Exakt peristaltisk pump: 13 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Vi är ett studentteam från olika discipliner vid RWTH Aachen University och har skapat detta projekt inom ramen för iGEM -tävlingen 2017.

Efter allt arbete som gick in i vår pump, skulle vi vilja dela våra resultat med dig!

Vi byggde denna peristaltiska pump som en allmänt tillämplig vätskehanteringslösning för alla projekt som kräver transport av vätskor. Vår pump klarar exakt dosering och pumpning, vilket ger ett stort antal doseringsvolymer och flödeshastigheter för att maximera möjliga tillämpningar. Genom 125 doseringsexperiment kunde vi visa och kvantifiera vår pumps noggrannhet. För ett rör med 0, 8 mm innerdiameter och eventuell flödeshastighet eller doseringsvolym inom specifikationerna kan vi visa en noggrannhet som är bättre än 2% avvikelse från det inställda värdet. Med tanke på mätresultaten kan noggrannheten förbättras ännu mer om kalibreringens hastighet justeras till den önskade flödeshastigheten.

Pumpen kan styras utan programmeringskunskap via den inbyggda LCD-displayen och en vridknapp. Dessutom kan pumpen fjärrstyras via USB med seriella kommandon. Detta enkla kommunikationssätt är kompatibelt med vanlig programvara och programmeringsspråk (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#, etc.).

Pumpen är enkel och billig att tillverka, med alla delar totalt mindre än $ 100 jämfört med $ 1300 för den billigaste jämförbara kommersiella lösningen vi kunde hitta. Förutom en 3D -skrivare behövs bara vanliga verktyg. Vårt projekt är öppen källkod när det gäller hårdvara och programvara. Vi tillhandahåller CAD -filer för 3D -tryckta delar, en komplett lista över alla nödvändiga kommersiella komponenter och deras källor och källkoden som används i vår pump.

Steg 1: Kontrollera specifikationer

Kontrollera specifikationerna och diskussionen om noggrannhet som bifogas nedan.

Uppfyller pumpen dina krav?

Steg 2: Samla komponenter

1x Arduino Uno R3/ kompatibelt kort 1x Stegmotor (BxHxD): 42x42x41 mm, axel (ØxL): 5x22 mm1x Strömförsörjning 12 V/ 3 A, kontakt: 5.5/ 2.1 mm1x Stegmotordrivrutin A49881x LCD -modul 16x2, (BxHxD): 80x36x13 mm3x Nållager HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8 mm1x Encoder 5 V, 0,01 A, 20 omkopplingsställningar, 360 ° 1x Pumpslang, 1,6 mm väggtjocklek, 0,2 m4x Fot självhäftande (L x B x H) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Rak stift (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Regleringsknapp (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potentiometer/ trimmer 10k1x 220 Ohm motstånd 1x kondensator 47µF, 25V

Kabeldragning: 1x kretskort (L x B) 80 mm x 52 mm, kontaktavstånd 2,54 mm (CS) 2x stiftlist, rak, CS 2,54, märkström 3A, 36 stift 1x stickkontakt, rak, CS 2,54, nominell ström 3A, 40 pins1x Kablar, olika färger (t.ex. Ø 2,5 mm, tvärsnitt 0, 5 mm²) Värmekrympning (lämplig för kablar, t.ex. Ø 3 mm)

Skruvar: 4x M3, L = 25 mm (längd utan huvud), ISO 4762 (sexkant) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (sexkant) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (sexkant) 4x Liten gängskruv (för LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm skruv, DIN 9161x M3, mutter, ISO 4032

3D -tryckta delar: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D -utskrift inte nödvändigt => fräsning/kapning/sågning) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Steg 3: Efterbehandling av 3D -utskrifter

De 3D -tryckta delarna måste rengöras efter utskrift för att ta bort eventuella rester från utskriftsprocessen. Verktygen vi rekommenderar för efterbehandling är en liten fil och en trådklippare för M3 -trådar. Efter utskriftsprocessen måste de flesta hålen vidgas med hjälp av en lämplig borr. För hålen som innehåller M3 -skruvar måste en tråd klippas med ovannämnda trådskärare.

Steg 4: Kablar och ledningar

Kärnan i kretsen består av Arduino och en perfboard. På perfboard finns stegmotordrivrutinen, trimmern för LCD -skärmen, 47µF kondensator och anslutningar för strömförsörjningen till de olika komponenterna. För att stänga av Arduino med strömbrytaren avbröts strömförsörjningen till Arduino och ledde till Perfboard. För detta ändamål var dioden som är belägen på Arduino direkt bakom strömuttaget osoldad och fördes till perfboard istället.

Steg 5: Maskinvaruinställningar

Det finns tre inställningar som måste göras direkt på kretsen.

