Tiyak na Peristaltic Pump: 13 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:14

Kami ay isang pangkat ng mag-aaral mula sa iba't ibang mga disiplina ng RWTH Aachen University at nilikha ang proyektong ito sa konteksto ng kumpetisyon ng 2017 iGEM.

Matapos ang lahat ng trabaho na napunta sa aming bomba, nais naming ibahagi ang aming mga resulta sa iyo!

Itinayo namin ang peristaltic pump na ito bilang pangkalahatang naaangkop na solusyon sa paghawak ng likido para sa anumang proyekto na nangangailangan ng transportasyon ng mga likido. Ang aming bomba ay may kakayahang tumpak na dosing at pumping, na nagbibigay ng isang malawak na hanay ng mga volume ng dosing at rate ng daloy upang ma-maximize ang mga posibleng application. Sa pamamagitan ng 125 na mga eksperimento sa dosing nagawa naming maipakita at mabilang ang kawastuhan ng aming bomba. Para sa isang tubing na may 0, 8 mm panloob na lapad at anumang daloy ng flowrate o dosis sa loob ng mga pagtutukoy maaari naming ipakita ang isang kawastuhan na mas mahusay kaysa sa 2% paglihis mula sa itinakdang halaga. Dahil sa mga resulta ng mga sukat, ang katumpakan ay maaaring mapabuti kahit na kung ang bilis ng pagkakalibrate ay nababagay sa kinakailangang rate ng daloy.

Ang bomba ay maaaring makontrol nang walang kaalaman sa programa sa pamamagitan ng built-in na LCD display at isang rotary knob. Bilang karagdagan, ang bomba ay maaaring makontrol nang malayuan sa pamamagitan ng USB sa pamamagitan ng mga serial command. Ang simpleng paraan ng komunikasyon na ito ay katugma sa mga karaniwang wika ng software at programa (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C #, atbp.).

Ang bomba ay simple at hindi magastos sa paggawa, kasama ang lahat ng mga bahagi na umaabot sa mas mababa sa $ 100 kumpara sa $ 1300 para sa pinakamurang maihahambing na solusyon sa komersyal na maaari naming makita. Bukod sa isang 3D printer, karaniwang mga tool lamang ang kinakailangan. Ang aming proyekto ay bukas na mapagkukunan sa mga tuntunin ng hardware at software. Ibinibigay namin ang mga CAD file para sa mga naka-print na bahagi ng 3D, isang kumpletong listahan ng lahat ng kinakailangang mga sangkap ng komersyo at kanilang mga mapagkukunan, at ang source code na ginamit sa aming pump.

Hakbang 1: Suriin ang Mga Pagtukoy

Suriin ang mga pagtutukoy at ang talakayan ng kawastuhan na nakakabit sa ibaba.

Natutugunan ba ng bomba ang iyong mga kinakailangan?

Hakbang 2: Ipunin ang Mga Bahagi

1x Arduino Uno R3 / katugmang board1x Stepper motor (WxHxD): 42x42x41 mm, Shaft (ØxL): 5x22 mm1x Power supply 12 V / 3 A, konektor: 5.5 / 2.1 mm1x Hakbang driver ng motor A49881x LCD module 16x2, (WxHxD): 80x36x13 mm3x Needle bearing HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm1x Encoder 5 V, 0.01 A, 20 switch postions, 360 ° 1x Pump tubing, 1.6mm wall kapal, 0.2m4x Foot self adhesive (L x W x H) 12.6 x 12.6 x 5.7 mm3x Straight pin (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Control knob (Ø x H) 16.8 mm x 14.5 mm1x Potentiometer / Trimmer 10k1x 220 Ohm Resistor1x Capacitor 47µF, 25V

Mga kable: 1x PCB (L x W) 80 mm x 52 mm, Makipag-ugnay sa spacing 2.54 mm (CS) 2x Pin strip, tuwid, CS 2.54, nominal kasalukuyang 3A, 36 pin1x Socket strip, tuwid, CS 2.54, nominal na currrent 3A, 40 pin1x Mga cable, magkakaibang kulay (hal

