Прецизна перисталтична помпа: 13 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

Ние сме студентски екип от различни дисциплини на университета RWTH в Аахен и създадохме този проект в контекста на конкурса iGEM за 2017 г.

След цялата работа, вложена в нашата помпа, бихме искали да споделим нашите резултати с вас!

Ние създадохме тази перисталтична помпа като общоприложимо решение за обработка на течности за всеки проект, който изисква транспортиране на течности. Нашата помпа е способна на прецизно дозиране и изпомпване, осигурявайки широк диапазон от обеми на дозиране и дебит, за да се максимизират възможните приложения. Чрез 125 експеримента за дозиране успяхме да демонстрираме и количествено определим точността на нашата помпа. За тръби с вътрешен диаметър 0, 8 mm и всеки дебит или обем на дозиране в рамките на спецификациите можем да покажем точност по -добра от 2% отклонение от зададената стойност. Предвид резултатите от измерванията, точността може да бъде подобрена още повече, ако скоростта на калибриране се регулира към необходимия дебит.

Помпата може да се управлява без познания за програмиране чрез вградения LCD дисплей и въртящо се копче. В допълнение, помпата може да се управлява дистанционно чрез USB чрез серийни команди. Този прост начин на комуникация е съвместим с общ софтуер и езици за програмиране (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#и др.).

Помпата е проста и евтина за производство, като всички части са на обща стойност под 100 долара в сравнение с 1300 долара за най -евтиното сравнимо търговско решение, което можем да намерим. Освен 3D принтер, са необходими само общи инструменти. Нашият проект е с отворен код по отношение на хардуер и софтуер. Ние предоставяме CAD файловете за 3D отпечатаните части, пълен списък на всички необходими търговски компоненти и техните източници, както и изходния код, използван в нашата помпа.

Стъпка 1: Проверете спецификациите

Проверете спецификациите и обсъждането на точността, приложено по -долу.

Помпата отговаря ли на вашите изисквания?

Стъпка 2: Съберете компоненти

1x Arduino Uno R3/ съвместима платка 1x стъпков двигател (ШxВxГ): 42x42x41 мм, Вал (ØxL): 5x22 mm1x Захранване 12 V/ 3 A, конектор: 5.5/ 2.1 mm1x Стъпков двигател A49881x LCD модул 16x2, (ШxВxГ): 80x36x13 mm3x Иглени лагери HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm1x Енкодер 5 V, 0.01 A, 20 позиции на превключвател, 360 ° 1x тръба на помпата, 1.6 мм дебелина на стената, 0.2m4x Самозалепващо стъпало (L x Ш x В) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Прав щифт (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Копче за управление (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm1x Потенциометър/ Тример 10k1x 220 Ohm Резистор1x Кондензатор 47µF, 25V

Окабеляване: 1x печатна платка (Д x Ш) 80 mm x 52 mm, Разстояние между контактите 2,54 mm (CS) 2x Щипка, права, CS 2,54, номинален ток 3A, 36 пина щифтове1x Кабели, различни цветове (напр. Ø 2,5 mm, напречно сечение 0, 5 mm²) Термосвиване (подходящо за кабели, напр. Ø 3 mm)

Винтове: 4x M3, L = 25 мм (дължина без глава), ISO 4762 (шестоъгълна глава) 7x M3, L = 16 мм, ISO 4762 (шестоъгълна глава) 16x M3, L = 8 мм, ISO 4762 (шестоъгълна глава) 4x Малък самонарезен винт (за LCD, Ø 2-2,5 мм, L = 3-6 мм) 1x M3, L = 10 мм винт, DIN 9161x M3, гайка, ISO 4032

3D отпечатани части: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D печат не е необходим => фрезоване/рязане/рязане) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Стъпка 3: Пост обработка на 3D отпечатъци

3D отпечатаните части трябва да бъдат почистени след отпечатване, за да се отстранят остатъците от процеса на печат. Инструментите, които препоръчваме за последваща обработка, са малък файл и резачка за конци за нишки M3. След процеса на отпечатване повечето отвори трябва да се разширят с помощта на подходяща бормашина. За отворите, които съдържат винтове M3, трябва да се реже конец с гореспоменатия нож за резба.

Стъпка 4: Кабели и окабеляване

Ядрото на веригата се състои от Arduino и перфорирана дъска. На перфборда е драйверът на стъпковия двигател, тримерът за LCD дисплея, 47µF кондензатор и връзки за захранване на различните компоненти. За да изключите Arduino чрез превключвателя на захранването, захранването на Arduino беше прекъснато и доведе до Perfboard. За тази цел диодът, който се намира на Arduino директно зад гнездото за захранване, беше разпоен и вместо това беше донесен до перфборда.

Стъпка 5: Настройки на хардуера

Има три настройки, които трябва да бъдат направени директно върху веригата.

