پمپ دقیق پریستالتیک: 13 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:56

ما یک تیم دانشجویی از رشته های مختلف دانشگاه RWTH آخن هستیم و این پروژه را در چارچوب رقابت iGEM 2017 ایجاد کرده ایم.

پس از تمام کارهایی که در پمپ ما انجام شد ، ما می خواهیم نتایج خود را با شما به اشتراک بگذاریم!

ما این پمپ پریستالتیک را به عنوان محلول حمل و نقل مایع به طور کلی برای هر پروژه ای که نیاز به حمل مایعات دارد ، ساخته ایم. پمپ ما قادر به دوز بندی و پمپاژ دقیق است و طیف وسیعی از حجم دوز و میزان جریان را برای به حداکثر رساندن کاربردهای احتمالی فراهم می کند. از طریق 125 آزمایش دوز ، ما توانستیم دقت پمپ خود را نشان داده و کمی کنیم. برای لوله ای با قطر داخلی 0 ، 8 میلی متر و هر مقدار جریان یا حجم دوز در مشخصات ، می توانیم دقت بهتر از 2 devi انحراف از مقدار تعیین شده را نشان دهیم. با توجه به نتایج اندازه گیری ها ، اگر سرعت کالیبراسیون با سرعت جریان مورد نیاز تنظیم شود ، می توان دقت را حتی بیشتر افزایش داد.

پمپ را می توان بدون دانش برنامه نویسی از طریق صفحه نمایش LCD داخلی و یک دکمه چرخشی کنترل کرد. علاوه بر این ، پمپ را می توان از راه دور از طریق USB با دستورات سریال کنترل کرد. این روش ساده ارتباطی با نرم افزارهای رایج و زبان های برنامه نویسی (MATLAB ، LabVIEW ، Java ، Python ، C#و غیره) سازگار است.

تولید پمپ ساده و ارزان است و مجموع قطعات آن کمتر از 100 دلار در مقایسه با 1300 دلار برای ارزان ترین راه حل تجاری قابل مقایسه است. علاوه بر چاپگر سه بعدی ، فقط ابزارهای متداول مورد نیاز است. پروژه ما از نظر سخت افزار و نرم افزار منبع باز است. ما فایلهای CAD را برای قطعات چاپ شده سه بعدی ، یک لیست کامل از همه اجزای تجاری مورد نیاز و منابع آنها و کد منبع مورد استفاده در پمپ را ارائه می دهیم.

مرحله 1: مشخصات را بررسی کنید

مشخصات و بحث صحت را در زیر پیوست کنید.

آیا پمپ نیازهای شما را برآورده می کند؟

مرحله 2: اجزاء را جمع آوری کنید

1x Arduino Uno R3/ برد سازگار 1x موتور پله ای (WxHxD): 42x42x41 میلی متر ، شفت (ØxL): 5x22 mm1x منبع تغذیه 12 ولت/ 3 آمپر ، کانکتور: 5.5/ 2.1 میلی متر mm3x بلبرینگ سوزنی HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm 1x Encoder 5 V ، 0.01 A ، 20 پایه سوئیچ ، 360 درجه 1x لوله پمپ ، ضخامت دیوار 1.6 میلی متر ، 0.2m4x خود چسب پا (L x عرض x ارتفاع) 12.6 x 12.6 x 5.7 mm3x پین مستقیم (Ø x L) 4 میلی متر x 14 میلی متر 1x دستگیره کنترل (Ø x H) 16.8 میلی متر x 14.5 میلی متر 1x پتانسیومتر/ تریمر 10k1x 220 اهم مقاومت 1x خازن 47µF ، 25V

سیم کشی: 1x PCB (L x W) 80 میلی متر x 52 میلی متر ، فاصله تماس 2.54 میلی متر (CS) نوار پین 2x ، مستقیم ، CS 2.54 ، جریان نامی 3A ، 36 پین 1 نوار سوکت ، مستقیم ، CS 2.54 ، جریان اسمی 3A ، 40 پین 1x کابل ، رنگهای مختلف (به عنوان مثال Ø 2.5 میلی متر ، سطح مقطع 0 ، 5 میلی متر مربع) کوچک کننده حرارتی (مناسب برای کابل ها ، به عنوان مثال Ø 3 میلی متر)

