Precīzs peristaltiskais sūknis: 13 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Mēs esam studentu komanda no dažādām RWTH Āhenes universitātes disciplīnām un esam izveidojuši šo projektu 2017. gada iGEM konkursa kontekstā.

Pēc visa darba, kas tika veikts mūsu sūknī, mēs vēlētos dalīties ar jums savos rezultātos!

Mēs izveidojām šo peristaltisko sūkni kā vispārēji izmantojamu šķidruma apstrādes risinājumu jebkuram projektam, kurā nepieciešama šķidrumu transportēšana. Mūsu sūknis spēj precīzi dozēt un sūknēt, nodrošinot plašu dozēšanas tilpumu un plūsmas ātrumu diapazonu, lai maksimāli palielinātu iespējamo pielietojumu. Izmantojot 125 dozēšanas eksperimentus, mēs varējām parādīt un noteikt mūsu sūkņa precizitāti. Caurulei ar 0, 8 mm iekšējo diametru un jebkuru plūsmas ātrumu vai dozēšanas tilpumu, kas atbilst specifikācijām, mēs varētu parādīt precizitāti, kas ir labāka par 2% novirzi no iestatītās vērtības. Ņemot vērā mērījumu rezultātus, precizitāti var vēl vairāk uzlabot, ja kalibrēšanas ātrumu pielāgo vajadzīgajam plūsmas ātrumam.

Sūkni var vadīt bez programmēšanas zināšanām, izmantojot iebūvēto LCD displeju un pagriežamo pogu. Turklāt sūkni var attālināti vadīt, izmantojot USB, izmantojot sērijas komandas. Šis vienkāršais saziņas veids ir saderīgs ar parastajām programmatūrām un programmēšanas valodām (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#utt.).

Sūkņa ražošana ir vienkārša un lēta, un visu detaļu kopsumma ir mazāka par 100 ASV dolāriem, salīdzinot ar 1300 ASV dolāriem par lētāko salīdzināmo komerciālo risinājumu. Papildus 3D printerim ir nepieciešami tikai kopīgi rīki. Mūsu projekts ir atvērtā pirmkoda aparatūras un programmatūras ziņā. Mēs piedāvājam 3D izdrukāto detaļu CAD failus, pilnu visu nepieciešamo komerciālo komponentu sarakstu un to avotus, kā arī mūsu sūknī izmantoto avota kodu.

1. darbība: pārbaudiet specifikācijas

Pārbaudiet specifikācijas un diskusiju par precizitāti, kas pievienota zemāk.

Vai sūknis atbilst jūsu prasībām?

2. darbība: apkopojiet komponentus

1x Arduino Uno R3/ saderīga tāfele 1x pakāpju motors (WxHxD): 42x42x41 mm, vārpsta (ØxL): 5x22 mm 1x barošanas avots 12 V/ 3 A, savienotājs: 5,5/ 2,1 mm mm3x adatas gultnis HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm P x A) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm 3x taisna tapa (Ø x L) 4 mm x 14 mm 1x vadības poga (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm

Elektroinstalācija: 1x PCB (garums x platums) 80 mm x 52 mm, attālums starp kontaktiem 2,54 mm (CS) 2x tapas sloksne, taisna, CS 2.54, nominālā strāva 3A, 36 tapas 1x kontaktligzdas, taisna, CS 2.54, nominālā strāva 3A, 40 tapas 1x dažādu krāsu kabeļi (piemēram, Ø 2,5 mm, šķērsgriezums 0, 5 mm²)

Skrūves: 4x M3, L = 25 mm (garums bez galvas), ISO 4762 (sešstūra galva) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (sešstūra galva) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (sešstūra galva) Maza skrūve (LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm skrūve, DIN 9161x M3, uzgrieznis, ISO 4032

3D drukātas detaļas: (Thingiverse) 1x korpuss_mains2 x korpusa puse (3D druka nav nepieciešama => frēzēšana/griešana/zāģēšana) 1x sūkņa_kaste_apakšējais

3. darbība: 3D izdruku pēcapstrāde

Pēc drukāšanas 3D drukātās detaļas ir jātīra, lai drukas procesā noņemtu visus atlikumus. Rīki, kurus mēs iesakām pēcapstrādei, ir mazs fails un diegu griezējs M3 pavedieniem. Pēc drukāšanas procesa lielākā daļa caurumu ir jāpaplašina, izmantojot piemērotu urbi. Caurumiem, kuros ir M3 skrūves, vītne ir jāizgriež ar iepriekš minēto diegu griezēju.

