Perշգրիտ պերիստալտիկ պոմպ `13 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:50

Մենք ուսանողական թիմ ենք RWTH Աախենի համալսարանի տարբեր առարկաներից և այս նախագիծը ստեղծել ենք 2017 iGEM մրցույթի համատեքստում:

Մեր պոմպի վրա կատարված ամբողջ աշխատանքից հետո մենք կցանկանայինք կիսվել ձեզ հետ մեր արդյունքներով:

Մենք կառուցեցինք այս պերիստալտիկ պոմպը որպես ընդհանուր կիրառվող հեղուկ լուծում ցանկացած նախագծի համար, որը պահանջում է հեղուկների տեղափոխում: Մեր պոմպն ունակ է ճշգրիտ չափման և պոմպավորման, ապահովելով դոզավորման ծավալների և հոսքի արագությունների լայն տեսականի `հնարավոր կիրառումները առավելագույնի հասցնելու համար: Դոզավորման 125 փորձերի միջոցով մենք կարողացանք ցույց տալ և չափել մեր պոմպի ճշգրտությունը: 0, 8 մմ ներքին տրամագիծ ունեցող խողովակի և բնութագրերի սահմաններում ցանկացած հոսող կամ դոզավորման ծավալով մենք կարող ենք ցույց տալ սահմանված արժեքից ավելի քան 2% շեղում ավելի լավ ճշգրտություն: Հաշվի առնելով չափումների արդյունքները, ճշգրտությունը կարող է ավելի բարելավվել, եթե ճշգրտման արագությունը ճշգրտվի պահանջվող հոսքի արագությանը:

Պոմպը կարող է կառավարվել առանց ծրագրավորման գիտելիքների `ներկառուցված LCD էկրանով և պտտվող բռնակով: Բացի այդ, պոմպը կարող է հեռակա կարգով վերահսկվել USB- ի միջոցով `սերիական հրամաններով: Հաղորդակցության այս պարզ միջոցը համատեղելի է սովորական ծրագրային ապահովման և ծրագրավորման լեզուների հետ (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#և այլն):

Պոմպը պարզ և էժան է արտադրության մեջ, որի բոլոր մասերը կազմում են ավելի քիչ, քան $ 100 ՝ $ 1300 -ի համեմատ ՝ ամենաէժան համեմատելի առևտրային լուծման համար, որը մենք կարող էինք գտնել: Բացի 3D տպիչից, անհրաժեշտ են միայն ընդհանուր գործիքներ: Մեր նախագիծը բաց կոդով է `ապարատային և ծրագրային ապահովման առումով: Մենք տրամադրում ենք CAD ֆայլեր 3D տպված մասերի համար, բոլոր անհրաժեշտ կոմերցիոն բաղադրիչների և դրանց աղբյուրների ամբողջական ցանկը և մեր պոմպում օգտագործվող աղբյուրի կոդը:

Քայլ 1: Ստուգեք բնութագրերը

Ստուգեք բնութագրերը և ճշգրտության քննարկումը ՝ ստորև:

Պոմպը բավարարո՞ւմ է ձեր պահանջները:

Քայլ 2: Բաղադրիչների հավաքում

1x Arduino Uno R3/ համատեղելի տախտակ 1x Շարժիչ (WxHxD) ՝ 42x42x41 մմ, լիսեռ (LxL) ՝ 5x22 մմ 1x Սնուցման աղբյուր 12 Վ/ 3 Ա, միակցիչ ՝ 5.5/ 2.1 մմ mm3x Ասեղի կրող HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 մմ x 8 մմ x 8 մմ 1x կոդավորիչ 5 V, 0.01 A, 20 անջատիչ դիրքեր, 360 ° 1x պոմպային խողովակներ, 1.6 մմ պատի հաստություն, 0.2 մ 4x ոտքի ինքնասոսնձվող (L x W x H) 12,6 x 12,6 x 5,7 մմ 3x Ուղիղ կապում (Ø x L) 4 մմ x 14 մմ 1x կառավարման կոճակ (Ø x H) 16,8 մմ x 14,5 մմ 1x պոտենցիոմետր/ հարմարվողական 10k1x 220 Ohm դիմադրողական 1x կոնդենսատոր 47μF, 25V

