Præcis peristaltisk pumpe: 13 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Vi er et studenterhold fra forskellige discipliner ved RWTH Aachen University og har oprettet dette projekt i forbindelse med iGEM -konkurrencen 2017.

Efter alt det arbejde, der gik i vores pumpe, vil vi gerne dele vores resultater med dig!

Vi byggede denne peristaltiske pumpe som en generelt anvendelig væskehåndteringsløsning til ethvert projekt, der kræver transport af væsker. Vores pumpe er i stand til præcis dosering og pumpning og giver en bred vifte af doseringsmængder og flowhastigheder for at maksimere mulige anvendelser. Gennem 125 doseringsforsøg var vi i stand til at demonstrere og kvantificere nøjagtigheden af vores pumpe. For et rør med 0, 8 mm indvendig diameter og eventuel flowhastighed eller doseringsvolumen inden for specifikationerne kunne vi vise en nøjagtighed, der er bedre end 2% afvigelse fra den indstillede værdi. I betragtning af resultaterne af målingerne kan nøjagtigheden forbedres endnu mere, hvis kalibreringens hastighed justeres til den nødvendige flowhastighed.

Pumpen kan styres uden programmeringskendskab via det indbyggede LCD-display og en drejeknap. Derudover kan pumpen fjernstyres via USB ved hjælp af serielle kommandoer. Denne enkle kommunikationsform er kompatibel med almindelig software og programmeringssprog (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#osv.).

Pumpen er enkel og billig at fremstille, med alle dele på i alt mindre end $ 100 sammenlignet med $ 1300 for den billigste sammenlignelige kommercielle løsning, vi kunne finde. Udover en 3D -printer er der kun brug for almindelige værktøjer. Vores projekt er open source med hensyn til hardware og software. Vi leverer CAD -filer til 3D -printede dele, en komplet liste over alle nødvendige kommercielle komponenter og deres kilder og kildekoden, der bruges i vores pumpe.

Trin 1: Kontroller specifikationer

Kontroller specifikationerne og diskussionen om nøjagtighed vedhæftet nedenfor.

Opfylder pumpen dine krav?

Trin 2: Saml komponenter

1x Arduino Uno R3/ kompatibelt bord 1x Steppemotor (BxHxD): 42x42x41 mm, Aksel (ØxL): 5x22 mm1x Strømforsyning 12 V/ 3 A, stik: 5,5/ 2,1 mm1x Trinmotor driver A49881x LCD -modul 16x2, (BxHxD): 80x36x13 mm3x Nåleleje HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8 mm1x Encoder 5 V, 0,01 A, 20 switch-positioner, 360 ° 1x Pumpeslange, 1,6 mm vægtykkelse, 0,2 m4x Fod selvklæbende (L x B x H) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Lige ben (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Betjeningsknap (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potentiometer/ Trimmer 10k1x 220 Ohm Modstand 1x kondensator 47µF, 25V

Ledninger: 1x printkort (L x B) 80 mm x 52 mm, kontaktafstand 2,54 mm (CS) 2x stiftliste, lige, CS 2,54, nominel strøm 3A, 36 ben 1x stikkontakt, lige, CS 2,54, nominel strøm 3A, 40 pins1x Kabler, forskellige farver (f.eks. Ø 2,5 mm, tværsnit 0, 5 mm²) Varmekrympning (egnet til kabler, f.eks. Ø 3 mm)

Skruer: 4x M3, L = 25 mm (længde uden hoved), ISO 4762 (sekskantet hoved) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (sekskantet hoved) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (sekskantet hoved) 4x Lille gevindskrue (til LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm skrue, DIN 9161x M3, møtrik, ISO 4032

3D -printede dele: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D print ikke nødvendig => fræsning/skæring/savning) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Trin 3: Efterbehandling af 3D -udskrifter

De 3D -udskrevne dele skal rengøres efter udskrivning for at fjerne rester fra udskrivningsprocessen. De værktøjer, vi anbefaler til efterbehandling, er en lille fil og en trådskærer til M3 -tråde. Efter trykprocessen skal de fleste huller udvides ved hjælp af en passende boremaskine. For hullerne, der indeholder M3 -skruer, skal der skæres et gevind med ovennævnte gevindskærer.

Trin 4: Kabler og ledninger

Kernen i kredsløbet består af Arduino og et perfboard. På perfboardet er trinmotordriveren, trimmeren til LCD'et, 47µF kondensatoren og tilslutninger til strømforsyningen til de forskellige komponenter. For at slukke for Arduino ved hjælp af afbryderen, blev strømforsyningen til Arduino afbrudt og ført til Perfboard. Til dette formål blev dioden, der er placeret på Arduino direkte bag strømstikket, usoldet og bragt til perfboardet i stedet.

Trin 5: Hardwareindstillinger

Der er tre indstillinger, der skal foretages direkte på kredsløbet.