4. solis: kabeļi un elektroinstalācija

Ķēdes kodolu veido Arduino un perfboard. Uz plākšņu paneļa ir pakāpju motora vadītājs, šķidro kristālu displejs, 47µF kondensators un dažādu komponentu barošanas savienojumi. Lai izslēgtu Arduino ar barošanas slēdzi, Arduino barošana tika pārtraukta un tika novirzīta uz Perfboard. Šim nolūkam diode, kas atrodas uz Arduino tieši aiz strāvas ligzdas, netika lodēta un tā vietā tika nogādāta pie plātnes.

5. darbība. Aparatūras iestatījumi

Ir trīs iestatījumi, kas jāveic tieši ķēdē.

Vispirms ir jāiestata pakāpju motora vadītāja strāvas robeža, noregulējot A4988 mazo skrūvi. Piemēram, ja spriegums V_ref starp skrūvi un GND ieslēgtā stāvoklī ir 1V, strāvas robeža ir divas reizes lielāka par vērtību: I_max = 2A (šī ir vērtība, kuru mēs izmantojām). Jo lielāka strāva, jo lielāks motora griezes moments, kas nodrošina lielāku ātrumu un plūsmas ātrumu. Tomēr palielinās arī enerģijas patēriņš un siltuma attīstība.

Turklāt soļu motora režīmu var iestatīt, izmantojot trīs tapas, kas atrodas pakāpju motora piedziņas augšējā kreisajā stūrī (MS1, MS2, MS3). Kad MS2 ir pie + 5V, kā parādīts elektroinstalācijas shēmā, motors tiek darbināts ceturtdaļas soļu režīmā, ko mēs izmantojām. Tas nozīmē, ka tieši viens solis (1,8 °) tiek veikts četriem impulsiem, kurus pakāpiena motora vadītājs saņem pie STEP tapas.

Kā pēdējo iestatāmo vērtību trimmeri, kas atrodas uz paneļa, var izmantot, lai pielāgotu LCD kontrastu.

6. darbība: pārbaudiet ķēdi un komponentus

Pirms montāžas ir ieteicams pārbaudīt komponentus un ķēdi uz maizes dēļa. Tādā veidā ir vieglāk atrast un labot iespējamās kļūdas.

Jūs jau varat augšupielādēt mūsu programmatūru Arduino, lai iepriekš izmēģinātu visas funkcijas. Mēs publicējām avota kodu vietnē GitHub:

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

7. solis: montāža

Video parāda detaļu montāžu paredzētajā secībā bez elektroinstalācijas. Visiem savienotājiem vispirms jāpiestiprina detaļas. Elektroinstalāciju vislabāk veikt vietā, kur ir ievietotas visas sastāvdaļas, bet sānu sienas vēl nav nostiprinātas. Grūti sasniedzamās skrūves var viegli sasniegt ar sešstūra uzgriežņu atslēgu.

1. Ievietojiet barošanas slēdzi un kodētāju paredzētajā atverē un piestipriniet pie korpusa. Pievienojiet vadības pogu kodētājam - esiet piesardzīgs - kad esat to piestiprinājis, tas var iznīcināt kodētāju, ja mēģināsit to noņemt vēlreiz.

2. Piestipriniet LCD displeju ar mazām skrūvēm, pirms montāžas pārliecinieties, ka pielodējat pretestību un vadu pie displeja.

3. Piestipriniet Arduino Uno plāksni pie korpusa, izmantojot 8 mm M3 skrūves.

4. Ievietojiet pakāpienu motoru un pievienojiet to korpusam kopā ar 3D drukāto daļu (Pump_case_bottom), izmantojot četras 10 mm M3 skrūves.

5. Piestipriniet perforēto plāksni pie korpusa - pārliecinieties, vai visas detaļas ir pielodētas, kā parādīts elektroinstalācijas shēmā.

6. Pievienojiet korpusa iekšpusē elektroniskās daļas.

7. Aizveriet korpusu, pievienojot sānu paneļus, izmantojot 10x 8 mm M3 skrūves.

8. Salieciet gultņa stiprinājumu, kā parādīts video, un piestipriniet to pie motora vārpstas, izmantojot 3 mm skrūvi

9. Visbeidzot ar divām 25 mm M3 skrūvēm piestipriniet balstu caurules turēšanai (Pump_case_top_120 °) un ievietojiet cauruli. Ievietojiet divas 25 mm M3 skrūves, lai sūknis saglabātu caurules vietā

8. solis: ievietojiet caurules

9. darbība. Iepazīstieties ar lietotāja saskarni (manuāla vadība)

Lietotāja saskarne nodrošina visaptverošu peristaltiskā sūkņa kontroli. Tas sastāv no LCD displeja, vadības pogas un barošanas slēdža. Vadības pogu var pagriezt vai nospiest.

