Presis peristaltisk pumpe: 13 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

Vi er et studentteam fra forskjellige disipliner ved RWTH Aachen University og har opprettet dette prosjektet i sammenheng med iGEM -konkurransen 2017.

Etter alt arbeidet som gikk med pumpen vår, vil vi dele resultatene våre med deg!

Vi bygde denne peristaltiske pumpen som en generelt anvendelig væskehåndteringsløsning for ethvert prosjekt som krever transport av væsker. Pumpen vår er i stand til presis dosering og pumping, og gir et bredt spekter av doseringsvolumer og strømningshastigheter for å maksimere mulige bruksområder. Gjennom 125 doseringseksperimenter kunne vi demonstrere og kvantifisere nøyaktigheten til pumpen vår. For et rør med 0, 8 mm indre diameter og eventuell strømningshastighet eller doseringsvolum innenfor spesifikasjonene kan vi vise en nøyaktighet som er bedre enn 2% avvik fra den angitte verdien. Gitt resultatene av målingene, kan nøyaktigheten forbedres enda mer hvis kalibreringens hastighet justeres til den nødvendige strømningshastigheten.

Pumpen kan styres uten programmeringskunnskap via det innebygde LCD-displayet og en dreieknapp. I tillegg kan pumpen fjernstyres via USB med serielle kommandoer. Denne enkle kommunikasjonsmåten er kompatibel med vanlig programvare og programmeringsspråk (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#, etc.).

Pumpen er enkel og billig å produsere, med alle delene på totalt mindre enn $ 100 sammenlignet med $ 1300 for den billigste, sammenlignbare kommersielle løsningen vi kunne finne. I tillegg til en 3D -skriver, er det bare vanlige verktøy som trengs. Prosjektet vårt er åpen kildekode når det gjelder maskinvare og programvare. Vi tilbyr CAD -filene for 3D -trykte deler, en komplett liste over alle nødvendige kommersielle komponenter og deres kilder, og kildekoden som brukes i pumpen vår.

Trinn 1: Sjekk spesifikasjonene

Sjekk spesifikasjonene og diskusjonen om nøyaktighet vedlagt nedenfor.

Oppfyller pumpen dine krav?

Trinn 2: Samle komponenter

1x Arduino Uno R3/ kompatibelt brett 1x Steppermotor (BxHxD): 42x42x41 mm, Aksel (ØxL): 5x22 mm1x Strømforsyning 12 V/ 3 A, kontakt: 5,5/ 2,1 mm1x Trinnmotor driver A49881x LCD -modul 16x2, (BxHxD): 80x36x13 mm3x Nålelager HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8 mm1x Encoder 5 V, 0,01 A, 20 bryterposisjoner, 360 ° 1x pumpeslange, 1,6 mm veggtykkelse, 0,2 m4x fot selvklebende (L x B x H) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Riktig pinne (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Kontrollknapp (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potensiometer/ trimmer 10k1x 220 Ohm motstand 1x kondensator 47µF, 25V

Ledninger: 1x PCB (L x B) 80 mm x 52 mm, kontaktavstand 2,54 mm (CS) 2x Pin strip, rett, CS 2.54, nominell strøm 3A, 36 pins1x Socket strip, straight, CS 2.54, nominell strøm 3A, 40 pins1x Kabler, forskjellige farger (f.eks. Ø 2,5 mm, tverrsnitt 0, 5 mm²) Varmekrymping (egnet for kabler, f.eks. Ø 3 mm)

Skruer: 4x M3, L = 25 mm (lengde uten hode), ISO 4762 (sekskantet hode) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (sekskantet hode) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (sekskantet hode) 4x Liten skrue (for LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm skrue, DIN 9161x M3, mutter, ISO 4032

3D -trykte deler: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D -utskrift ikke nødvendig => fresing/kutting/saging) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Trinn 3: Etterbehandling av 3D -utskrifter

De 3D -trykte delene må rengjøres etter utskrift for å fjerne rester fra utskriftsprosessen. Verktøyene vi anbefaler for etterbehandling er en liten fil og en trådklipper for M3 -tråder. Etter utskriftsprosessen må de fleste hullene utvides ved bruk av en passende boremaskin. For hullene som inneholder M3 -skruer, må en tråd kuttes med ovennevnte gjengekutter.

Trinn 4: Kabler og ledninger

Kjernen i kretsen består av Arduino og et perfboard. På perfboardet er trinnmotordriveren, trimmeren for LCD -skjermen, 47µF kondensatoren og tilkoblinger for strømforsyningen til de forskjellige komponentene. For å slå av Arduino med strømbryteren, ble strømforsyningen til Arduino avbrutt og ført til Perfboard. For dette formålet ble dioden som ligger på Arduino rett bak strømkontakten usoldet og brakt til perfboardet i stedet.

Trinn 5: Maskinvareinnstillinger

Det er tre innstillinger som må gjøres direkte på kretsen.