Mga tornilyo: 4x M3, L = 25 mm (haba nang walang ulo), ISO 4762 (hex head) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (hex head) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (hex head) 4x Maliit na tornilyo sa pag-tap (para sa LCD, Ø 2-2.5mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10mm grub screw, DIN 9161x M3, nut, ISO 4032

Mga naka-print na bahagi ng 3D: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D print not kinakailangan => milling / cutting / sawing) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Hakbang 3: Pagproseso ng Pag-post ng 3D Prints

Ang mga naka-print na bahagi ng 3D ay kailangang linisin pagkatapos ng pagpi-print upang alisin ang anumang mga residu mula sa proseso ng pag-print. Ang mga tool na inirerekumenda namin para sa postprocessing ay isang maliit na file at isang cutter ng thread para sa mga thread ng M3. Matapos ang proseso ng pag-print ang karamihan sa mga butas ay dapat na mapalawak sa pamamagitan ng paggamit ng isang angkop na drill. Para sa mga butas na naglalaman ng M3 screws, ang isang thread ay kailangang i-cut na may nabanggit na cutter ng thread.

Hakbang 4: Mga Kable at Kable

Ang core ng circuit ay binubuo ng Arduino at isang perfboard. Sa perfboard ay ang stepper motor driver, ang trimmer para sa LCD, ang 47µF capacitor at mga koneksyon para sa power supply ng iba't ibang mga bahagi. Upang patayin ang Arduino sa pamamagitan ng switch ng kuryente, ang suplay ng kuryente ng Arduino ay nagambala at humantong sa Perfboard. Para sa hangaring ito, ang diode na matatagpuan sa Arduino nang direkta sa likod ng power jack ay hindi naka-unser at dinala sa halip na sa perfboard.

Hakbang 5: Mga Setting ng Hardware

Mayroong tatlong mga setting na kailangang gawin nang direkta sa circuit.

Una ang kasalukuyang limitasyon para sa hakbang na driver ng motor ay dapat itakda, sa pamamagitan ng pag-aayos ng maliit na tornilyo sa A4988. Halimbawa, kung ang boltahe V_ref sa pagitan ng tornilyo at GND sa nasa estado ay 1V, ang kasalukuyang limitasyon ay dalawang beses ang halaga: I_max = 2A (ito ang ginamit na halaga). Ang mas mataas na kasalukuyang, mas mataas ang metalikang kuwintas ng motor, pinapayagan ang mas mataas na bilis at mga rate ng daloy. Gayunpaman, din ang pagkonsumo ng kuryente at pagtaas ng pag-unlad ng init.

Bukod dito, ang mode ng stepper motor ay maaaring itakda sa pamamagitan ng tatlong mga pin na matatagpuan sa kanang tuktok ng driver ng stepper motor (MS1, MS2, MS3). Kapag ang MS2 ay nasa + 5V, tulad ng ipinakita sa diagram ng mga kable, ang motor ay pinapatakbo sa quarter step mode, na ginamit namin. Nangangahulugan ito na eksaktong isang hakbang (1.8 °) ay ginaganap para sa apat na pulso na natatanggap ng stepper motor driver sa STEP pin.

Bilang huling halaga na itinakda, ang trimmer sa perfboard ay maaaring magamit upang ayusin ang kaibahan ng LCD.

Hakbang 6: Pagsubok sa Circuit at Mga Bahagi

Bago ang pagpupulong inirerekumenda na subukan ang mga bahagi at ang circuit sa isang breadboard. Sa ganitong paraan, mas madaling maghanap at ayusin ang mga posibleng pagkakamali.

