Tikslus peristaltinis siurblys: 13 žingsnių

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:48

Esame studentų komanda iš įvairių RWTH Aachen universiteto disciplinų ir sukūrėme šį projektą 2017 m. „IGEM“konkurso kontekste.

Po visų mūsų siurblyje atliktų darbų norime pasidalinti savo rezultatais su jumis!

Mes sukūrėme šį peristaltinį siurblį kaip visuotinai taikomą skysčių tvarkymo sprendimą bet kokiam projektui, kuriam reikia transportuoti skysčius. Mūsų siurblys gali tiksliai dozuoti ir pumpuoti siurblius, suteikdamas platų dozavimo tūrių ir srauto diapazoną, kad būtų galima maksimaliai panaudoti. Per 125 dozavimo eksperimentus mes galėjome pademonstruoti ir kiekybiškai įvertinti mūsų siurblio tikslumą. Vamzdžių, kurių vidinis skersmuo yra 0, 8 mm ir bet koks srautas ar dozavimo tūris atitinka specifikacijas, galime parodyti geresnį nei 2% nukrypimą nuo nustatytos vertės. Atsižvelgiant į matavimų rezultatus, tikslumas gali būti dar labiau pagerintas, jei kalibravimo greitis bus sureguliuotas pagal reikiamą srautą.

Siurblį galima valdyti be programavimo žinių naudojant įmontuotą LCD ekraną ir sukamąją rankenėlę. Be to, siurblį galima nuotoliniu būdu valdyti per USB naudojant serijines komandas. Šis paprastas bendravimo būdas suderinamas su įprastomis programinės įrangos ir programavimo kalbomis (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#ir kt.).

Siurblys yra paprastas ir nebrangus gaminti, o visos dalys yra mažesnės nei 100 USD, palyginti su 1300 USD už pigiausią palyginamą komercinį sprendimą, kokį galime rasti. Be 3D spausdintuvo, reikalingi tik bendri įrankiai. Mūsų projektas yra atviro kodo aparatinės ir programinės įrangos požiūriu. Pateikiame 3D spausdintų dalių CAD failus, išsamų visų reikalingų komercinių komponentų ir jų šaltinių sąrašą bei mūsų siurblyje naudojamą šaltinio kodą.

1 veiksmas: patikrinkite specifikacijas

Patikrinkite toliau pateiktas specifikacijas ir aptarimą dėl tikslumo.

Ar siurblys atitinka jūsų reikalavimus?

2 žingsnis: Surinkite komponentus

1x „Arduino Uno R3“/ suderinama plokštė 1x žingsninis variklis (PxAxG): 42x42x41 mm, velenas (ØxL): 5x22 mm 1x maitinimo šaltinis 12 V/ 3 A, jungtis: 5,5/ 2,1 mm mm3x Adatinis guolis HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm Plotis x aukštis) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm 3x tiesus kaištis (Ø x L) 4 mm x 14 mm 1x valdymo rankenėlė (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm

Laidai: 1x PCB (ilgis x plotis) 80 mm x 52 mm, atstumas tarp kontaktų 2,54 mm (CS) 2x kaiščio juostelė, tiesi, CS 2.54, vardinė srovė 3A, 36 kaiščiai 1x lizdo juostelė, tiesi, CS 2.54, vardinė srovė 3A, 40 1x skirtingų spalvų kabeliai (pvz., Ø 2,5 mm, skerspjūvis 0, 5 mm²) Šilumos susitraukimas (tinka kabeliams, pvz., Ø 3 mm)

Varžtai: 4x M3, L = 25 mm (ilgis be galvutės), ISO 4762 (šešiakampė galvutė) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (šešiakampė galvutė) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (šešiakampė galvutė) 4x Mažas sriegimo varžtas (skirtas LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm varžtas, DIN 9161x M3, veržlė, ISO 4032

3D spausdintos dalys: („Thingiverse“) 1x dėklas_mainas2 x dėklo pusė (3D spausdinimas nereikalingas => frezavimas/pjovimas/pjovimas) 1x siurblio dėklas_apvalkalas1x siurblio dėklo_top_120 ° 1x guolio_montas_dugnas1x guolio_montavimo_topas

3 žingsnis: 3D spaudinių apdorojimas po apdorojimo

Po spausdinimo 3D spausdintos dalys turi būti išvalytos, kad būtų pašalintos visos spausdinimo proceso liekanos. Rekomenduojame papildomo apdorojimo įrankius: mažą failą ir sriegimo pjoviklį M3 sriegiams. Po spausdinimo daugumą skylių reikia išplėsti naudojant tinkamą grąžtą. Skylėms, kuriose yra M3 varžtų, sriegis turi būti nupjautas aukščiau nurodytu sriegimo pjovikliu.