Først må gjeldende grense for trinnmotordriveren settes ved å justere den lille skruen på A4988. For eksempel, hvis spenningen V_ref mellom skrue og GND i på -tilstand er 1V, er strømgrensen to ganger verdien: I_max = 2A (dette er verdien vi brukte). Jo høyere strøm, jo høyere dreiemoment for motoren, noe som gir høyere hastigheter og strømningshastigheter. Imidlertid øker også strømforbruket og varmeutviklingen.

Videre kan trinnmotorens modus settes via de tre pinnene som er plassert øverst til venstre på trinnmotordriveren (MS1, MS2, MS3). Når MS2 er på + 5V, som vist i koblingsskjemaet, drives motoren i kvart trinnsmodus, som vi brukte. Dette betyr at nøyaktig ett trinn (1,8 °) utføres for fire pulser som trinnmotordriveren mottar ved STEP -pinnen.

Som siste verdi å sette, kan trimmeren på perfboard brukes til å justere kontrasten på LCD -skjermen.

Trinn 6: Testkrets og komponenter

Før montering anbefales det å teste komponentene og kretsen på et brødbrett. På denne måten er det lettere å finne og fikse mulige feil.

Du kan allerede laste opp programvaren vår til Arduino, for å prøve alle funksjonene på forhånd. Vi publiserte kildekoden på GitHub:

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

Trinn 7: Montering

Videoen viser sammensetningen av komponentene i den tiltenkte sekvensen uten ledninger. Alle kontakter skal først festes til komponentene. Ledningen gjøres best på det punktet hvor alle komponentene er satt inn, men sideveggene er ennå ikke fikset. De vanskelig tilgjengelige skruene kan lett nås med en unbrakonøkkel.

1. Sett strømbryteren og encoderen inn i det angitte hullet og fest dem til etuiet. Fest kontrollknappen til giveren - vær forsiktig - når du har festet knappen, kan det ødelegge encoderen hvis du prøver å fjerne den igjen.

2. Fest LCD -skjermen med små tappeskruer. Sørg for å lodde motstanden og ledningene til skjermen før montering.

3. Fest Arduino Uno -kortet til etuiet med 8 mm M3 -skruer.

4. Sett inn trinnmotoren og fest den til saken sammen med den 3D -trykte delen (Pump_case_bottom) ved hjelp av fire 10 mm M3 -skruer.

5. Fest perfboardet til etuiet - pass på at du loddet alle komponentene til perfboardet som vist i koblingsskjemaet.

6. Koble de elektroniske delene inne i saken.

7. Lukk etuiet ved å legge til sidepanelene med 10x 8 mm M3 -skruer.

8. Monter lagerfestet som vist på videoen, og fest det til motorens aksel med en 3 mm skrue

9. Fest til slutt motstøtten for å holde røret (Pump_case_top_120 °) med to 25 mm M3 -skruer og sett inn slangen. Sett inn to 25 mm M3 -skruer for å holde slangen på plass under pumpeprosessen

Trinn 8: Sett inn slangen

Trinn 9: Bli kjent med brukergrensesnittet (manuell kontroll)

Brukergrensesnittet gir en omfattende kontroll av den peristaltiske pumpen. Den består av en LCD -skjerm, en kontrollknapp og en strømbryter. Kontrollknappen kan dreies eller skyves.

Ved å dreie på knappen kan du velge mellom forskjellige menyelementer, menyelementet på den øvre linjen er for øyeblikket valgt. Trykk på knappen for å aktivere det valgte menypunktet, indikert med et blinkende rektangel. Det blinkende rektangelet innebærer at menyelementet er aktivert.

Når menyelementet er aktivert, starter det avhengig av det valgte elementet enten en handling eller tillater endring av den tilsvarende verdien ved å dreie på knappen. For alle menyelementer som er koblet til en numerisk verdi, kan knappen holdes inne for å tilbakestille verdien til null eller dobbelttrykket for å øke verdien med en tiendedel av den maksimale verdien. For å angi den valgte verdien og deaktivere et menyelement, må du trykke på knappen en gang til.

Strømbryteren vil umiddelbart slå av pumpen og alle dens komponenter (Arduino, trinnmotor, trinnmotordriver, LCD), unntatt når pumpen er koblet til via USB. Arduino og LCD kan drives av USB, slik at strømbryteren ikke påvirker dem.

Pumpemenyen har 10 elementer, som er oppført og beskrevet nedenfor:

0 | Start Start pumpingen, driftsmodusen er avhengig av modusen som er valgt i “6) Mode”

1 | Volum Angi doseringsvolumet, vurderes bare hvis “Dose” er valgt i “6) modus”

2 | V. Enhet: Still inn volumenheten, alternativene er: “ml”: ml “uL”: µL “råte”: rotasjoner (av pumpen)

3 | Hastighet Angi strømningshastigheten, vurderes bare hvis "Dose" eller "Pumpe" er valgt i "6) Modus"

4 | S. Enhet: Still inn volumenheten, alternativene er: “ml/min”: ml/min “uL/min”: µL/min “rpm”: rotasjoner/min

5 | Retning: Velg pumperetning: “CW” for rotasjon med klokken, “CCW” for mot klokken

6 | Modus: Angi driftsmodus: “Dose”: doser det valgte volumet (1 | Volum) ved den valgte strømningshastigheten (3 | Hastighet) når den startes “Pumpe”: pump kontinuerlig med valgt strømningshastighet (3 | Hastighet) når startet “Cal.”: Kalibrering, pumpen vil utføre 30 rotasjoner på 30 sekunder når den startes

7 | Kal. Angi kalibreringsvolum i ml. For kalibrering kjøres pumpen en gang i kalibreringsmodus, og det resulterende kalibreringsvolumet som ble pumpet måles.