Հաղորդալարեր ՝ 1x PCB (L x W) 80 մմ x 52 մմ, շփման միջակայք ՝ 2.54 մմ (CS) 2x կապիչ ժապավեն, ուղիղ, CS 2.54, անվանական հոսանք 3A, 36 կապում 1x վարդակից ժապավեն, ուղիղ, CS 2.54, անվանական հոսանք 3A, 40 կապում 1x Մալուխներ, տարբեր գույներ (օրինակ ՝ Ø 2.5 մմ, խաչմերուկ 0, 5 մմ²) Heերմաստիճանի նվազում (հարմար է մալուխների համար, օրինակ ՝ Ø 3 մմ)

Պտուտակներ ՝ 4x M3, L = 25 մմ (երկարություն ՝ առանց գլխի), ISO 4762 (վեցանկյուն գլուխ) 7x M3, L = 16 մմ, ISO 4762 (վեցանկյուն գլուխ) 16x M3, L = 8 մմ, ISO 4762 (վեցանկյուն գլուխ) 4x Փոքր թակել

3D տպագրված մասեր. (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D տպագրությունը պարտադիր չէ => ֆրեզերացում/կտրում/սղոցում) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Քայլ 3. 3D տպումների տեղադրում

Տպագրությունից հետո եռաչափ տպված մասերը պետք է մաքրվեն, որպեսզի տպման գործընթացից մնացորդները հեռացվեն: Գործիքները, որոնք մենք խորհուրդ ենք տալիս հետամշակման համար, փոքր ֆայլ և թել կտրող են M3 թելերի համար: Տպագրման գործընթացից հետո անցքերի մեծ մասը պետք է ընդլայնվեն `համապատասխան փորվածք օգտագործելով: M3 պտուտակներ պարունակող անցքերի համար թելը պետք է կտրել վերը նշված թելի կտրիչով:

Քայլ 4: Մալուխներ և լարեր

Շղթայի միջուկը բաղկացած է Arduino- ից և մի տախտակից: Տախտակի վրա տեղադրված է հետընթաց շարժիչի վարորդը, LCD- ի հարմարվողը, 47μF կոնդենսատորը և տարբեր բաղադրիչների էլեկտրամատակարարման միացումները: Arduino- ն հոսանքի անջատիչով անջատելու համար Arduino- ի սնուցման աղբյուրն ընդհատվեց և տարավ դեպի Perfboard: Այդ նպատակով, դիոդը, որը գտնվում է Arduino- ի վրա, հոսանքի վարդակից անմիջապես ետևում, չպահպանվեց և փոխարենը բերվեց տախտակին:

Քայլ 5: Սարքավորման կարգավորումներ

Կան երեք պարամետրեր, որոնք պետք է կատարվեն անմիջապես սխեմայի վրա:

Նախ պետք է սահմանել քայլ շարժիչի վարորդի ընթացիկ սահմանը `կարգավորելով փոքր պտուտակը A4988- ի վրա: Օրինակ, եթե պտուտակի և GND- ի միջև լարումը միացված վիճակում 1 Վ է, ընթացիկ սահմանը երկու անգամ գերազանցում է արժեքը `I_max = 2A (սա այն արժեքն է, որը մենք օգտագործել ենք): Որքան բարձր է հոսանքը, այնքան մեծ է շարժիչի ոլորող մոմենտը ՝ թույլ տալով ավելի մեծ արագություններ և հոսքի արագություններ: Այնուամենայնիվ, ավելանում է նաև էներգիայի սպառումը և ջերմության զարգացումը:

Ավելին, սլաքի շարժիչի ռեժիմը կարող է սահմանվել երեք կապում, որոնք տեղադրված են քայլող շարժիչի վարորդի վերևի ձախ մասում (MS1, MS2, MS3): Երբ MS2- ը գտնվում է + 5V- ում, ինչպես ցույց է տրված էլեկտրագծերի դիագրամում, շարժիչը գործում է քառորդ քայլի ռեժիմով, որը մենք օգտագործում էինք: Սա նշանակում է, որ ուղիղ մեկ քայլ (1.8 °) կատարվում է չորս իմպուլսի համար, որը ստեպեր շարժիչի վարորդը ստանում է STEP քորոցում:

Որպես վերջին արժեք, որը պետք է սահմանվի, շերտի տախտակի վրա հարմարվողը կարող է օգտագործվել LCD- ի հակադրությունը կարգավորելու համար:

Քայլ 6. Փորձարկման շրջան և բաղադրիչներ

Նախքան հավաքելը խորհուրդ է տրվում ստուգել բաղադրիչները և սխեման հացահատիկի վրա: Այս կերպ ավելի հեշտ է գտնել և ուղղել հնարավոր սխալները:

Դուք արդեն կարող եք վերբեռնել մեր ծրագրակազմը Arduino- ում ՝ բոլոր գործառույթները նախապես փորձելու համար: Մենք հրապարակեցինք աղբյուրի կոդը GitHub- ում ՝

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

Քայլ 7: Հավաքում

Տեսանյութը ցույց է տալիս բաղադրիչների հավաքումը նախատեսված հաջորդականությամբ ՝ առանց լարերի: Բոլոր միակցիչները պետք է նախ կցվեն բաղադրիչներին: Էլեկտրամոնտաժը լավագույնս կատարվում է այն կետում, որտեղ տեղադրված են բոլոր բաղադրիչները, սակայն կողային պատերը դեռ ամրագրված չեն: Դժվարին հասնող պտուտակները հեշտությամբ կարելի է ձեռք բերել վեցանկյուն բանալիով:

1. Տեղադրեք հոսանքի անջատիչը և կոդավորիչը իրենց նշանակած անցքի մեջ և ամրացրեք դրանք պատյանին: Կցեք կառավարման կոճակը կոդավորիչին - զգույշ եղեք, երբ բռնիչը կցեք, այն կարող է ոչնչացնել կոդավորիչը, եթե նորից փորձեք հեռացնել այն:

2. Կցեք LCD էկրանը փոքր պտուտակներով, համոզվեք, որ միացումից առաջ ռեզիստորը և լարերը կպցրեք էկրանին:

3. Arduino Uno տախտակը ամրացրեք պատյանին ՝ օգտագործելով 8 մմ M3 պտուտակներ:

4. Տեղադրեք քայլանի շարժիչը և ամրացրեք այն պատյանին 3D տպված մասի հետ միասին (Pump_case_bottom) ՝ օգտագործելով չորս մմ տրամաչափի M3 չորս պտուտակներ:

5. Կցեք շերտի տախտակը պատյանին - համոզվեք, որ բոլոր բաղադրիչները կպցրել եք տախտակին, ինչպես ցույց է տրված էլեկտրագծերի գծապատկերում:

6. Լարացրեք էլեկտրոնային մասերը պատյանի ներսում:

7. Փակեք պատյանը `ավելացնելով կողային վահանակները` օգտագործելով 10x 8 մմ M3 պտուտակներ:

8. Հավաքեք առանցքակալը, ինչպես ցույց է տրված տեսանյութում և ամրացրեք այն շարժիչի լիսեռին `օգտագործելով 3 մմ հաստությամբ պտուտակ:

9. Ի վերջո, խողովակը (Pump_case_top_120 °) խողովակը պահելու համար հաշվիչի հենարանը ամրացրեք երկու 25 մմ M3 պտուտակով և տեղադրեք խողովակը: Պոմպի ընթացքում խողովակը տեղում պահելու համար տեղադրեք երկու 25 մմ M3 պտուտակ

Քայլ 8: Տեղադրեք խողովակ

Քայլ 9: Getանոթացեք օգտագործողի միջերեսին (ձեռքով կառավարում)

Օգտվողի միջերեսը ապահովում է պերիստալտիկ պոմպի համապարփակ վերահսկողություն: Այն բաղկացած է LCD էկրանից, կառավարման կոճակից և հոսանքի անջատիչից: Կառավարման կոճակը կարող է պտտվել կամ հրվել:

Կոճակը պտտելը թույլ է տալիս ընտրել ընտրացանկի տարբեր տարրերից, ներկայումս ընտրված է վերին տողի ցանկի տարրը: Կոճակը սեղմելը կակտիվացնի ընտրված ընտրացանկը, որը նշվում է թարթող ուղղանկյունով: Թարթող ուղղանկյունը ենթադրում է, որ ընտրացանկի տարրը ակտիվացված է:

Երբ ընտրացանկի տարրը ակտիվանում է, այն սկսում է կախված ընտրված տարրից կամ գործողությունից կամ թույլ է տալիս համապատասխան արժեքի փոփոխություն ՝ պտտելով բռնակը: Թվային արժեքին միացված ընտրացանկի բոլոր տարրերի համար կոճակը կարող է պահվել `արժեքը զրոյի հասցնելու կամ կրկնակի սեղմելու համար` արժեքը առավելագույնի մեկ տասներորդով բարձրացնելու համար: Ընտրված արժեքը սահմանելու և ընտրացանկի տարրը անջատելու համար անհրաժեշտ է երկրորդ անգամ սեղմել կոճակը:

Էլեկտրաէներգիայի անջատիչն անմիջապես կդադարեցնի պոմպը և դրա բոլոր բաղադրիչները (Arduino, քայլքի շարժիչ, շարժիչի շարժիչ, LCD), բացառությամբ այն դեպքերի, երբ պոմպը միացված է USB- ի միջոցով: Arduino- ն և LCD- ը կարող են սնուցվել USB- ով, այնպես որ հոսանքի անջատիչը չի ազդի նրանց վրա:

Պոմպերի ցանկը պարունակում է 10 տարր, որոնք թվարկված և նկարագրված են ստորև.