4 žingsnis: Kabeliai ir laidai

Grandinės šerdį sudaro „Arduino“ir „perfboard“. Ant plokštės yra žingsninio variklio tvarkyklė, LCD žoliapjovė, 47µF kondensatorius ir įvairių komponentų maitinimo jungtys. Norint išjungti „Arduino“maitinimo jungikliu, „Arduino“maitinimas buvo nutrauktas ir nukreiptas į „Perfboard“. Šiuo tikslu diodas, esantis ant „Arduino“tiesiai už maitinimo lizdo, buvo neišlituotas ir vietoj to atvestas į perforatorių.

5 žingsnis: Aparatūros nustatymai

Yra trys nustatymai, kuriuos reikia atlikti tiesiai grandinėje.

Pirmiausia reikia nustatyti pakopinio variklio pavaros srovės ribą, reguliuojant mažą varžtą A4988. Pavyzdžiui, jei įtampa V_ref tarp varžto ir GND įjungtoje būsenoje yra 1 V, srovės riba yra dvigubai didesnė už vertę: I_max = 2A (tai yra mūsų naudojama vertė). Kuo didesnė srovė, tuo didesnis variklio sukimo momentas, leidžiantis didesnį greitį ir srautą. Tačiau taip pat padidėja energijos suvartojimas ir šilumos plėtra.

Be to, žingsninio variklio režimą galima nustatyti per tris kaiščius, esančius žingsninio variklio pavaros viršutinėje kairėje (MS1, MS2, MS3). Kai MS2 yra + 5 V, kaip parodyta elektros instaliacijos schemoje, variklis veikia ketvirčio žingsnio režimu, kurį mes naudojome. Tai reiškia, kad keturiems impulsams, kuriuos žingsninio variklio vairuotojas gauna prie STEP kaiščio, atliekamas lygiai vienas žingsnis (1,8 °).

Kaip paskutinę nustatytą vertę, žoliapjovė ant plokštės gali būti naudojama LCD kontrastui reguliuoti.

6 žingsnis: Patikrinkite grandinę ir komponentus

Prieš surinkimą rekomenduojama išbandyti komponentus ir grandinę ant duonos lentos. Tokiu būdu lengviau rasti ir ištaisyti galimas klaidas.

Jau galite įkelti mūsų programinę įrangą į „Arduino“, kad iš anksto išbandytumėte visas funkcijas. Šaltinio kodą paskelbėme „GitHub“:

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

7 žingsnis: Surinkimas

Vaizdo įraše parodytas komponentų surinkimas numatyta seka be laidų. Visos jungtys pirmiausia turi būti pritvirtintos prie komponentų. Elektros instaliaciją geriausia atlikti toje vietoje, kur įkišti visi komponentai, tačiau šoninės sienos dar nebuvo pritvirtintos. Sunkiai pasiekiamus varžtus galima lengvai pasiekti šešiakampiu veržliarakčiu.

1. Įkiškite maitinimo jungiklį ir kodavimo įrenginį į jiems skirtą angą ir pritvirtinkite prie korpuso. Pritvirtinkite valdymo rankenėlę prie kodavimo įrenginio - būkite atsargūs - kai pritvirtinsite rankenėlę, ji gali sugadinti kodavimo įrenginį, jei bandysite jį vėl išimti.

2. Pritvirtinkite skystųjų kristalų ekraną mažais sraigtiniais varžtais, prieš surinkdami būtinai lituokite rezistorių ir laidus prie ekrano.

3. Pritvirtinkite „Arduino Uno“plokštę prie korpuso, naudodami 8 mm M3 varžtus.

4. Įdėkite žingsninį variklį ir pritvirtinkite jį prie korpuso kartu su 3D spausdinta dalimi („Pump_case_bottom“), naudodami keturis 10 mm M3 varžtus.

5. Pritvirtinkite karkasą prie korpuso - įsitikinkite, kad visus komponentus prilijote prie plokštės, kaip parodyta elektros instaliacijos schemoje.

