Přesné peristaltické čerpadlo: 13 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Jsme studentský tým z různých oborů RWTH Aachen University a vytvořili jsme tento projekt v rámci soutěže iGEM 2017.

Po veškeré práci, která byla věnována naší pumpě, bychom se s vámi rádi podělili o naše výsledky!

Toto peristaltické čerpadlo jsme postavili jako obecně použitelné řešení pro manipulaci s kapalinami pro jakýkoli projekt, který vyžaduje přepravu kapalin. Naše čerpadlo je schopné přesného dávkování a čerpání a poskytuje širokou škálu dávkovacích objemů a průtoků pro maximalizaci možných aplikací. Prostřednictvím 125 experimentů s dávkováním jsme byli schopni demonstrovat a kvantifikovat přesnost naší pumpy. U hadiček s vnitřním průměrem 0, 8 mm a jakéhokoli průtoku nebo dávkovaného objemu v rámci specifikací bychom mohli ukázat přesnost lepší než 2% odchylka od nastavené hodnoty. Vzhledem k výsledkům měření lze přesnost ještě dále zlepšit, pokud se rychlost kalibrace upraví na požadovaný průtok.

Čerpadlo lze ovládat bez znalosti programování pomocí vestavěného LCD displeje a otočného ovladače. Čerpadlo lze navíc dálkově ovládat přes USB pomocí sériových příkazů. Tento jednoduchý způsob komunikace je kompatibilní s běžným softwarem a programovacími jazyky (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#atd.).

Čerpadlo je jednoduché a levné na výrobu, přičemž všechny součásti dosahují méně než 100 USD ve srovnání s 1300 USD za nejlevnější srovnatelné komerční řešení, jaké jsme mohli najít. Kromě 3D tiskárny jsou potřeba pouze běžné nástroje. Náš projekt je z hlediska hardwaru a softwaru open source. Poskytujeme soubory CAD pro 3D tištěné díly, úplný seznam všech požadovaných komerčních komponent a jejich zdrojů a zdrojový kód použitý v naší pumpě.

Krok 1: Zkontrolujte specifikace

Zkontrolujte níže uvedené specifikace a diskusi o přesnosti.

Splňuje čerpadlo vaše požadavky?

Krok 2: Shromážděte součásti

1x Arduino Uno R3/ kompatibilní deska mm3x Jehlové ložisko HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8 mm1x Kodér 5 V, 0,01 A, 20 poloh spínání, 360 ° 1x Hadice čerpadla, tloušťka stěny 1,6 mm, 0,2 m4x Samolepicí patka (D x Š x V) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Přímý kolík (Ř x D) 4 mm x 14 mm1x Ovládací knoflík (Ř x V) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potenciometr/ trimr 10k1x 220 Ohm Rezistor1x Kondenzátor 47 µF, 25V

Zapojení: 1x DPS (D x Š) 80 mm x 52 mm, Rozteč kontaktů 2,54 mm (CS) 2x Kolíková lišta, přímá, CS 2,54, jmenovitý proud 3A, 36 pinů 1 x Zásuvková lišta, přímá, CS 2,54, jmenovitý proud 3A, 40 kolíky 1 x kabely, různé barvy (např. Ø 2,5 mm, průřez 0, 5 mm²) Teplem smrštitelné (vhodné pro kabely, např. Ø 3 mm)

Šrouby: 4x M3, L = 25 mm (délka bez hlavy), ISO 4762 (šestihranná hlava) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (šestihranná hlava) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (šestihranná hlava) 4x Malý závitový šroub (pro LCD, Ř 2-2,5 mm, D = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm závitový šroub, DIN 9161x M3, matice, ISO 4032

3D tištěné díly: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D tisk není nutný => frézování/řezání/řezání) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Krok 3: Zpracování 3D tisků

3D vytištěné části je třeba po tisku vyčistit, aby se odstranily veškeré zbytky z procesu tisku. Nástroje, které doporučujeme pro postprocesing, jsou malý soubor a řezačka závitů pro vlákna M3. Po procesu tisku je třeba většinu otvorů rozšířit pomocí vhodného vrtáku. U otvorů, které obsahují šrouby M3, je nutné řezat závit pomocí výše uvedeného řezače závitů.