Maaari mo nang mai-upload ang aming software sa Arduino, upang subukan ang lahat ng mga pagpapaandar muna. Nai-publish namin ang source code sa GitHub:

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

Hakbang 7: Assembly

Ipinapakita ng video ang pagpupulong ng mga bahagi sa inilaan na pagkakasunud-sunod nang walang mga kable. Ang lahat ng mga konektor ay dapat munang ikabit sa mga sangkap. Ang mga kable ay pinakamahusay na tapos na sa puntong ang lahat ng mga bahagi ay naipasok, ngunit ang mga dingding sa gilid ay hindi pa naayos. Ang mahirap maabot ang mga turnilyo ay madaling maabot sa isang hex-wrench.

1. Ipasok ang switch ng kuryente at ang encoder sa kanilang itinalagang butas at ayusin ang mga ito sa kaso. Ikabit ang control knob sa encoder - mag-ingat - sa sandaling na-attach mo ang knob, maaari itong sirain ang encoder kung susubukan mong alisin itong muli.

2. Ikabit ang LCD display gamit ang maliliit na mga turnilyo ng pag-tap, siguraduhing maghinang ang risistor at mga kable sa display bago ang pagpupulong.

3. Ayusin ang Arduino Uno board sa kaso gamit ang 8 mm M3 screws.

4. Ipasok ang hakbang na motor at ilakip ito sa kaso kasama ang naka-print na bahagi ng 3D (Pump_case_bottom) gamit ang apat na 10 mm M3 na turnilyo.

5. Ikabit ang perfboard sa kaso - tiyaking solder mo ang lahat ng mga bahagi sa perfboard tulad ng ipinakita sa diagram ng mga kable.

6. Wire ang mga elektronikong bahagi sa loob ng kaso.

7. Isara ang kaso sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga panel sa gilid gamit ang 10x 8 mm M3 na mga tornilyo.

8. Magtipon ng mounting ng tindig tulad ng ipinakita sa video at ilakip ito sa baras ng motor gamit ang isang 3 mm grub screw

9. Panghuli, ilakip ang counter support para sa paghawak ng tubo (Pump_case_top_120 °) na may dalawang 25 mm M3 na turnilyo at ipasok ang tubing. Ipasok ang dalawang 25 mm M3 na turnilyo upang mapanatili ang tubing sa lugar habang proseso ng pump

Hakbang 8: Ipasok ang Tubing

Hakbang 9: Pamilyar sa User Interface (manu-manong Control)

Nagbibigay ang interface ng gumagamit ng isang komprehensibong kontrol ng peristaltic pump. Binubuo ito ng isang LCD display, isang control knob at isang power switch. Ang control knob ay maaaring i-on o maitulak.

Ang pag-on ng knob ay nagbibigay-daan upang pumili mula sa iba't ibang mga item sa menu, ang menu item sa itaas na linya ay kasalukuyang napili. Ang pagtulak sa knob ay magpapagana ng napiling menu item, na ipinahiwatig ng isang kumukurap na rektanggulo. Ang kumikislap na rektanggulo ay nagpapahiwatig na ang item sa menu ay naaktibo.

Kapag naaktibo ang menu item, nagsisimula ito depende sa napiling item alinman sa isang pagkilos o pinapayagan ang pagbabago ng kaukulang halaga sa pamamagitan ng pag-on ng knob. Para sa lahat ng mga item sa menu na konektado sa isang numerong halaga ang knob ay maaaring hawakan upang i-reset ang halaga sa zero o doble na itulak upang madagdagan ang halaga ng isang-ikasampu ng pinakamataas na halaga nito. Upang maitakda ang napiling halaga at i-deactivate ang isang item sa menu ang knob ay kailangang itulak sa pangalawang pagkakataon.

Agad na papatayin ng switch ng kuryente ang bomba at lahat ng mga bahagi nito (Arduino, step motor, step motor driver, LCD), maliban kung ang bomba ay konektado sa pamamagitan ng USB. Ang Arduino at ang LCD ay maaaring pinalakas ng USB, upang ang switch ng kuryente ay hindi makakaapekto sa kanila.