Първо трябва да се зададе ограничението на тока за драйвера на стъпаловиден двигател, като се регулира малкият винт на A4988. Например, ако напрежението V_ref между винта и GND във включено състояние е 1V, границата на тока е два пъти по -голяма от стойността: I_max = 2A (това е стойността, която използвахме). Колкото по -висок е токът, толкова по -голям е въртящият момент на двигателя, което позволява по -високи обороти и дебит. Увеличава се обаче и консумацията на енергия и развитието на топлина.

Освен това, режимът на стъпковия двигател може да бъде зададен чрез трите щифта, които са разположени в горния ляв ъгъл на драйвера на стъпковия двигател (MS1, MS2, MS3). Когато MS2 е при + 5V, както е показано на електрическата схема, двигателят работи в режим на четвърт стъпка, който използвахме. Това означава, че точно една стъпка (1,8 °) се изпълнява за четири импулса, които драйверът на стъпковия двигател получава на щифта STEP.

Като последна стойност за настройка, тримерът на перфорираната дъска може да се използва за регулиране на контраста на LCD.

Стъпка 6: Тестова верига и компоненти

Преди сглобяването се препоръчва да се тестват компонентите и веригата на макет. По този начин е по -лесно да се намерят и поправят възможни грешки.

Вече можете да качите нашия софтуер в Arduino, за да изпробвате всички функции предварително. Публикувахме изходния код на GitHub:

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

Стъпка 7: Монтаж

Видеото показва сглобяването на компонентите в предвидената последователност без окабеляване. Всички съединители първо трябва да бъдат прикрепени към компонентите. Окабеляването се извършва най -добре на мястото, където са поставени всички компоненти, но страничните стени все още не са фиксирани. Трудно достъпните винтове могат лесно да бъдат достигнати с шестостен ключ.

1. Поставете превключвателя на захранването и енкодера в определения им отвор и ги фиксирайте към кутията. Прикрепете копчето за управление към енкодера - бъдете внимателни - след като го свържете, той може да унищожи енкодера, ако опитате да го премахнете отново.

2. Прикрепете LCD дисплея с малки самонарезни винтове, не забравяйте да запоите резистора и окабеляването към дисплея преди сглобяването.

3. Закрепете дъската Arduino Uno към кутията с помощта на 8 мм M3 винтове.

4. Поставете стъпковия двигател и го прикрепете към кутията заедно с 3D отпечатаната част (Pump_case_bottom) с помощта на четири 10 мм M3 винта.

5. Прикрепете перфорираната плоскост към кутията - уверете се, че сте запояли всички компоненти към перфорираната дъска, както е показано на електрическата схема.

6. Свържете електронните части вътре в кутията.

7. Затворете кутията, като добавите страничните панели с помощта на винтове M3 10x8 mm.

8. Сглобете стойката на лагера, както е показано на видеото, и я прикрепете към вала на двигателя с помощта на 3 мм винт

9. Накрая, прикрепете стойката на брояча за задържане на тръбата (Pump_case_top_120 °) с два 25 мм M3 винта и поставете тръбата. Поставете два 25 мм винта M3, за да поддържате тръбите на място по време на процеса на помпата

Стъпка 8: Поставете тръби

Стъпка 9: Запознайте се с потребителския интерфейс (ръчно управление)

Потребителският интерфейс осигурява цялостен контрол на перисталтичната помпа. Състои се от LCD дисплей, копче за управление и превключвател на захранването. Копчето за управление може да се завърта или натиска.

Завъртането на копчето позволява избор от различни елементи от менюто, в момента е избран елементът от менюто на горния ред. Натискането на копчето ще активира избрания елемент от менюто, обозначен с мигащ правоъгълник. Мигащият правоъгълник означава, че елементът от менюто е активиран.

След като елементът от менюто се активира, той започва в зависимост от избрания елемент или действие, или позволява промяна на съответната стойност чрез завъртане на копчето. За всички елементи от менюто, свързани към числова стойност, копчето може да се задържи за нулиране на стойността до нула или двойно натискане, за да се увеличи стойността с една десета от максималната му стойност. За да зададете избраната стойност и да деактивирате елемент от менюто, копчето трябва да бъде натиснато втори път.

Превключвателят на захранването незабавно ще изключи помпата и всички нейни компоненти (Arduino, стъпков двигател, драйвер на стъпаловиден двигател, LCD), освен когато помпата е свързана чрез USB. Arduino и LCD могат да се захранват от USB, така че превключвателят на захранването няма да им повлияе.

Менюто на помпите има 10 елемента, които са изброени и описани по -долу:

0 | StartStart насочване, режимът на работа зависи от режима, избран в режим „6)“

1 | Обем Задайте обем на дозиране, който се взема предвид само ако „Доза“е избрана в режим „6)“

2 | V. Unit: Задайте единица за обем, опциите са: „mL“: mL „uL“: µL „гниене“: завъртания (на помпата)

3 | Скорост Задайте дебита, се взема предвид само ако „Доза“или „Помпа“е избрано в „6) режим“

4 | S. Unit: Задайте единицата за обем, опциите са: „mL/min“: mL/min „uL/min“: µL/min „rpm“: обороти/min

5 | Посока: Изберете посоката на изпомпване: „CW“за въртене по часовниковата стрелка, „CCW“за обратно на часовниковата стрелка

6 | Режим: Задайте режим на работа: „Доза“: дозиране на избрания обем (1 | Обем) при избрания дебит (3 | Скорост) при стартиране „Помпа“: помпа непрекъснато при избрания дебит (3 | Скорост), когато стартира „Cal.“: Калибрирането, помпата ще извърши 30 завъртания за 30 секунди при стартиране

7 | Cal. Set калибриращ обем в ml. За калибриране помпата се пуска веднъж в режим на калибриране и се измерва получения калибриращ обем, който е изпомпван.

