Pompă peristaltică precisă: 13 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Suntem o echipă de studenți din diferite discipline ale Universității RWTH Aachen și am creat acest proiect în contextul competiției 2017 iGEM.

După toată munca care a intrat în pompa noastră, am dori să vă împărtășim rezultatele!

Am construit această pompă peristaltică ca soluție de manipulare a lichidelor aplicabilă în general pentru orice proiect care necesită transportul lichidelor. Pompa noastră este capabilă de dozare și pompare precise, oferind o gamă largă de volume și debituri de dozare pentru a maximiza posibilele aplicații. Prin 125 de experimente de dozare am putut demonstra și cuantifica precizia pompei noastre. Pentru un tub cu diametrul interior de 0, 8 mm și orice debit sau volum de dozare în conformitate cu specificațiile, am putea arăta o precizie mai mare de 2% abaterea de la valoarea setată. Având în vedere rezultatele măsurătorilor, precizia poate fi îmbunătățită și mai mult dacă viteza de calibrare este ajustată la debitul necesar.

Pompa poate fi controlată fără cunoștințe de programare prin afișajul LCD încorporat și un buton rotativ. În plus, pompa poate fi controlată de la distanță prin USB prin comenzi seriale. Acest mod simplu de comunicare este compatibil cu limbajele de programare și software obișnuite (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C # etc.).

Pompa este simplă și ieftină de fabricat, toate piesele totalizând mai puțin de 100 USD comparativ cu 1300 USD pentru cea mai ieftină soluție comercială comparabilă pe care am putut-o găsi. Pe lângă o imprimantă 3D, sunt necesare doar instrumente comune. Proiectul nostru este open source în termeni de hardware și software. Furnizăm fișierele CAD pentru piesele tipărite 3D, o listă completă a tuturor componentelor comerciale necesare și a surselor acestora și a codului sursă utilizat în pompa noastră.

Pasul 1: Verificați specificațiile

Verificați specificațiile și discuția despre acuratețea atașate mai jos.

Pompa îndeplinește cerințele dumneavoastră?

Pasul 2: Adunați componentele

1x Arduino Uno R3 / placa compatibilă 1x Motor pas cu pas (LxHxD): 42x42x41 mm, Ax (ØxL): 5x22 mm 1x Alimentare 12 V / 3 A, conector: 5,5 / 2,1 mm 1x Driver motor pas cu pas A49881x Modul LCD 16x2, (LxHxD): 80x36x13 mm3x Rulment cu ac HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm 1x Codificator 5 V, 0,01 A, 20 poziții de comutare, 360 ° 1x Tub de pompare, grosimea peretelui de 1,6 mm, 0,2 m4x Picior autoadeziv (L x L x Î) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm 3x Știft drept (Ø x L) 4 mm x 14 mm 1x Buton de comandă (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm 1x Potențiometru / Trimmer 10k1x 220 Ohm Rezistor 1x Condensator 47µF, 25V

Cablare: 1x PCB (L x W) 80 mm x 52 mm, Distanța contactelor 2,54 mm (CS) 2x bandă de pini, dreaptă, CS 2,54, curent nominal 3A, 36 pini 1x Bandă de priză, dreaptă, CS 2,54, curent nominal 3A, 40 pini 1x Cabluri, diferite culori (de ex. Ø 2,5 mm, secțiune transversală 0, 5 mm²) Termocontractibil (potrivit pentru cabluri, de ex. Ø 3 mm)

Șuruburi: 4x M3, L = 25 mm (lungime fără cap), ISO 4762 (cap hexagonal) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (cap hexagonal) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (cap hexagonal) 4x Șurub mic de filetat (pentru LCD, Ø 2-2,5mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10mm șurub de fixare, DIN 9161x M3, piuliță, ISO 4032

Piese tipărite 3D: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (nu este necesară imprimarea 3D => frezare / tăiere / tăiere) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Pasul 3: Post Procesarea imprimărilor 3D

Părțile imprimate 3D trebuie curățate după imprimare pentru a elimina orice reziduuri din procesul de imprimare. Instrumentele pe care le recomandăm pentru postprocesare sunt un fișier mic și un tăietor de fire pentru fire M3. După procesul de imprimare, majoritatea găurilor trebuie lărgite folosind un burghiu adecvat. Pentru găurile care conțin șuruburi M3, un fir trebuie tăiat cu dispozitivul de tăiere a firului menționat mai sus.