Ang menu ng mga bomba ay may 10 mga item, na nakalista at inilarawan sa ibaba:

0 | StartStart pumping, ang mode ng pagpapatakbo ay nakasalalay sa mode na napili sa "6) Mode"

1 | VolumeSet ang dami ng dosing, isasaalang-alang lamang kung ang "Dosis" ay napili sa "6) Mode"

2 | V. Unit: Itakda ang dami ng yunit, ang mga pagpipilian ay: "mL": mL "uL": µL "mabulok": mga pag-ikot (ng bomba)

3 | SpeedSet ang rate ng daloy, isasaalang-alang lamang kung ang "Dosis" o "Pump" ay napili sa "6) Mode"

4 | S. Unit: Itakda ang dami ng yunit, ang mga pagpipilian ay: "mL / min": mL / min "uL / min": µL / min "rpm": rotations / min

5 | Direksyon: Piliin ang direksyon ng pumping: "CW" para sa pag-ikot ng pakanan, "CCW" para sa pakaliwa

6 | Mode: Itakda ang mode ng pagpapatakbo: "Dosis": i-dosis ang napiling dami (1 | Dami) sa napiling rate ng daloy (3 | Bilis) kapag nagsimula "Pump": tuloy-tuloy na bomba sa napiling rate ng daloy (3 | Bilis) kapag sinimulan ang "Cal.": Ang pagkakalibrate, pump ay magsasagawa ng 30 pag-ikot sa 30 segundo kapag nagsimula

7 | Cal. Itakda ang dami ng pagkakalibrate sa mL. Para sa pagkakalibrate, ang bomba ay pinapatakbo nang isang beses sa mode ng pagkakalibrate at ang nagresultang dami ng pagkakalibrate na na-pump ay sinusukat.

8 | I-save ang Sett. I-save ang lahat ng mga setting sa Arduinos EEPROM, ang mga halaga ay mananatili sa panahon ng pag-off ng power at i-reload, kapag ang kapangyarihan ay nakabukas muli

9 | USB CtrlActivate USB Control: Ang reaksyon ng Pump sa mga serial command na ipinadala sa pamamagitan ng USB

Hakbang 10: Pagkakalibrate at Subukang Dosis

Ang pagsasagawa ng tamang pag-calibrate bago gamitin ang bomba ay mahalaga para sa tumpak na dosis at pumping. Sasabihin sa pagkakalibrate ang bomba kung magkano ang likidong inilipat bawat pag-ikot, kaya makakalkula ng bomba kung gaano karaming mga pag-ikot at aling bilis ang kinakailangan upang matugunan ang mga itinakdang halaga. Upang simulan ang pagkakalibrate, piliin ang Mode na "Cal." at simulang bomba o ipadala ang utos ng pagkakalibrate sa pamamagitan ng USB. Ang karaniwang pag-ikot ng calibration ay magsasagawa ng 30 mga pag-ikot sa 30 segundo. Ang dami ng likidong ibinomba sa panahon ng pag-ikot na ito (dami ng pagkakalibrate) ay dapat na sukatin nang tumpak. Tiyaking, na ang pagsukat ay hindi apektado ng mga patak na dumidikit sa tubing, ang bigat ng tubing mismo o anumang iba pang mga pagkagambala. Inirerekumenda namin ang paggamit ng isang scale ng microgram para sa pagkakalibrate, dahil madali mong makakalkula ang dami, kung ang density at bigat ng pumped na halaga ng likido ay kilala. Kapag nasukat mo ang dami ng pagkakalibrate maaari mong ayusin ang bomba sa pamamagitan ng pagtatakda ng halaga ng item sa menu na "7 | Cal." o ilakip ito sa iyong mga serial command.