8 | Запазване на настройките. Запазете всички настройки в EEPROM на Arduinos, стойностите се запазват по време на изключване на захранването и се презареждат, когато захранването се включи отново

9 | USB Ctrl Активирайте USB контрол: Помпата реагира на серийни команди, изпратени чрез USB

Стъпка 10: Калибриране и опитайте дозиране

Извършването на подходящо калибриране преди използване на помпата е от решаващо значение за точното дозиране и изпомпване. Калибрирането ще покаже на помпата колко течност се премества на въртене, така че помпата може да изчисли колко обороти и коя скорост е необходима, за да отговори на зададените стойности. За да започнете калибрирането, изберете режим „Cal“. и стартирайте изпомпването или изпратете командата за калибриране през USB. Стандартният цикъл на калибриране ще извърши 30 завъртания за 30 секунди. Обемът на течността, изпомпвана по време на този цикъл (калибриращ обем) трябва да се измерва точно. Уверете се, че измерването не е повлияно от залепнали по тръбата капки, теглото на самата тръба или други смущения. Препоръчваме да използвате микрограма за калибриране, тъй като можете лесно да изчислите обема, ако са известни плътността и теглото на изпомпваното количество течност. След като измерите обема на калибриране, можете да регулирате помпата, като зададете стойността на елемента от менюто „7 | Cal“. или да го прикачите към вашите серийни команди.

Моля, имайте предвид, че всяка промяна след калибриране на тръбния монтаж или разликата в налягането ще повлияе на прецизността на помпата. Опитайте се да извършвате калибрирането винаги при същите условия, при които помпата ще се използва по -късно. Ако извадите тръбата и я инсталирате отново в помпата, стойността на калибриране ще се промени до 10%, тъй като до малки разлики в позиционирането и силата, приложена към винтовете. Издърпването на тръбите също ще промени позиционирането и следователно стойността на калибриране. Ако калибрирането се извършва без разлика в налягането и по -късно помпата се използва за изпомпване на течности при друго налягане, това ще повлияе на прецизността. Не забравяйте, че дори разликата в нивата от един метър може да създаде разлика в налягането от 0,1 бара, което ще окаже леко влияние върху стойността на калибриране, дори ако помпата може да достигне налягане най -малко 1,5 бара, използвайки тръбата от 0,8 мм.

Стъпка 11: Сериен интерфейс - Дистанционно управление чрез USB

Серийният интерфейс се основава на серийния комуникационен интерфейс на Arduino чрез USB (Baud 9600, 8 бита данни, без паритет, един стоп бит). Всеки софтуер или език за програмиране, способен да записва данни към сериен порт, може да се използва за комуникация с помпата (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#и т.н.). Всички функции на помпата са достъпни чрез изпращане на съответната команда до помпата, в края на всяка команда е необходим нов символ „\ n“(ASCII 10).

Доза: d (обем в µL), (скорост в µL/min), (калибриращ обем в µL) '\ n'

напр.: d1000, 2000, 1462 '\ n' (дозиране 1mL при 2mL/min, калибриращ обем = 1.462mL)

Помпа: p (скорост в µL/min), (калибриращ обем в µL) '\ n'

напр.: p2000, 1462 '\ n' (помпа при 2mL/min, калибриращ обем = 1.462mL)

Калибриране: c '\ n'

Стоп: x '\ n'

Средата Arduino (Arduino IDE) има вграден сериен монитор, който може да чете и записва серийни данни, поради което серийните команди могат да бъдат тествани без никакъв писмен код.

Стъпка 12: Споделете своя опит и подобрете помпата

Ако сте изградили нашата помпа, моля, споделете своя опит и подобрения в софтуера и хардуера на:

Thingiverse (3D отпечатани части)

GitHub (софтуер)

Инструкции (инструкции, окабеляване, общи)

Стъпка 13: Любопитни ли сте за IGEM?

Фондацията iGEM (международна генетично проектирана машина) е независима организация с нестопанска цел, посветена на образованието и конкуренцията, развитието на синтетичната биология и развитието на отворена общност и сътрудничество.

iGEM провежда три основни програми: iGEM Competition - международно състезание за студенти, интересуващи се от областта на синтетичната биология; Labs Program - програма за академични лаборатории, които да използват същите ресурси като състезателните екипи; и Регистъра на стандартните биологични части - нарастваща колекция от генетични части, използвани за изграждане на биологични устройства и системи.

igem.org/Main_Page