Först måste den nuvarande gränsen för stegmotordrivrutinen ställas in genom att justera den lilla skruven på A4988. Till exempel, om spänningen V_ref mellan skruv och GND i på -läget är 1V, är strömgränsen dubbelt värdet: I_max = 2A (detta är det värde vi använde). Ju högre ström, desto högre vridmoment för motorn, vilket möjliggör högre varvtal och flödeshastigheter. Men också strömförbrukningen och värmeutvecklingen ökar.

Dessutom kan stegmotorns läge ställas in via de tre stiften som är placerade längst upp till vänster om stegmotordrivrutinen (MS1, MS2, MS3). När MS2 är på + 5V, som visas i kopplingsschemat, drivs motorn i kvartstegsläge, vilket vi använde. Detta innebär att exakt ett steg (1,8 °) utförs för fyra pulser som stegmotordrivrutinen tar emot vid STEP -stiftet.

Som sista värde att ställa in kan trimmern på perfboard användas för att justera LCD -kontrasten.

Steg 6: Testkrets och komponenter

Innan montering rekommenderas att testa komponenterna och kretsen på en brödbräda. På detta sätt är det lättare att hitta och åtgärda eventuella misstag.

Du kan redan ladda upp vår programvara till Arduino, för att prova alla funktioner i förväg. Vi publicerade källkoden på GitHub:

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

Steg 7: Montering

Videon visar sammansättningen av komponenterna i avsedd sekvens utan kabeldragning. Alla kontakter ska först fästas på komponenterna. Ledningarna görs bäst vid den punkt där alla komponenter sätts in, men sidoväggarna har ännu inte fixats. De svåråtkomliga skruvarna kan lätt nås med en insexnyckel.

1. Sätt i strömbrytaren och givaren i det avsedda hålet och fäst dem på höljet. Fäst kontrollratten på givaren - var försiktig - när du väl har kopplat ratten kan det förstöra givaren om du försöker ta bort den igen.

2. Fäst LCD -skärmen med små gängskruvar, se till att löda motståndet och kablarna till displayen före montering.

3. Fäst Arduino Uno -kortet på höljet med 8 mm M3 -skruvar.

4. Sätt i stegmotorn och fäst den på höljet tillsammans med den 3D -tryckta delen (Pump_case_bottom) med fyra 10 mm M3 -skruvar.

5. Fäst perfboard på höljet - se till att du har lödt alla komponenter i perfboard som visas i kopplingsschemat.

6. Anslut de elektroniska delarna inuti fodralet.

7. Stäng höljet genom att lägga till sidopanelerna med 10x 8 mm M3 -skruvar.

8. Montera lagerfästet enligt bilden och fäst det på motoraxeln med en 3 mm skruv

9. Slutligen fäst motstödet för att hålla röret (Pump_case_top_120 °) med två 25 mm M3 -skruvar och sätt in slangen. Sätt i två 25 mm M3 -skruvar för att hålla slangen på plats under pumpprocessen

Steg 8: Sätt i slangen

Steg 9: Bekanta dig med användargränssnittet (manuell kontroll)

Användargränssnittet ger en omfattande kontroll av den peristaltiska pumpen. Den består av en LCD -display, en kontrollknapp och en strömbrytare. Manöverratten kan vridas eller skjutas.

Om du vrider på ratten kan du välja mellan olika menyalternativ, menyalternativet på den övre raden är för närvarande valt. Genom att trycka på ratten aktiveras det valda menyalternativet, indikerat med en blinkande rektangel. Den blinkande rektangeln innebär att menyalternativet är aktiverat.

När menyalternativet har aktiverats startar det beroende på det valda alternativet antingen en åtgärd eller tillåter ändring av motsvarande värde genom att vrida på ratten. För alla menyalternativ som är anslutna till ett numeriskt värde kan ratten hållas för att återställa värdet till noll eller dubbeltryckt för att öka värdet med en tiondel av det maximala värdet. För att ställa in det valda värdet och avaktivera ett menyalternativ måste vredet tryckas in en andra gång.

Strömbrytaren stänger omedelbart av pumpen och alla dess komponenter (Arduino, stegmotor, stegmotordrivrutin, LCD), utom när pumpen är ansluten via USB. Arduino och LCD kan drivas med USB, så att strömbrytaren inte påverkar dem.

Pumpmenyn har 10 artiklar som listas och beskrivs nedan:

0 | Starta pumpningen, driftläget beror på det läge som valts vid “6) Mode”

1 | Volym Ställ in doseringsvolymen, räknas bara om "Dos" är valt vid "6) Läge"

2 | V. Unit: Ställ in volymenheten, alternativen är: “ml”: ml “uL”: µL “rot”: rotationer (av pumpen)

3 | Hastighet Ställ in flödeshastigheten, räknas endast om "Dos" eller "Pump" är valt vid "6) Läge"

4 | S. Unit: Ställ in volymenheten, alternativen är: “ml/min”: ml/min “uL/min”: µL/min “rpm”: rotations/min

5 | Riktning: Välj pumpriktning: “CW” för medurs rotation, “CCW” för moturs

6 | Läge: Ställ in driftläge: “Dos”: dosera den valda volymen (1 | Volym) vid den valda flödeshastigheten (3 | Hastighet) när den startas”Pump”: pumpa kontinuerligt med den valda flödeshastigheten (3 | Hastighet) när startad "Cal.": Kalibrering, pumpen utför 30 varv på 30 sekunder när den startas

7 | Kal. Inställ kalibreringsvolym i ml. För kalibrering körs pumpen en gång i kalibreringsläge och den resulterande kalibreringsvolymen som pumpades mäts.