Griežot pogu, var izvēlēties no dažādiem izvēlnes elementiem, augšējās rindas izvēlnes vienums pašlaik ir atlasīts. Nospiežot pogu, tiks aktivizēts izvēlētais izvēlnes vienums, ko norāda mirgojošs taisnstūris. Mirgojošs taisnstūris nozīmē, ka izvēlnes vienums ir aktivizēts.

Kad izvēlnes vienums ir aktivizēts, tas sākas atkarībā no izvēlētā vienuma vai nu darbības, vai arī ļauj mainīt attiecīgo vērtību, pagriežot pogu. Visiem izvēlnes elementiem, kas pievienoti skaitliskai vērtībai, var turēt pogu, lai atiestatītu vērtību uz nulli vai divreiz nospiest, lai palielinātu vērtību par vienu desmitdaļu no tās maksimālās vērtības. Lai iestatītu izvēlēto vērtību un deaktivizētu izvēlnes vienumu, pogu ir jānospiež otrreiz.

Barošanas slēdzis nekavējoties izslēgs sūkni un visas tā sastāvdaļas (Arduino, pakāpju motoru, pakāpiena motora draiveri, LCD), izņemot gadījumus, kad sūknis ir pievienots, izmantojot USB. Arduino un LCD var darbināt ar USB, lai barošanas slēdzis tos neietekmētu.

Sūkņu izvēlnē ir 10 vienumi, kas ir uzskaitīti un aprakstīti zemāk:

0 | Sāciet sūknēšanu, darbības režīms ir atkarīgs no režīma, kas izvēlēts “6) režīmā”

1 | Tilpums Iestatiet dozēšanas tilpumu tikai tad, ja režīmā “6) ir izvēlēta“Deva”

2 | V. vienība: iestatiet tilpuma vienību, iespējas ir šādas: „mL”: ml „uL”: µL „puvi”: (sūkņa) rotācijas

3 | Ātrums Iestatiet plūsmas ātrumu, tiek ņemts vērā tikai tad, ja režīmā “6) režīms ir izvēlēts“Deva”vai“Sūknis”

4 | S. vienība: iestatiet tilpuma vienību, iespējas ir šādas: „mL/min”: ml/min „uL/min”: µL/min „rpm”: apgriezieni/min

5 | Virziens: izvēlieties sūknēšanas virzienu: “CW” rotācijai pulksteņrādītāja virzienā, “CCW” pretēji pulksteņrādītāja virzienam

6 | Režīms: Iestatīt darbības režīmu: „Deva”: dozējiet izvēlēto tilpumu (1 | Tilpums) ar izvēlēto plūsmas ātrumu (3 | Ātrums), kad tas tiek palaists. „Sūknis”: nepārtraukti sūknē ar izvēlēto plūsmas ātrumu (3 | Ātrums), sākts “Cal.”: Kalibrēšana, sūknis, palaižot, veiks 30 apgriezienus 30 sekundēs

7 | Kal. Iestatiet kalibrēšanas tilpumu ml. Kalibrēšanai sūknis tiek darbināts vienu reizi kalibrēšanas režīmā un tiek izmērīts iegūtais kalibrēšanas tilpums.

8 | Saglabāt iestatījumus. Saglabājiet visus iestatījumus Arduinos EEPROM, vērtības tiek saglabātas izslēgšanas laikā un tiek atkārtoti ielādētas, kad barošana tiek atkal ieslēgta

9 | USB CtrlAktivizēt USB vadību: sūknis reaģē uz sērijveida komandām, kas nosūtītas, izmantojot USB