Krok 4: Kabely a zapojení

Jádro obvodu tvoří Arduino a perfboard. Na perfboardu je ovladač krokového motoru, trimr pro LCD, kondenzátor 47 µF a připojení pro napájení různých komponent. Aby bylo možné vypnout Arduino síťovým vypínačem, bylo napájení Arduina přerušeno a vedeno k Perfboardu. Za tímto účelem byla dioda, která se nachází na Arduinu přímo za napájecím konektorem, nepájená a přivedena místo toho na perfboard.

Krok 5: Nastavení hardwaru

Existují tři nastavení, která je třeba provést přímo na obvodu.

Nejprve je třeba nastavit proudový limit pro ovladač krokového motoru nastavením malého šroubu na A4988. Pokud je například napětí V_ref mezi šroubem a GND v zapnutém stavu 1 V, je proudový limit dvojnásobkem hodnoty: I_max = 2A (to je hodnota, kterou jsme použili). Čím vyšší je proud, tím vyšší je točivý moment motoru, což umožňuje vyšší rychlosti a průtoky. Zvyšuje se však také spotřeba energie a vývoj tepla.

Kromě toho lze režim krokového motoru nastavit pomocí tří kolíků, které jsou umístěny v levé horní části ovladače krokového motoru (MS1, MS2, MS3). Když je MS2 na + 5V, jak je znázorněno na schématu zapojení, motor pracuje ve čtvrtstupňovém režimu, který jsme použili. To znamená, že je proveden přesně jeden krok (1,8 °) pro čtyři impulsy, které ovladač krokového motoru přijímá na kolíku STEP.

Jako poslední hodnotu k nastavení lze pomocí trimru na perfboardu upravit kontrast LCD.

Krok 6: Otestujte obvod a součásti

Před montáží se doporučuje vyzkoušet součásti a obvod na prkénku. Na této cestě je snazší najít a opravit možné chyby.

Náš software již můžete nahrát do Arduina, abyste si předem vyzkoušeli všechny funkce. Publikovali jsme zdrojový kód na GitHubu:

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

Krok 7: Sestavení

Video ukazuje montáž součástí v zamýšleném pořadí bez zapojení. Všechny konektory by měly být nejprve připojeny ke komponentám. Zapojení se nejlépe provádí v místě, kde jsou vloženy všechny součásti, ale boční stěny ještě nebyly upevněny. Na těžko dostupné šrouby lze snadno dosáhnout šestihranným klíčem.

1. Vložte vypínač a kodér do určeného otvoru a připevněte je k pouzdru. Připojte ovládací knoflík ke kodéru - pozor - jakmile knoflík připojíte, může jej zničit, pokud se jej pokusíte znovu vyjmout.

2. Připojte LCD displej pomocí malých šroubů se závitem, před montáží nezapojte odpor a kabeláž k displeji.

3. Připevněte desku Arduino Uno k pouzdru pomocí šroubů M3 8 mm.

4. Vložte krokový motor a připevněte jej ke skříni společně s 3D tištěnou částí (Pump_case_bottom) pomocí čtyř šroubů M3 o průměru 10 mm.

5. Připevněte perfboard k pouzdru - ujistěte se, že jste všechny součásti připájili k perfboardu podle schématu zapojení.