Først skal den nuværende grænse for trinmotorføreren indstilles ved at justere den lille skrue på A4988. For eksempel, hvis spændingen V_ref mellem skrue og GND i on -tilstand er 1V, er den nuværende grænse to gange værdien: I_max = 2A (dette er den værdi, vi brugte). Jo højere strøm, jo højere drejningsmoment for motoren, hvilket tillader højere hastigheder og strømningshastigheder. Men også strømforbruget og varmeudviklingen stiger.

Desuden kan trinmotorens tilstand indstilles via de tre ben, der er placeret øverst til venstre på steppermotorens driver (MS1, MS2, MS3). Når MS2 er på + 5V, som vist i ledningsdiagrammet, drives motoren i kvart trin, som vi brugte. Det betyder, at nøjagtigt ét trin (1,8 °) udføres for fire impulser, som trinmotordriveren modtager ved STEP -stiften.

Som sidste værdi at indstille kan trimmeren på perfboardet bruges til at justere LCD -kontrasten.

Trin 6: Test kredsløb og komponenter

Inden montering anbefales det at teste komponenterne og kredsløbet på et brødbræt. På denne måde er det lettere at finde og rette mulige fejl.

Du kan allerede uploade vores software til Arduino for at prøve alle funktioner på forhånd. Vi offentliggjorde kildekoden på GitHub:

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

Trin 7: Montering

Videoen viser samlingen af komponenterne i den påtænkte rækkefølge uden ledninger. Alle stik skal først sættes på komponenterne. Ledningerne foretages bedst på det sted, hvor alle komponenterne indsættes, men sidevæggene er endnu ikke blevet fikseret. De svært tilgængelige skruer kan let nås med en unbrakonøgle.

1. Sæt tænd / sluk -kontakten og encoderen i deres udpegede hul, og fastgør dem til kabinettet. Sæt betjeningsknappen på encoderen - vær forsigtig - når du har monteret knappen, kan det ødelægge encoderen, hvis du prøver at fjerne den igen.

2. Sæt LCD -skærmen på med små skruer, sørg for at lodde modstanden og ledningerne til displayet før montering.

3. Fastgør Arduino Uno -kortet til sagen ved hjælp af 8 mm M3 -skruer.

4. Indsæt trinmotoren, og fastgør den til etuiet sammen med den 3D -trykte del (Pumpehus_bod) ved hjælp af fire 10 mm M3 skruer.

5. Sæt perfboardet på kassen - sørg for at lodde alle komponenter til perfboardet som vist i ledningsdiagrammet.

6. Led de elektroniske dele inde i kabinettet.

7. Luk kabinettet ved at tilføje sidepanelerne ved hjælp af 10x 8 mm M3 skruer.

8. Saml lejebeslaget som vist i videoen, og fastgør det til motorens aksel ved hjælp af en 3 mm skrue

9. Til sidst fastgøres modstøtten til fastholdelse af røret (Pump_case_top_120 °) med to 25 mm M3 skruer, og islangen indsættes. Indsæt to 25 mm M3 skruer for at holde slangen på plads under pumpeprocessen

Trin 8: Indsæt slangen

Trin 9: Bliv fortrolig med brugergrænsefladen (manuel kontrol)

Brugergrænsefladen giver en omfattende kontrol af den peristaltiske pumpe. Den består af et LCD -display, en betjeningsknap og en afbryder. Betjeningsknappen kan drejes eller skubbes.

Drejning af knappen gør det muligt at vælge mellem forskellige menupunkter, menupunktet på den øverste linje er i øjeblikket valgt. Ved at trykke på knappen aktiveres det valgte menupunkt, angivet med et blinkende rektangel. Det blinkende rektangel indebærer, at menupunktet er aktiveret.

Når menupunktet er aktiveret, starter det afhængigt af det valgte element enten en handling eller tillader ændring af den tilsvarende værdi ved at dreje på knappen. For alle menupunkter, der er forbundet til en numerisk værdi, kan knappen holdes nede for at nulstille værdien til nul eller dobbelt skubbe for at øge værdien med en tiendedel af dens maksimale værdi. For at indstille den valgte værdi og deaktivere et menupunkt skal der trykkes på knappen en anden gang.

Strømafbryderen lukker øjeblikkeligt pumpen og alle dens komponenter (Arduino, trinmotor, trinmotordriver, LCD), undtagen når pumpen er tilsluttet via USB. Arduino og LCD kan drives af USB, så afbryderen ikke påvirker dem.

Menuen pumper har 10 punkter, som er anført og beskrevet nedenfor:

0 | Start Start pumpning, driftstilstanden afhænger af den tilstand, der er valgt ved “6) Mode”

1 | Lydstyrke Indstil doseringsvolumen, tages kun i betragtning, hvis “Dosis” er valgt i “6) Mode”

2 | V. Unit: Indstil volumenheden, mulighederne er: “ml”: ml “uL”: µL “rot”: rotationer (af pumpen)

3 | Hastighed Indstil strømningshastigheden, tages kun i betragtning, hvis “Dosis” eller “Pumpe” er valgt i “6) Mode”

4 | S. Unit: Indstil volumenheden, mulighederne er: “ml/min”: ml/min “uL/min”: µL/min “rpm”: rotationer/min

5 | Retning: Vælg pumperetning: “CW” for rotation med uret, “CCW” for mod uret

6 | Tilstand: Indstil driftstilstand: “Dosis”: doser den valgte volumen (1 | Volumen) ved den valgte strømningshastighed (3 | Hastighed), når den startes “Pumpe”: pump kontinuerligt ved den valgte strømningshastighed (3 | Hastighed), når startet “Cal.”: Kalibrering, pumpen udfører 30 rotationer på 30 sekunder, når den startes

7 | Kal. Indstil kalibreringsvolumen i ml. Til kalibrering køres pumpen en gang i kalibreringstilstand, og det resulterende kalibreringsvolumen, der blev pumpet, måles.