Pasul 4: Cabluri și cabluri

Nucleul circuitului este format din Arduino și un perfboard. Pe panoul de bord se află driverul motorului pas cu pas, dispozitivul de tundere pentru LCD, condensatorul de 47µF și conexiunile pentru alimentarea diferitelor componente. Pentru a opri Arduino prin comutatorul de alimentare, sursa de alimentare a Arduino a fost întreruptă și a condus la Perfboard. În acest scop, dioda care se află pe Arduino direct în spatele mufei de alimentare a fost nevândută și adusă în perfboard.

Pasul 5: Setări hardware

Există trei setări care trebuie făcute direct pe circuit.

Mai întâi trebuie setată limita de curent pentru driverul pas cu pas, reglând șurubul mic de pe A4988. De exemplu, dacă tensiunea V_ref între șurub și GND în starea pornită este 1V, limita de curent este de două ori valoarea: I_max = 2A (aceasta este valoarea pe care am folosit-o). Cu cât curentul este mai mare, cu atât este mai mare cuplul motorului, permițând viteze și debite mai mari. Cu toate acestea, crește și consumul de energie și dezvoltarea căldurii.

Mai mult, modul motorului pas cu pas poate fi setat prin intermediul celor trei pini care se află în partea stângă sus a driverului motorului pas cu pas (MS1, MS2, MS3). Când MS2 este la + 5V, așa cum se arată în schema de conectare, motorul funcționează în modul sfert, pe care l-am folosit. Aceasta înseamnă că se execută exact un pas (1,8 °) pentru patru impulsuri pe care driverul motorului pas cu pas le primește la pinul STEP.

Ca ultimă valoare de setat, dispozitivul de tundere de pe panoul de perfecționare poate fi utilizat pentru a regla contrastul ecranului LCD.

Pasul 6: Testați circuitul și componentele

Înainte de asamblare, este recomandat să testați componentele și circuitul pe o placă de măsurare. În acest fel, este mai ușor să găsiți și să remediați posibile greșeli.

Puteți încărca deja software-ul nostru pe Arduino, pentru a încerca toate funcțiile în prealabil. Am publicat codul sursă pe GitHub:

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

Pasul 7: Asamblare

Videoclipul arată ansamblul componentelor în secvența dorită fără cablare. Toți conectorii trebuie mai întâi atașați la componente. Cablarea se face cel mai bine în punctul în care sunt introduse toate componentele, dar pereții laterali nu au fost încă fixați. Șuruburile greu accesibile se pot ajunge cu ușurință cu o cheie hexagonală.

1. Introduceți întrerupătorul de alimentare și codificatorul în orificiul desemnat și fixați-le pe carcasă. Atașați butonul de control la codificator - aveți grijă - odată ce ați atașat butonul, acesta ar putea distruge codificatorul dacă încercați să îl scoateți din nou.

2. Atașați afișajul LCD cu șuruburi mici, asigurați-vă că lipiți rezistorul și cablajul pe afișaj înainte de asamblare.

3. Fixați placa Arduino Uno pe carcasă folosind șuruburi M3 de 8 mm.

4. Introduceți motorul pas cu pas și atașați-l la carcasă împreună cu partea imprimată 3D (Pump_case_bottom) folosind patru șuruburi M3 de 10 mm.

5. Atașați panoul de perfecțiune la carcasă - asigurați-vă că ați lipit toate componentele de panoul de perfecționare, așa cum se arată în schema de conectare.

6. Conectați componentele electronice din interiorul carcasei.

7. Închideți carcasa adăugând panourile laterale folosind șuruburi M3 de 10x 8 mm.