8 | Lagre Sett. Lagre alle innstillinger til Arduinos EEPROM, verdier beholdes under strømmen og lastes inn igjen når strømmen slås på igjen

9 | USB CtrlAktiver USB -kontroll: Pumpen reagerer på serielle kommandoer som sendes via USB

Trinn 10: Kalibrering og prøv dosering

Det er avgjørende for nøyaktig dosering og pumping å utføre en riktig kalibrering før du bruker pumpen. Kalibreringen vil fortelle pumpen hvor mye væske som beveges per rotasjon, slik at pumpen kan beregne hvor mange rotasjoner og hvilken hastighet som er nødvendig for å oppfylle de innstilte verdiene. For å starte kalibreringen, velg modus "Cal." og begynn å pumpe eller send kalibreringskommandoen via USB. Standard kalibreringssyklus utfører 30 rotasjoner på 30 sekunder. Mengden væske som pumpes i løpet av denne syklusen (kalibreringsvolum) må måles nøyaktig. Sørg for at målingen ikke påvirkes av dråper som fester seg til slangen, selve vekten av slangen eller andre forstyrrelser. Vi anbefaler å bruke en mikrogramvekt for kalibrering, da du enkelt kan beregne volumet hvis tetthet og vekt av pumpet væskemengde er kjent. Når du har målt kalibreringsvolumet, kan du justere pumpen ved å angi verdien til menypunktet "7 | Cal." eller feste den til de serielle kommandoene.

Vær oppmerksom på at enhver endring etter kalibrering av slangefestet eller trykkforskjellen vil påvirke pumpens presisjon. Prøv å utføre kalibreringen alltid under de samme forholdene, som pumpen skal brukes senere. Hvis du fjerner slangen og installerer den igjen i pumpen, vil kalibreringsverdien endres opp til 10%siden det er små forskjeller i posisjonering og kraft som påføres skruene. Å trekke i slangen vil også endre posisjonering og derfor kalibreringsverdien. Hvis kalibreringen utføres uten trykkforskjell og pumpen senere brukes til å pumpe væsker ved et annet trykk, vil det påvirke presisjonen. Husk at selv en nivåforskjell på en meter kan skape en trykkforskjell på 0,1 bar, noe som vil ha en liten innflytelse på kalibreringsverdien, selv om pumpen kan nå et trykk på minst 1,5 bar ved å bruke 0,8 mm rør.

Trinn 11: Serielt grensesnitt - Fjernkontroll via USB

Det serielle grensesnittet er basert på Arduinos serielle kommunikasjonsgrensesnitt via USB (Baud 9600, 8 databiter, ingen paritet, en stoppbit). Enhver programvare eller programmeringsspråk som kan skrive data til en seriell port kan brukes til å kommunisere med pumpen (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#, etc.). Alle pumpens funksjoner er tilgjengelige ved å sende den tilhørende kommandoen til pumpen. På slutten av hver kommando kreves et nytt linjetegn '\ n' (ASCII 10).

Dose: d (volum i μL), (hastighet i μL/min), (kalibreringsvolum i μL) '\ n'

f.eks.: d1000, 2000, 1462 '\ n' (dosering 1 ml ved 2 ml/min, kalibreringsvolum = 1,462 ml)

Pumpe: p (hastighet i µL/min), (kalibreringsvolum i µL) '\ n'

f.eks.: p2000, 1462 '\ n' (pumpe ved 2mL/min, kalibreringsvolum = 1,462mL)

Kalibrer: c '\ n'

Stopp: x '\ n'

Arduino-miljøet (Arduino IDE) har en innebygd seriell skjerm som kan lese og skrive serielle data, derfor kan serielle kommandoer testes uten skriftlig kode.

Trinn 12: Del dine erfaringer og forbedre pumpen

Hvis du har bygget pumpen vår, vennligst del dine erfaringer og forbedringer innen programvare og maskinvare på:

Thingiverse (3D -trykte deler)

GitHub (programvare)

Instrukser (instruksjoner, ledninger, generelt)

Trinn 13: Nysgjerrig på IGEM?

IGEM (international Genetically Engineered Machine) Foundation er en uavhengig, ideell organisasjon dedikert til utdanning og konkurranse, fremme av syntetisk biologi og utvikling av et åpent fellesskap og samarbeid.

iGEM driver tre hovedprogrammer: iGEM Competition - en internasjonal konkurranse for studenter som er interessert i syntetisk biologi; Labs -programmet - et program for akademiske laboratorier for å bruke de samme ressursene som konkurranselagene; og Registry of Standard Biological Parts - en voksende samling av genetiske deler som brukes til å bygge biologiske enheter og systemer.

igem.org/Main_Page