8 | Spara Sett. Spara alla inställningar till Arduinos EEPROM, värdena behålls under avstängning och laddas om när strömmen slås på igen

9 | USB CtrlAktivera USB -kontroll: Pump reagerar på seriella kommandon som skickas via USB

Steg 10: Kalibrering och prova dosering

Att utföra en korrekt kalibrering innan du använder pumpen är avgörande för exakt dosering och pumpning. Kalibreringen kommer att berätta för pumpen hur mycket vätska som flyttas per rotation, så att pumpen kan beräkna hur många varv och vilken hastighet som behövs för att uppfylla de inställda värdena. För att starta kalibreringen, välj läget “Cal.” och börja pumpa eller skicka kalibreringskommandot via USB. Standardkalibreringscykeln utför 30 varv på 30 sekunder. Volymen vätska som pumpas under denna cykel (kalibreringsvolym) bör mätas exakt. Se till att mätningen inte påverkas av droppar som fastnar på slangen, slangens vikt eller andra störningar. Vi rekommenderar att du använder en mikrogramvåg för kalibrering, eftersom du enkelt kan beräkna volymen om densiteten och vikten för den pumpade vätskemängden är känd. När du har mätt kalibreringsvolymen kan du justera pumpen genom att ställa in värdet för menyalternativet "7 | Cal." eller bifoga den till dina seriekommandon.

Observera att alla ändringar efter kalibrering av slangfästet eller tryckskillnaden påverkar pumpens precision. Försök att utföra kalibreringen alltid under samma förhållanden, vid vilka pumpen kommer att användas senare. Om du tar bort slangen och installerar den igen i pumpen, kommer kalibreringsvärdet att ändras upp till 10%, eftersom små skillnader i positionering och kraft appliceras på skruvarna. Att dra i slangen kommer också att ändra positioneringen och därför kalibreringsvärdet. Om kalibreringen utförs utan tryckskillnad och pumpen senare används för att pumpa vätskor vid ett annat tryck kommer det att påverka precisionen. Kom ihåg att även en nivåskillnad på en meter kan skapa en tryckskillnad på 0,1 bar, vilket kommer att ha en liten inverkan på kalibreringsvärdet, även om pumpen kan nå ett tryck på minst 1,5 bar med 0,8 mm slang.

Steg 11: Seriellt gränssnitt - Fjärrkontroll via USB

Det seriella gränssnittet är baserat på Arduinos seriella kommunikationsgränssnitt via USB (Baud 9600, 8 databitar, ingen paritet, en stoppbit). Varje programvara eller programmeringsspråk som kan skriva data till en seriell port kan användas för att kommunicera med pumpen (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#, etc.). Alla pumpens funktioner är tillgängliga genom att skicka motsvarande kommando till pumpen, i slutet av varje kommando krävs ett nytt radtecken '\ n' (ASCII 10).

Dos: d (volym i µL), (hastighet i µL/min), (kalibreringsvolym i µL) '\ n'

t.ex. d1000, 2000, 1462 '\ n' (dosering 1 ml vid 2 ml/min, kalibreringsvolym = 1,462 ml)

Pump: p (hastighet i µL/min), (kalibreringsvolym i µL) '\ n'

t.ex. p2000, 1462 '\ n' (pump vid 2mL/min, kalibreringsvolym = 1,462mL)

Kalibrera: c '\ n'

Stopp: x '\ n'

Arduino-miljön (Arduino IDE) har en inbyggd seriell bildskärm som kan läsa och skriva seriell data, därför kan seriella kommandon testas utan skriftlig kod.

Steg 12: Dela dina erfarenheter och förbättra pumpen

Om du har byggt vår pump, vänligen dela dina erfarenheter och förbättringar av programvara och hårdvara på:

Thingiverse (3D -tryckta delar)

GitHub (programvara)

Instruktioner (instruktioner, ledningar, allmänt)

Steg 13: Nyfiken på IGEM?

IGEM (international Genetically Engineered Machine) Foundation är en oberoende, ideell organisation som ägnar sig åt utbildning och konkurrens, framsteg för syntetisk biologi och utveckling av ett öppet samhälle och samarbete.

iGEM driver tre huvudprogram: iGEM Competition - en internationell tävling för studenter som är intresserade av syntetisk biologi. Labs -programmet - ett program för akademiska laboratorier för att använda samma resurser som tävlingslagen; och Registry of Standard Biological Parts - en växande samling av genetiska delar som används för att bygga biologiska enheter och system.

igem.org/Main_Page