6. Elektros dalis prijunkite prie korpuso.

7. Uždarykite dėklą, pridėdami šonines plokštes, naudodami 10x 8 mm M3 varžtus.

8. Surinkite guolio laikiklį, kaip parodyta vaizdo įraše, ir pritvirtinkite jį prie variklio veleno, naudodami 3 mm varžtą

9. Galiausiai pritvirtinkite vamzdžio laikiklį (Pump_case_top_120 °) dviem 25 mm M3 varžtais ir įstatykite vamzdelį. Įkiškite du 25 mm M3 varžtus, kad vamzdžiai laikytųsi siurblio proceso metu

8 žingsnis: įdėkite vamzdelį

9 veiksmas: susipažinkite su vartotojo sąsaja (rankinis valdymas)

Naudotojo sąsaja suteikia visapusišką peristaltinio siurblio valdymą. Jį sudaro LCD ekranas, valdymo rankenėlė ir maitinimo jungiklis. Valdymo rankenėlę galima pasukti arba stumti.

Pasukus rankenėlę galima pasirinkti iš įvairių meniu elementų, šiuo metu pasirinktas meniu elementas viršutinėje eilutėje. Paspaudus rankenėlę, bus suaktyvintas pasirinktas meniu elementas, pažymėtas mirksinčiu stačiakampiu. Mirksintis stačiakampis reiškia, kad meniu elementas yra suaktyvintas.

Kai meniu elementas yra suaktyvintas, jis prasideda priklausomai nuo pasirinkto elemento arba veiksmo arba leidžia keisti atitinkamą vertę sukant rankenėlę. Visiems meniu elementams, prijungtiems prie skaitinės vertės, galima laikyti nuspaustą rankenėlę, kad vertė būtų nustatyta į nulį arba du kartus paspausti, kad vertė būtų padidinta viena dešimtoji jos maksimalios vertės. Norėdami nustatyti pasirinktą vertę ir išjungti meniu elementą, rankenėlę reikia paspausti antrą kartą.

Maitinimo jungiklis nedelsdamas išjungs siurblį ir visus jo komponentus („Arduino“, žingsninį variklį, žingsninio variklio tvarkyklę, LCD), išskyrus atvejus, kai siurblys yra prijungtas per USB. „Arduino“ir skystųjų kristalų ekranas gali būti maitinami iš USB, todėl maitinimo jungiklis jų nepaveiks.

Siurblių meniu yra 10 elementų, kurie išvardyti ir aprašyti žemiau:

0 | Pradėti siurbti, darbo režimas priklauso nuo režimo, pasirinkto „6) režimu“

1 | Tūris Nustatykite dozavimo tūrį tik tuo atveju, jei „Dozė“pasirinkta „6) režimu“

2 | V. vienetas: nustatykite tūrio vienetą, galimos šios parinktys: „mL“: ml „uL“: µL „puvinys“: (siurblio) apsisukimai

3 | Greitis Nustatykite srautą tik tuo atveju, jei „Dozavimas“arba „Siurblys“pasirinktas „6) režimu“

4 | S. vienetas: nustatykite tūrio vienetą, parinktys: „mL/min“: ml/min „uL/min“: µL/min „rpm“: apsisukimai/min

5 | Kryptis: pasirinkite siurbimo kryptį: „CW“sukimui pagal laikrodžio rodyklę, „CCW“- prieš laikrodžio rodyklę

6 | Režimas: Nustatykite veikimo režimą: „Dozė“: paleiskite pasirinktą tūrį (1 | Tūris) pasirinktu debitu (3 | Greitis) „Siurblys“: nuolat siurbkite pasirinktu srautu (3 | Greitis), kai pradėtas „Cal.“: Kalibravimas, siurblys paleidęs atliks 30 apsisukimų per 30 sekundžių

7 | Kal. Nustatykite kalibravimo tūrį ml. Kalibravimui siurblys vieną kartą paleidžiamas kalibravimo režimu ir matuojamas gautas kalibravimo tūris, kuris buvo pumpuojamas.

8 | Išsaugoti nustatymus. Išsaugokite visus nustatymus „Arduinos EEPROM“, vertės išlieka išjungimo metu ir įkeliamos iš naujo, kai maitinimas vėl įjungiamas

9 | USB CtrlAktyvinti USB valdymą: siurblys reaguoja į serijines komandas, siunčiamas per USB