6. Zapojte elektronické součásti dovnitř pouzdra.

7. Zavřete skříň přidáním bočních panelů pomocí šroubů M3 10x8 mm.

8. Namontujte ložiskový držák, jak je znázorněno na videu, a připevněte jej k hřídeli motoru pomocí stavěcího šroubu 3 mm

9. Nakonec pomocí dvou šroubů M3 25 mm připevněte podpěru čítače pro držení trubice (Pump_case_top_120 °) a vložte hadičku. Vložte dva šrouby M3 o průměru 25 mm, aby hadička zůstala na místě během procesu čerpadla

Krok 8: Vložte hadičku

Krok 9: Seznamte se s uživatelským rozhraním (ruční ovládání)

Uživatelské rozhraní poskytuje komplexní ovládání peristaltického čerpadla. Skládá se z LCD displeje, ovládacího knoflíku a vypínače. Ovládací knoflík lze otáčet nebo tlačit.

Otočením knoflíku můžete vybírat z různých položek nabídky, aktuálně je vybrána položka nabídky v horním řádku. Stisknutím knoflíku aktivujete vybranou položku nabídky, která je indikována blikajícím obdélníkem. Blikající obdélník znamená, že je aktivována položka nabídky.

Jakmile je položka nabídky aktivována, spustí se v závislosti na vybrané položce buď jako akce, nebo umožňuje změnu odpovídající hodnoty otáčením knoflíku. U všech položek nabídky připojených k číselné hodnotě lze podržením ovladače resetovat hodnotu na nulu nebo dvojitým stisknutím zvýšit hodnotu o jednu desetinu její maximální hodnoty. Chcete -li nastavit zvolenou hodnotu a deaktivovat položku nabídky, je třeba knoflík stisknout podruhé.

Vypínač okamžitě vypne čerpadlo a všechny jeho součásti (Arduino, krokový motor, ovladač krokového motoru, LCD), kromě případů, kdy je čerpadlo připojeno přes USB. Arduino a LCD lze napájet přes USB, takže vypínač na ně nebude mít vliv.

Nabídka pump obsahuje 10 položek, které jsou uvedeny a popsány níže:

0 | Začněte Spusťte čerpání, provozní režim závisí na režimu zvoleném v „6) režimu“

1 | Objem Nastavte dávkovací objem, je brán v úvahu pouze tehdy, je -li v režimu „6) vybrána možnost„ Dávka “

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

3 | Rychlost Nastavte průtok, je brán v úvahu pouze tehdy, když je v režimu „6) zvolen“Dávka”nebo“Pumpa”

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

5 | Směr: Zvolte směr čerpání: „CW“pro otáčení ve směru hodinových ručiček, „CCW“proti směru hodinových ručiček

6 | Režim: Nastavit provozní režim: „Dávka“: dávkování zvoleného objemu (1 | Objem) při zvoleném průtoku (3 | Otáčky) při spuštění „Čerpadlo“: čerpadlo nepřetržitě při zvoleném průtoku (3 | Rychlost), když spuštěno „Kal.“: Kalibrace, pumpa po spuštění provede 30 otáček za 30 sekund

7 | Cal. Nastavte kalibrační objem v ml. Pro kalibraci je čerpadlo spuštěno jednou v kalibračním režimu a je změřen výsledný kalibrační objem, který byl čerpán.

8 | Save Sett. Uložte všechna nastavení do EEPROM Arduinos, hodnoty zůstanou zachovány i po vypnutí a znovu načteny, když je napájení znovu zapnuto

9 | USB Ctrl Aktivace ovládání USB: Pumpa reaguje na sériové příkazy odeslané přes USB