8. Asamblați suportul rulmentului așa cum se arată în videoclip și atașați-l la arborele motorului folosind un șurub de 3 mm

9. În cele din urmă, atașați suportul contra pentru a ține tubul (Pump_case_top_120 °) cu două șuruburi M3 de 25 mm și introduceți tubulatura. Introduceți două șuruburi M3 de 25 mm pentru a menține tubulatura în poziție în timpul procesului de pompare

Pasul 8: Introduceți tubulatura

Pasul 9: Familiarizați-vă cu interfața utilizatorului (control manual)

Interfața utilizatorului oferă un control cuprinzător al pompei peristaltice. Este format dintr-un afișaj LCD, un buton de control și un întrerupător de alimentare. Butonul de comandă poate fi rotit sau împins.

Rotirea butonului permite selectarea dintre diferite elemente de meniu, elementul de meniu de pe linia superioară este selectat în prezent. Apăsând butonul se va activa elementul de meniu selectat, indicat printr-un dreptunghi intermitent. Dreptunghiul intermitent implică activarea elementului de meniu.

Odată ce elementul de meniu este activat, acesta începe în funcție de elementul selectat, fie o acțiune, fie permite schimbarea valorii corespunzătoare prin rotirea butonului. Pentru toate elementele de meniu conectate la o valoare numerică, butonul poate fi ținut apăsat pentru a reseta valoarea la zero sau apăsat dublu pentru a crește valoarea cu o zecime din valoarea sa maximă. Pentru a seta valoarea selectată și a dezactiva un element de meniu, butonul trebuie apăsat a doua oară.

Comutatorul de alimentare va opri imediat pompa și toate componentele sale (Arduino, motor pas cu pas, driver pas cu pas, LCD), cu excepția cazului în care pompa este conectată prin USB. Arduino și LCD pot fi alimentate prin USB, astfel încât comutatorul de alimentare să nu le afecteze.

Meniul pompelor are 10 elemente, care sunt listate și descrise mai jos:

0 | Start Începeți pomparea, modul de funcționare depinde de modul selectat la „6) Mode”

1 | Volum Setați volumul de dozare, este luat în considerare numai dacă „Doză” este selectată la „6) Mod”

2 | Unitate V.: Setați unitatea de volum, opțiunile sunt: „mL”: mL „uL”: µL „rot”: rotații (ale pompei)

3 | Viteză Setați debitul, este luat în considerare numai dacă „Doză” sau „Pompă” este selectată la „6) Mod”

4 | S. Unit: Setați unitatea de volum, opțiunile sunt: „mL / min”: mL / min „uL / min”: µL / min „rpm”: rotații / min

5 | Direcție: Alegeți direcția de pompare: „CW” pentru rotația în sensul acelor de ceasornic, „CCW” pentru sensul acelor de ceasornic

6 | Mod: Setați modul de funcționare: „Doză”: dozați volumul selectat (1 | Volum) la debitul selectat (3 | Viteză) la pornire „Pompa”: pompați continuu la debitul selectat (3 | Viteză) când pornit „Cal.”: Calibrare, pompa va efectua 30 de rotații în 30 de secunde la pornire

7 | Cal. Setați volumul de calibrare în ml. Pentru calibrare, pompa este pornită o dată în modul de calibrare și se măsoară volumul de calibrare rezultat care a fost pompat.

8 | Salvați setările. Salvați toate setările în Arduinos EEPROM, valorile sunt păstrate în timpul opririi și reîncărcate, când alimentarea este pornită din nou

9 | USB Ctrl Activați controlul USB: Pompa reacționează la comenzile seriale trimise prin USB