0 | Գործարկել պոմպը, աշխատանքի ռեժիմը կախված է «6» ռեժիմում ընտրված ռեժիմից

1 | umeավալ Կարգավորեք դեղաչափի ծավալը, համարվում է միայն այն դեպքում, եթե «Դոզան» ընտրված է «6» ռեժիմում

2 | V. Unit. Սահմանեք ձայնի միավորը, ընտրանքներն են `« մլ »: մլ« uL »: µL« փտած ». Պտույտներ (պոմպի)

3 | արագություն

4 | S. Unit. Սահմանեք ձայնի միավորը, ընտրանքներն են ՝ «մլ/րոպե». Մլ/րոպե «uL/րոպե» ՝ µL/րոպե «rpm» ՝ պտույտներ/րոպե

5 | Ուղղություն. Ընտրեք պոմպի ուղղությունը. «CW» ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ, «CCW» ՝ ժամացույցի սլաքի հակառակ ուղղությամբ

6 | Ռեժիմ. Սահմանել գործառնական ռեժիմ. «Դոզա». Ընտրված ծավալը (1 | umeավալը) դոզավորել ընտրված հոսքի արագությամբ (3 | Արագություն) «Պոմպ» գործարկելիս. Պոմպը շարունակաբար ընտրված հոսքի արագությամբ (3 | Արագություն), երբ սկսեց «Կալ.». Կալիբրացում, պոմպը գործարկելուց 30 պտույտ կկատարի 30 վայրկյանում

7 | Կալ. Կալիբրացիայի ծավալը սահմանեք մլ -ով: Calշգրտման համար պոմպը գործարկվում է մեկ անգամ ՝ չափաբերման ռեժիմում, և արդյունքում չափվում է պոմպացված չափագրման ծավալը:

8 | Պահել կարգավորումը: Պահել բոլոր պարամետրերը Arduinos EEPROM- ին, արժեքները պահպանվում են անջատված և վերաբեռնված վիճակում, երբ հոսանքը նորից միացված է

9 | USB Ctrl Ակտիվացնել USB վերահսկողությունը. Պոմպն արձագանքում է USB- ի միջոցով ուղարկված սերիական հրամաններին

Քայլ 10: Կալիբրացիա և փորձեք դեղաչափը

Պոմպից օգտվելուց առաջ ճիշտ չափաբերման իրականացումը կարևոր նշանակություն ունի ճշգրիտ չափաբաժնի և պոմպավորման համար: Կալիբրացիան պոմպին կպատմի, թե որքան հեղուկ է շարժվում մեկ պտույտի համար, այնպես որ պոմպը կարող է հաշվարկել, թե քանի պտույտ և ինչ արագություն է անհրաժեշտ սահմանված արժեքներին համապատասխանելու համար: Կալիբրացիան սկսելու համար ընտրեք «Cal» ռեժիմը: և սկսեք մղել կամ ուղարկել USB- ի միջոցով չափագրման հրամանը: Ստանդարտ ճշգրտման ցիկլը 30 պտույտ կկատարի 30 վայրկյանում: Այս ցիկլի ընթացքում պոմպացված հեղուկի ծավալը (չափաբերման ծավալը) պետք է ճշգրիտ չափվի: Համոզվեք, որ չափման վրա չեն ազդում խողովակին կպչող կաթիլները, խողովակի ծանրությունը կամ որևէ այլ միջամտություն: Մենք խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել միկրոգրամ սանդղակ `չափման համար, քանի որ հեշտությամբ կարող եք հաշվարկել ծավալը, եթե հայտնի է պոմպային հեղուկի խտությունը և քաշը: Կալիբրացիայի ծավալը չափելուց հետո կարող եք կարգավորել պոմպը `սահմանելով« 7 | կալ »ընտրացանկի արժեքը: կամ կցելով այն ձեր սերիական հրամաններին:

Խնդրում ենք նկատի ունենալ, որ խողովակների ամրացման կամ ճնշման տարբերության ճշգրտումից հետո ցանկացած փոփոխություն կազդի պոմպի ճշգրտության վրա: Փորձեք ստուգաչափումը կատարել միշտ նույն պայմաններում, որոնց դեպքում պոմպը հետագայում կկիրառվի: Եթե դուք հեռացնեք խողովակը և նորից տեղադրեք այն պոմպի մեջ, ապա ստուգաչափման արժեքը կփոխվի մինչև 10%, քանի որ պտուտակներին կիրառվող դիրքի և ուժի փոքր տարբերությունների պատճառով: Խողովակի վրա քաշելը նաև կփոխի դիրքը և, հետևաբար, տրամաչափման արժեքը: Եթե չափագրումն իրականացվում է առանց ճնշման տարբերության, և պոմպը հետագայում օգտագործվում է հեղուկները այլ ճնշման տակ պոմպելու համար, դա կազդի ճշգրտության վրա: Հիշեք, որ նույնիսկ մեկ մետրի մակարդակի տարբերությունը կարող է ստեղծել 0,1 բար ճնշման տարբերություն, ինչը փոքր ազդեցություն կունենա տրամաչափման արժեքի վրա, նույնիսկ եթե պոմպը 0,8 մմ խողովակի միջոցով կարող է հասնել առնվազն 1,5 բար ճնշման:

Քայլ 11: Սերիական ինտերֆեյս - հեռակառավարում USB- ի միջոցով

Սերիական ինտերֆեյսը հիմնված է USB- ի միջոցով Arduino- ի սերիական հաղորդակցության ինտերֆեյսի վրա (Baud 9600, տվյալների 8 բիթ, հավասարություն չկա, մեկ կանգառ բիթ): Պոմպի հետ հաղորդակցվելու համար կարող է օգտագործվել ցանկացած ծրագրակազմ կամ ծրագրավորման լեզու, որը կարող է տվյալներ գրել սերիական պորտին (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#և այլն): Պոմպի բոլոր գործառույթները հասանելի են պոմպին համապատասխան հրաման ուղարկելով, յուրաքանչյուր հրամանի վերջում պահանջվում է նոր տող '\ n' (ASCII 10):

Դոզան ՝ d (ծավալը μL), (արագությունը μL/min), (calibration volume in μL) '\ n'

օրինակ ՝ d1000, 2000, 1462 '\ n' (դեղաչափը 1 մլ 2 մլ/րոպե, չափաբերման ծավալը = 1.462 մլ)

Պոմպ `p (արագությունը μL/րոպե), (calibration volume in μL) '\ n'

օրինակ ՝ p2000, 1462 '\ n' (պոմպը 2 մլ/րոպե, տրամաչափման ծավալը = 1.462 մլ)

Կալիբրացում ՝ c '\ n'

Կանգառ. X '\ n'

Arduino միջավայրը (Arduino IDE) ունի ներկառուցված սերիական մոնիտոր, որը կարող է կարդալ և գրել սերիական տվյալներ, հետևաբար սերիական հրամանները կարող են փորձարկվել առանց որևէ գրավոր կոդի:

Քայլ 12: Կիսվեք ձեր փորձով և բարելավեք պոմպը

Եթե դուք կառուցել եք մեր պոմպը, խնդրում ենք կիսվել ձեր փորձով և բարելավումներով ծրագրային ապահովում և սարքավորումներ ՝

Thingiverse (3D տպագիր մասեր)

GitHub (ծրագրակազմ)

Հրահանգներ (հրահանգներ, էլեկտրագծեր, ընդհանուր)

Քայլ 13: Հետաքրքրվա՞ծ եք IGEM- ի մասին:

IGEM (International Genetically Engineered Machine) հիմնադրամը անկախ, ոչ առևտրային կազմակերպություն է, որը նվիրված է կրթությանը և մրցակցությանը, սինթետիկ կենսաբանության առաջընթացին և բաց համայնքի և համագործակցության զարգացմանը:

iGEM- ն իրականացնում է երեք հիմնական ծրագիր. iGEM Competition - սինթետիկ կենսաբանության ոլորտով հետաքրքրվող ուսանողների միջազգային մրցույթ; Լաբորատորիաների ծրագիր - ծրագիր ակադեմիական լաբորատորիաների համար `օգտագործելու նույն ռեսուրսները, ինչ մրցութային թիմերը. և ստանդարտ կենսաբանական մասերի գրանցամատյան - գենետիկական մասերի աճող հավաքածու, որն օգտագործվում է կենսաբանական սարքերի և համակարգերի կառուցման համար:

igem.org/Main_Page