Krok 10: Kalibrace a vyzkoušejte dávkování

Provedení správné kalibrace před použitím pumpy je zásadní pro přesné dávkování a čerpání. Kalibrace řekne čerpadlu, kolik kapaliny se pohybuje za otáčky, takže pumpa může vypočítat, kolik otáček a jakou rychlost je potřeba k dosažení nastavených hodnot. Chcete -li zahájit kalibraci, vyberte režim „Kal.“a začněte pumpovat nebo odešlete kalibrační příkaz přes USB. Standardní kalibrační cyklus provede 30 otáček za 30 sekund. Objem kapaliny čerpané během tohoto cyklu (kalibrační objem) by měl být přesně změřen. Zajistěte, aby měření nebylo ovlivněno kapkami ulpívajícími na hadičkách, hmotností samotné hadičky nebo jinými interferencemi. Ke kalibraci doporučujeme použít mikrogramovou stupnici, protože pokud je známa hustota a hmotnost čerpaného množství kapaliny, můžete snadno vypočítat objem. Jakmile změříte kalibrační objem, můžete pumpu upravit nastavením hodnoty položky nabídky „7 | Kal.“nebo připojením k vašim sériovým příkazům.

Mějte na paměti, že jakákoli změna po kalibraci držáku hadičky nebo tlakový rozdíl ovlivní přesnost čerpadla. Pokuste se provést kalibraci vždy za stejných podmínek, za jakých bude čerpadlo později použito. Pokud odstraníte hadičku a znovu ji nainstalujete do čerpadla, kalibrační hodnota se změní až o 10%, protože k malým rozdílům v umístění a síle působící na šrouby. Tahem za hadičku se také změní umístění a tedy i kalibrační hodnota. Pokud je kalibrace prováděna bez rozdílu tlaku a čerpadlo je později použito k čerpání kapalin pod jiným tlakem, ovlivní to přesnost. Pamatujte, že i rozdíl hladiny jednoho metru může vytvořit tlakový rozdíl 0,1 baru, což bude mít mírný vliv na kalibrační hodnotu, i když čerpadlo může pomocí 0,8 mm hadičky dosáhnout tlaku nejméně 1,5 baru.

Krok 11: Sériové rozhraní - dálkové ovládání přes USB

Sériové rozhraní je založeno na sériovém komunikačním rozhraní Arduino přes USB (Baud 9600, 8 datových bitů, žádná parita, jeden stop bit). Ke komunikaci s pumpou lze použít jakýkoli software nebo programovací jazyk schopný zapisovat data na sériový port (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#atd.). Všechny funkce pumpy jsou přístupné odesláním příslušného příkazu na pumpu, na konci každého příkazu je vyžadován nový znak řádku '\ n' (ASCII 10).

Dávka: d (objem v µL), (rychlost v µL/min), (kalibrační objem v µL) '\ n'

např.: d1000, 2000, 1462 '\ n' (dávkování 1 ml při 2 ml/min, kalibrační objem = 1,462 ml)

Čerpadlo: p (rychlost v µL/min), (kalibrační objem v µL) '\ n'

např.: p2000, 1462 '\ n' (čerpadlo rychlostí 2 ml/min, kalibrační objem = 1,462 ml)

Kalibrace: c '\ n'

Zastavit: x '\ n'

Prostředí Arduino (Arduino IDE) má vestavěný sériový monitor, který umí číst a zapisovat sériová data, proto lze sériové příkazy testovat bez jakéhokoli zapsaného kódu.

Krok 12: Podělte se o své zkušenosti a vylepšete pumpu

Pokud jste postavili naši pumpu, podělte se o své zkušenosti a vylepšení softwaru a hardwaru na:

Thingiverse (3D tištěné díly)

GitHub (software)

Pokyny (pokyny, zapojení, obecné)

Krok 13: Zajímá vás IGEM?

Nadace iGEM (mezinárodní geneticky upravený stroj) je nezávislá, nezisková organizace zaměřená na vzdělávání a konkurenci, rozvoj syntetické biologie a rozvoj otevřené komunity a spolupráce.

iGEM provozuje tři hlavní programy: iGEM Competition - mezinárodní soutěž pro studenty se zájmem o oblast syntetické biologie; Labs Program - program pro akademické laboratoře využívající stejné zdroje jako soutěžní týmy; a Registr standardních biologických částí - rostoucí sbírka genetických částí používaných pro stavbu biologických zařízení a systémů.

igem.org/Main_Page