10. solis: kalibrēšana un mēģiniet dozēt

Pareiza kalibrēšana pirms sūkņa lietošanas ir būtiska precīzai dozēšanai un sūknēšanai. Kalibrēšana pateiks sūknim, cik daudz šķidruma tiek pārvietots vienā rotācijā, tāpēc sūknis var aprēķināt, cik apgriezienu un kāds ātrums ir nepieciešams, lai sasniegtu iestatītās vērtības. Lai sāktu kalibrēšanu, izvēlieties režīmu “Cal”. un sāciet sūknēt vai nosūtīt kalibrēšanas komandu, izmantojot USB. Standarta kalibrēšanas cikls veiks 30 apgriezienus 30 sekundēs. Šī cikla laikā sūknētā šķidruma tilpums (kalibrēšanas tilpums) ir precīzi jāmēra. Pārliecinieties, ka mērījumus neietekmē pilieni, kas pielīp pie caurules, pašas caurules svars vai citi traucējumi. Mēs iesakām kalibrēšanai izmantot mikrogrammu skalu, jo jūs varat viegli aprēķināt tilpumu, ja ir zināms sūknētā šķidruma daudzuma blīvums un svars. Kad esat izmērījis kalibrēšanas tilpumu, sūkni var noregulēt, iestatot izvēlnes vienuma “7 | Kal.” Vērtību. vai pievienojot to sērijas komandām.

Lūdzu, ņemiet vērā, ka visas izmaiņas pēc kalibrēšanas caurulītes stiprinājumā vai spiediena starpība ietekmēs sūkņa precizitāti. Mēģiniet veikt kalibrēšanu vienmēr tādos pašos apstākļos, kādos sūknis tiks izmantots vēlāk. Ja noņemat caurules un atkal ievietojat to sūknī, kalibrēšanas vērtība mainīsies līdz 10%, jo līdz nelielām atšķirībām novietojumā un skrūvēm pielietotajā spēkā. Velkot cauruli, mainīsies arī pozicionēšana un līdz ar to arī kalibrēšanas vērtība. Ja kalibrēšana tiek veikta bez spiediena starpības un sūkni vēlāk izmanto šķidrumu sūknēšanai citā spiedienā, tas ietekmēs precizitāti. Atcerieties, ka pat viena metra līmeņa starpība var radīt 0,1 bāra spiediena starpību, kas nedaudz ietekmēs kalibrēšanas vērtību, pat ja sūknis, izmantojot 0,8 mm cauruli, var sasniegt vismaz 1,5 bāru spiedienu.

11. darbība. Seriālā saskarne - tālvadība, izmantojot USB

Sērijas interfeiss ir balstīts uz Arduino sērijas sakaru saskarni, izmantojot USB (Baud 9600, 8 datu biti, bez paritātes, vienas pieturas bits). Lai sazinātos ar sūkni, var izmantot jebkuru programmatūru vai programmēšanas valodu, kas spēj ierakstīt datus seriālajā portā (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#utt.). Visas sūkņa funkcijas ir pieejamas, nosūtot sūknim atbilstošo komandu, katras komandas beigās ir nepieciešama jauna rindas rakstzīme '\ n' (ASCII 10).

Deva: d (tilpums µL), (ātrums µL/min), (kalibrēšanas tilpums µL) '\ n'

piemēram: d1000, 2000, 1462 'n' (dozēšana 1 ml ar 2 ml/min, kalibrēšanas tilpums = 1,462 ml)

Sūknis: p (ātrums µL/min), (kalibrēšanas tilpums µL) '\ n'

piemēram: p2000, 1462 '\ n' (sūknis ar 2 ml/min, kalibrēšanas tilpums = 1,462 ml)

Kalibrēt: c '\ n'

Pietura: x '\ n'

Arduino videi (Arduino IDE) ir iebūvēts seriālais monitors, kas var nolasīt un rakstīt sērijas datus, tāpēc sērijas komandas var pārbaudīt bez rakstiska koda.

12. solis: dalieties savā pieredzē un uzlabojiet sūkni

Ja esat izveidojis mūsu sūkni, lūdzu, pastāstiet par savu pieredzi un uzlabojumiem programmatūras un aparatūras jomā:

Thingiverse (3D drukātas detaļas)

GitHub (programmatūra)

Instrukcijas (instrukcijas, vadi, vispārīgi)

13. solis: Vai vēlaties uzzināt par IGEM?

Fonds iGEM (starptautiskā ģenētiski inženierijas mašīna) ir neatkarīga bezpeļņas organizācija, kas nodarbojas ar izglītību un konkurenci, sintētiskās bioloģijas attīstību un atvērtas kopienas un sadarbības veidošanu.

iGEM vada trīs galvenās programmas: iGEM konkurss - starptautisks konkurss studentiem, kurus interesē sintētiskās bioloģijas joma; Laboratoriju programma - programma akadēmiskajām laboratorijām, lai izmantotu tādus pašus resursus kā konkursa komandas; un bioloģisko standarta daļu reģistrs - pieaugoša ģenētisko daļu kolekcija, ko izmanto bioloģisko ierīču un sistēmu veidošanai.

igem.org/Main_Page