Mangyaring tandaan na ang anumang pagbabago pagkatapos ng pagkakalibrate sa tubing mount o ang pagkakaiba ng presyon ay makakaapekto sa katumpakan ng bomba. Subukang gawin ang pagkakalibrate palagi sa parehong mga kondisyon, kung saan ang bomba ay gagamitin sa paglaon. Kung aalisin mo ang tubing at mai-install muli ito sa bomba, ang halaga ng pagkakalibrate ay magbabago ng hanggang 10%, dahil sa maliit na pagkakaiba sa pagpoposisyon at puwersa na inilapat sa mga tornilyo. Ang paghila sa tubing ay magbabago rin sa pagpoposisyon at samakatuwid ang halaga ng pagkakalibrate. Kung ang pagkakalibrate ay ginaganap nang walang pagkakaiba sa presyon at ang bomba ay kalaunan ay ginagamit upang mag-usisa ng mga likido sa ibang presyon makakaapekto ito sa katumpakan. Tandaan kahit na ang pagkakaiba sa antas ng isang metro ay maaaring lumikha ng pagkakaiba-iba ng presyon ng 0.1 bar, na magkakaroon ng kaunting impluwensya sa halaga ng pagkakalibrate, kahit na maabot ng bomba ang presyon ng hindi bababa sa 1.5 bar gamit ang 0.8 mm tubing.

Hakbang 11: Serial Interface - Remote Control Sa pamamagitan ng USB

Ang serial interface ay batay sa serial interface ng komunikasyon ng Arduino sa pamamagitan ng USB (Baud 9600, 8 data bit, walang pagkakapareho, one stop bit). Ang anumang wika ng software o programa na may kakayahang magsulat ng data sa isang serial port ay maaaring magamit upang makipag-usap sa pump (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C #, atbp.). Ang lahat ng mga pagpapaandar ng bomba ay naa-access sa pamamagitan ng pagpapadala ng kaukulang utos sa bomba, sa dulo ng bawat utos ng isang bagong linya ng character na '\ n' (ASCII 10) ay kinakailangan.

Dosis: d (dami sa µL), (bilis sa µL / min), (dami ng pagkakalibrate sa µL) '\ n'

hal.: d1000, 2000, 1462 '\ n' (dosing 1mL sa 2mL / min, dami ng pagkakalibrate = 1.462mL)

Pump: p (bilis sa µL / min), (dami ng pagkakalibrate sa µL) '\ n'

hal.: p2000, 1462 '\ n' (pump sa 2mL / min, dami ng pagkakalibrate = 1.462mL)

I-calibrate: c '\ n'

Itigil: x '\ n'

Ang Kapaligirang Arduino (Arduino IDE) ay may built-in na serial monitor, na maaaring magbasa at magsulat ng serial data, samakatuwid ang mga serial command ay maaaring masubukan nang walang anumang nakasulat na code.

Hakbang 12: Ibahagi ang Iyong Mga Karanasan at Pagbutihin ang Pump

Kung naitayo mo ang aming bomba, mangyaring ibahagi ang iyong mga karanasan at pagpapabuti sa software at hardware sa:

Thingiverse (mga naka-print na bahagi ng 3D)

GitHub (software)

Mga itinuturo (mga tagubilin, kable, pangkalahatan)

Hakbang 13: Nagtataka tungkol sa IGEM?

Ang iGEM (international Genetically Engineered Machine) Foundation ay isang independyente, non-profit na organisasyon na nakatuon sa edukasyon at kumpetisyon, ang pagsulong ng sintetikong biology, at pag-unlad ng isang bukas na pamayanan at pakikipagtulungan.

Nagpapatakbo ang iGEM ng tatlong pangunahing mga programa: ang Kumpetisyon ng iGEM - isang kumpetisyon sa internasyonal para sa mga mag-aaral na interesado sa larangan ng synthetic biology; ang Labs Program - isang programa para sa mga akademikong lab na gagamit ng parehong mapagkukunan tulad ng mga pangkat ng kumpetisyon; at ang Registry ng Standard Biological Parts - isang lumalagong koleksyon ng mga genetic na bahagi na ginagamit para sa pagbuo ng mga biological device at system.

igem.org/Main_Page