uL/min”: µL/min “rpm”: rotasies/min

5 | Rigting: Kies pomprigting: “CW” vir rotasie met die kloksgewys, “CCW” vir linksom

6 | Modus: Stel werkmodus in: “Dosis”: doseer die geselekteerde volume (1 | Volume) teen die geselekteerde vloeitempo (3 | Spoed) wanneer dit begin word “Pomp”: pomp aanhoudend teen die geselekteerde vloeitempo (3 | Spoed) wanneer begin "Cal.": Kalibrasie, pomp sal 30 rotasies in 30 sekondes uitvoer wanneer dit begin word

7 | Kal. Stel kalibrasie volume in ml. Vir kalibrasie word die pomp een keer in die kalibreringsmodus uitgevoer en die gevolglike kalibrasievolume wat gepomp is, word gemeet.

8 | Save Sett. Stoor alle instellings in Arduinos EEPROM, waardes word behou tydens afskakel en herlaai wanneer die krag weer aangeskakel word

9 | USB Ctrl Aktiveer USB -beheer: Pomp reageer op reeksopdragte wat via USB gestuur word

Stap 10: Kalibrasie en probeer toediening

Dit is van kardinale belang om 'n behoorlike kalibrasie uit te voer voordat die pomp gebruik word, vir akkurate dosering en pomp. Die kalibrasie sal die pomp vertel hoeveel vloeistof per rotasie beweeg word, sodat die pomp kan bereken hoeveel rotasies en watter snelheid nodig is om aan die gestelde waardes te voldoen. Om die kalibrasie te begin, kies die modus "Cal." en begin pomp of stuur die kalibrasieopdrag via USB. Die standaard kalibrasiesiklus sal 30 rotasies binne 30 sekondes uitvoer. Die volume vloeistof wat gedurende hierdie siklus gepomp word (kalibrasie volume) moet presies gemeet word. Maak seker dat die meting nie beïnvloed word deur druppels wat aan die buis vasklou nie, die gewig van die buis self of ander interferensies. Ons beveel aan dat u 'n mikrogramskaal vir kalibrasie gebruik, aangesien u die volume maklik kan bereken as die digtheid en gewig van die gepompte hoeveelheid vloeistof bekend is. Sodra u die kalibrasievolume gemeet het, kan u die pomp verstel deur die waarde van die menu -item "7 | Cal." of heg dit aan u reeksopdragte.

Let daarop dat enige verandering na kalibrasie van die buishouer of die drukverskil die presisie van die pomp sal beïnvloed. Probeer om die kalibrasie altyd onder dieselfde omstandighede uit te voer, waarna die pomp later gebruik sal word. As u die buis verwyder en dit weer in die pomp installeer, sal die kalibrasiewaarde tot 10%verander, aangesien dit klein verskille in posisie en krag op die skroewe uitoefen. As u aan die buis trek, sal dit ook die posisie en dus die kalibrasiewaarde verander. As die kalibrasie sonder drukverskil uitgevoer word en die pomp later gebruik word om vloeistowwe teen 'n ander druk te pomp, sal dit die presisie beïnvloed. Onthou, selfs 'n vlakverskil van een meter kan 'n drukverskil van 0,1 bar skep, wat 'n geringe invloed op die kalibrasiewaarde kan hê, selfs al kan die pomp 'n druk van minstens 1,5 bar bereik met behulp van die 0,8 mm -buis.

Stap 11: Seriële koppelvlak - afstandsbediening via USB

Die seriële koppelvlak is gebaseer op die Arduino se seriële kommunikasie -koppelvlak via USB (Baud 9600, 8 databits, geen pariteit, een -stop -bit). Enige sagteware of programmeertaal wat data na 'n seriële poort kan skryf, kan gebruik word om met die pomp te kommunikeer (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#, ens.). Alle funksies van die pomp is toeganklik deur die ooreenstemmende opdrag na die pomp te stuur; aan die einde van elke opdrag is 'n nuwe reëlkarakter '\ n' (ASCII 10) nodig.

Dosis: d (volume in µL), (snelheid in µL/min), (kalibrasie volume in µL) '\ n'

bv: d1000, 2000, 1462 '\ n' (dosering 1mL by 2mL/min, kalibrasie volume = 1.462mL)

Pomp: p (spoed in µL/min), (kalibrasie volume in µL) '\ n'

bv.: p2000, 1462 '\ n' (pomp met 2mL/min, kalibrasie volume = 1,462mL)

Kalibreer: c '\ n'

Stop: x '\ n'

Die Arduino-omgewing (Arduino IDE) het 'n ingeboude seriële monitor wat seriële data kan lees en skryf, daarom kan reeksopdragte getoets word sonder enige geskrewe kode.

Stap 12: Deel u ervarings en verbeter die pomp

As u ons pomp gebou het, deel u u ervarings en verbeterings in sagteware en hardeware op:

Thingiverse (3D -gedrukte onderdele)

GitHub (sagteware)

Instruksies (instruksies, bedrading, algemeen)

Stap 13: Nuuskierig oor IGEM?

Die iGEM (international Genetically Engineered Machine) Foundation is 'n onafhanklike, nie-winsgewende organisasie wat toegewy is aan opvoeding en mededinging, die bevordering van sintetiese biologie en die ontwikkeling van 'n oop gemeenskap en samewerking.

iGEM bied drie hoofprogramme aan: die iGEM -kompetisie - 'n internasionale kompetisie vir studente wat op die gebied van sintetiese biologie belangstel; die Labs -program - 'n program vir akademiese laboratoriums om dieselfde hulpbronne as die kompetisiespanne te gebruik; en die Register of Standard Biological Parts - 'n groeiende versameling genetiese dele wat gebruik word vir die bou van biologiese toestelle en stelsels.

igem.org/Main_Page