8 | Gem Sett. Gem alle indstillinger til Arduinos EEPROM, værdier bevares under slukning og genindlæses, når strømmen tændes igen

9 | USB CtrlAktiver USB -kontrol: Pumpen reagerer på serielle kommandoer, der sendes via USB

Trin 10: Kalibrering og prøv dosering

En korrekt kalibrering før brug af pumpen er afgørende for præcis dosering og pumpning. Kalibreringen fortæller pumpen, hvor meget væske der flyttes pr. Rotation, så pumpen kan beregne, hvor mange omdrejninger og hvilken hastighed der er nødvendig for at opfylde de indstillede værdier. For at starte kalibreringen skal du vælge tilstanden "Cal." og begynd at pumpe eller send kalibreringskommandoen via USB. Standardkalibreringscyklussen udfører 30 rotationer på 30 sekunder. Mængden af væske, der pumpes i løbet af denne cyklus (kalibreringsvolumen) skal måles præcist. Sørg for, at målingen ikke påvirkes af dråber, der klæber til slangen, selve slangens vægt eller andre forstyrrelser. Vi anbefaler at bruge en mikrogramvægt til kalibrering, da du let kan beregne volumen, hvis densiteten og vægten af den pumpede væskemængde er kendt. Når du har målt kalibreringsvolumen, kan du justere pumpen ved at indstille værdien af menupunktet "7 | Cal." eller vedhæfte den til dine serielle kommandoer.

Bemærk venligst, at enhver ændring efter kalibrering af slangemonteringen eller trykforskellen vil påvirke pumpens præcision. Prøv altid at udføre kalibreringen under de samme forhold, hvor pumpen senere skal bruges. Hvis du fjerner slangen og installerer den igen i pumpen, ændres kalibreringsværdien op til 10%, da der er små forskelle i positionering og kraft på skruerne. Træk i slangen ændrer også placeringen og derfor kalibreringsværdien. Hvis kalibreringen udføres uden trykforskel, og pumpen senere bruges til at pumpe væsker ved et andet tryk, vil det påvirke præcisionen. Husk, at selv en niveauforskel på en meter kan skabe en trykforskel på 0,1 bar, hvilket vil have en lille indflydelse på kalibreringsværdien, selvom pumpen kan nå et tryk på mindst 1,5 bar ved hjælp af 0,8 mm slangen.

Trin 11: Serielt interface - Fjernbetjening via USB

Den serielle grænseflade er baseret på Arduinos serielle kommunikationsgrænseflade via USB (Baud 9600, 8 databit, ingen paritet, one stop bit). Enhver software eller programmeringssprog, der er i stand til at skrive data til en seriel port, kan bruges til at kommunikere med pumpen (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#osv.). Alle pumpens funktioner er tilgængelige ved at sende den tilhørende kommando til pumpen. I slutningen af hver kommando kræves et nyt linietegn '\ n' (ASCII 10).

Dosis: d (volumen i µL), (hastighed i µL/min), (kalibreringsvolumen i µL) '\ n'

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

Pumpe: p (hastighed i µL/min), (kalibreringsvolumen i µL) '\ n'

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

Kalibrer: c '\ n'

Stop: x '\ n'

Arduino-miljøet (Arduino IDE) har en indbygget seriel skærm, der kan læse og skrive serielle data, derfor kan serielle kommandoer testes uden skriftlig kode.

Trin 12: Del dine oplevelser, og forbedr pumpen

Hvis du har bygget vores pumpe, bedes du dele dine erfaringer og forbedringer inden for software og hardware på:

Thingiverse (3D -trykte dele)

GitHub (software)

Instruktionsartikler (instruktioner, ledninger, generelt)

Trin 13: Nysgerrig efter IGEM?

IGEM (international Genetically Engineered Machine) Foundation er en uafhængig, non-profit organisation, der er dedikeret til uddannelse og konkurrence, fremme af syntetisk biologi og udvikling af et åbent fællesskab og samarbejde.

iGEM driver tre hovedprogrammer: iGEM Competition - en international konkurrence for studerende, der er interesseret i syntetisk biologi; Labs -programmet - et program for akademiske laboratorier til at bruge de samme ressourcer som konkurrenceholdene og Registry of Standard Biological Parts - en voksende samling af genetiske dele, der bruges til at bygge biologiske apparater og systemer.

igem.org/Main_Page