10 veiksmas: kalibravimas ir bandymas dozuoti

Norint tiksliai dozuoti ir pumpuoti, labai svarbu tinkamai kalibruoti prieš naudojant siurblį. Kalibravimas nurodys siurbliui, kiek skysčio perkeliama per sukimąsi, todėl siurblys gali apskaičiuoti, kiek apsisukimų ir kokio greičio reikia norint pasiekti nustatytas reikšmes. Norėdami pradėti kalibravimą, pasirinkite režimą „Cal“. ir pradėkite siurbti arba nusiųskite kalibravimo komandą per USB. Standartinis kalibravimo ciklas atliks 30 apsisukimų per 30 sekundžių. Šio ciklo metu išpumpuoto skysčio tūris (kalibravimo tūris) turi būti tiksliai išmatuotas. Įsitikinkite, kad matavimams įtakos neturi lašeliai, prilipę prie vamzdelio, paties vamzdžio svoris ar kiti trukdžiai. Rekomenduojame kalibravimui naudoti mikrogramų skalę, nes galite lengvai apskaičiuoti tūrį, jei žinomas siurbiamo skysčio kiekio tankis ir svoris. Išmatavę kalibravimo tūrį, galite reguliuoti siurblį nustatydami meniu punkto „7 | Cal.“Reikšmę. arba pridedant jį prie nuoseklių komandų.

Atminkite, kad bet koks pakeitimas po kalibravimo vamzdžių laikiklyje arba slėgio skirtumas paveiks siurblio tikslumą. Pabandykite atlikti kalibravimą visada tomis pačiomis sąlygomis, kuriomis siurblys bus naudojamas vėliau. Jei pašalinsite vamzdelius ir vėl įdėsite juos į siurblį, kalibravimo vertė pasikeis iki 10%, nes dėl nedidelių padėties ir varžtų jėgos skirtumų. Patraukus vamzdelį, taip pat pasikeis padėtis, taigi ir kalibravimo vertė. Jei kalibravimas atliekamas be slėgio skirtumo ir siurblys vėliau naudojamas skysčiams siurbti kitu slėgiu, tai turės įtakos tikslumui. Atminkite, kad net vieno metro lygio skirtumas gali sukelti 0,1 baro slėgio skirtumą, kuris šiek tiek paveiks kalibravimo vertę, net jei siurblys gali pasiekti ne mažesnį kaip 1,5 bar slėgį naudojant 0,8 mm vamzdžius.

11 veiksmas: nuosekli sąsaja - nuotolinis valdymas per USB

Serijinė sąsaja yra pagrįsta „Arduino“nuosekliosios komunikacijos sąsaja per USB („Baud 9600“, 8 duomenų bitai, nėra pariteto, vieno sustojimo bitas). Ryšiui su siurbliu galima naudoti bet kokią programinę įrangą ar programavimo kalbą, galinčią įrašyti duomenis į nuoseklųjį prievadą (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#ir kt.). Visos siurblio funkcijos pasiekiamos siunčiant siurbliui atitinkamą komandą, kiekvienos komandos pabaigoje reikalingas naujas eilutės simbolis „\ n“(ASCII 10).

Dozė: d (tūris µL), (greitis µL/min), (kalibravimo tūris µL) '\ n'

pvz., d1000, 2000, 1462 '\ n' (dozuojant 1 ml 2 ml/min., kalibravimo tūris = 1,462 ml)

Siurblys: p (greitis µL/min), (kalibravimo tūris µL) '\ n'

pvz.: p2000, 1462 '\ n' (siurblys 2 ml/min., kalibravimo tūris = 1,462 ml)

Kalibruoti: c '\ n'

Sustabdyti: x '\ n'

„Arduino“aplinkoje („Arduino IDE“) yra įmontuotas nuoseklusis monitorius, kuris gali skaityti ir rašyti serijinius duomenis, todėl serijines komandas galima išbandyti be jokio rašytinio kodo.

12 veiksmas: pasidalykite savo patirtimi ir patobulinkite siurblį

Jei sukūrėte mūsų siurblį, pasidalykite savo patirtimi ir programinės bei techninės įrangos patobulinimais:

„Thingiverse“(3D spausdintos dalys)

„GitHub“(programinė įranga)

Instrukcijos (instrukcijos, laidai, bendri)

13 žingsnis: įdomu sužinoti apie IGEM?

„IGEM“(tarptautinė genetiškai modifikuota mašina) fondas yra nepriklausoma ne pelno siekianti organizacija, skirta švietimui ir konkurencijai, sintetinės biologijos pažangai ir atviros bendruomenės bei bendradarbiavimo plėtrai.

„iGEM“vykdo tris pagrindines programas: „iGEM Competition“- tarptautinis konkursas studentams, besidomintiems sintetinės biologijos sritimi; Laboratorijų programa - programa, skirta akademinėms laboratorijoms naudoti tuos pačius išteklius kaip ir konkurso komandos; ir standartinių biologinių dalių registras - augantis genetinių dalių, naudojamų biologiniams prietaisams ir sistemoms kurti, kolekcija.

igem.org/Main_Page