Pasul 10: Calibrarea și încercați dozarea

Efectuarea unei calibrări corespunzătoare înainte de utilizarea pompei este crucială pentru dozare și pompare precise. Calibrarea va indica pompei cât de mult lichid este mișcat pe rotație, astfel încât pompa să poată calcula câte rotații și ce viteză este necesară pentru a îndeplini valorile setate. Pentru a începe calibrarea, selectați modul „Cal”. și începeți pomparea sau trimiteți comanda de calibrare prin USB. Ciclul de calibrare standard va efectua 30 de rotații în 30 de secunde. Volumul de lichid pompat în timpul acestui ciclu (volumul de calibrare) trebuie măsurat cu precizie. Asigurați-vă că măsurarea nu este afectată de picături lipite de tub, greutatea tubului în sine sau orice alte interferențe. Vă recomandăm să utilizați o scală de micrograme pentru calibrare, deoarece puteți calcula cu ușurință volumul, dacă se cunoaște densitatea și greutatea cantității pompate de lichid. Odată ce ați măsurat volumul de calibrare, puteți regla pompa setând valoarea elementului de meniu „7 | Cal.” sau atașându-l la comenzile dvs. seriale.

Vă rugăm să rețineți că orice modificare după calibrarea montajului tubului sau diferența de presiune va afecta precizia pompei. Încercați să efectuați calibrarea întotdeauna în aceleași condiții, la care pompa va fi utilizată ulterior. Dacă scoateți tubul și îl instalați din nou în pompă, valoarea de calibrare se va schimba cu până la 10%, deoarece există mici diferențe de poziționare și forță aplicate șuruburilor. Tragerea tubului va schimba și poziționarea și, prin urmare, valoarea de calibrare. Dacă calibrarea se efectuează fără diferențe de presiune și pompa este utilizată ulterior pentru a pompa lichide la o altă presiune, aceasta va afecta precizia. Amintiți-vă chiar și o diferență de nivel de un metru poate crea o diferență de presiune de 0,1 bari, care va avea o ușoară influență asupra valorii de calibrare, chiar dacă pompa poate atinge o presiune de cel puțin 1,5 bari folosind tubulatura de 0,8 mm.

Pasul 11: Interfață serială - Control de la distanță prin USB

Interfața serială se bazează pe interfața de comunicații seriale a Arduino prin USB (Baud 9600, 8 biți de date, fără paritate, un bit de oprire). Orice software sau limbaj de programare capabil să scrie date pe un port serial poate fi utilizat pentru a comunica cu pompa (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C # etc.). Toate funcțiile pompei sunt accesibile prin trimiterea comenzii corespunzătoare către pompă, la sfârșitul fiecărei comenzi este necesar un nou caracter de linie „\ n” (ASCII 10).

Doza: d (volum în µL), (viteză în µL / min), (volum de calibrare în µL) '\ n'

de ex.: d1000, 2000, 1462 '\ n' (dozare 1mL la 2mL / min, volum de calibrare = 1,462mL)

Pompa: p (viteza în µL / min), (volumul de calibrare în µL) '\ n'

de ex.: p2000, 1462 '\ n' (pompă la 2mL / min, volum de calibrare = 1,462mL)

Calibrează: c '\ n'

Opriți: x '\ n'

Mediul Arduino (Arduino IDE) are un monitor serial încorporat, care poate citi și scrie date seriale, prin urmare comenzile seriale pot fi testate fără niciun cod scris.

Pasul 12: Împărtășiți-vă experiențele și îmbunătățiți pompa

Dacă ați construit pompa noastră, vă rugăm să împărtășiți experiențele și îmbunătățirile dvs. în software și hardware pe:

Thingiverse (piese imprimate 3D)

GitHub (software)

Instrucțiuni (instrucțiuni, cabluri, generale)

Pasul 13: Curios despre IGEM?

Fundația iGEM (Mașina cu inginerie genetică internațională) este o organizație independentă, non-profit, dedicată educației și concurenței, avansării biologiei sintetice și dezvoltării unei comunități deschise și colaborării.

iGEM desfășoară trei programe principale: Concursul iGEM - un concurs internațional pentru studenții interesați de domeniul biologiei sintetice; Programul Labs - un program pentru laboratoarele academice pentru a utiliza aceleași resurse ca și echipele de concurs; și Registrul pieselor biologice standard - o colecție tot mai mare de părți genetice utilizate pentru construirea dispozitivelor și sistemelor biologice.

igem.org/Main_Page