پیچ: 4x M3 ، L = 25 میلی متر (طول بدون سر) ، ISO 4762 (سر شش ضلعی) 7x M3 ، L = 16 میلی متر ، ISO 4762 (سر شش ضلعی) 16x M3 ، L = 8 میلی متر ، ISO 4762 (سر شش ضلعی) 4x پیچ کوچک ضربه زدن (برای LCD ، Ø 2-2.5 میلی متر ، L = 3-6 میلی متر) 1x M3 ، L = پیچ دهانه 10 میلی متری ، DIN 9161x M3 ، مهره ، ISO 4032

قطعات چاپ سه بعدی: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (چاپ سه بعدی لازم نیست => فرز/برش/اره) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

مرحله 3: ارسال پردازش چاپهای سه بعدی

قطعات چاپ شده سه بعدی پس از چاپ باید تمیز شوند تا باقی مانده از فرایند چاپ حذف شود. ابزارهایی که برای پس پردازش توصیه می کنیم یک فایل کوچک و یک برش نخ برای نخ های M3 است. پس از فرایند چاپ ، اکثر سوراخ ها باید با استفاده از مته مناسب باز شوند. برای سوراخ های حاوی پیچ M3 ، یک نخ باید با برش نخ فوق ذکر شود.

مرحله 4: کابل و سیم کشی

هسته مدار شامل آردوینو و یک تخته چوبی است. بر روی تخته روی ، درایور موتور پله ای ، تریمر برای LCD ، خازن 47µF و اتصالات منبع تغذیه قطعات مختلف وجود دارد. به منظور خاموش کردن آردوینو توسط سوئیچ قدرت ، منبع تغذیه آردوینو قطع شد و به پرفرفورد منتقل شد. برای این منظور ، دیودی که بر روی آردوینو واقع در پشت جک قدرت قرار دارد ، بدون لحیم کاری جابجا شده و به جای آن به روی تخته ورق آورده شد.

مرحله 5: تنظیمات سخت افزار

سه تنظیم وجود دارد که باید مستقیماً روی مدار انجام شود.

ابتدا باید با تنظیم پیچ کوچک در A4988 ، محدودیت فعلی راننده پله موتور را تعیین کنید. به عنوان مثال ، اگر ولتاژ V_ref بین پیچ و GND در حالت روشن 1V باشد ، حد فعلی دو برابر مقدار است: I_max = 2A (این مقداری است که ما استفاده کردیم). هرچه جریان بیشتر باشد ، گشتاور موتور نیز بیشتر می شود و سرعت و دبی بیشتری را امکان پذیر می کند. با این حال ، مصرف برق و توسعه گرما نیز افزایش می یابد.

علاوه بر این ، حالت موتور پله ای را می توان از طریق سه پین که در سمت چپ بالای درایور موتور پله ای (MS1 ، MS2 ، MS3) قرار دارند تنظیم کرد. هنگامی که MS2 در + 5V است ، همانطور که در نمودار سیم کشی نشان داده شده است ، موتور در حالت مرحله چهارم عمل می کند ، که ما از آن استفاده کردیم. این بدان معنی است که دقیقاً یک مرحله (1.8 درجه) برای چهار پالس که راننده موتور پله ای در پین STEP دریافت می کند انجام می شود.

به عنوان آخرین مقدار تنظیم شده ، تریمر روی تخته چوبی می تواند برای تنظیم کنتراست LCD استفاده شود.

مرحله 6: آزمایش مدار و اجزاء

قبل از مونتاژ توصیه می شود قطعات و مدار را روی تخته نان آزمایش کنید. در این راه ، یافتن و رفع اشتباهات احتمالی آسان تر است.

شما می توانید نرم افزار ما را در Arduino بارگذاری کنید تا همه عملکردها را از قبل امتحان کنید. ما کد منبع را در GitHub منتشر کردیم:

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

مرحله 7: مونتاژ

ویدئو مجموعه قطعات را در ترتیب مورد نظر بدون سیم کشی نشان می دهد. همه اتصالات ابتدا باید به قطعات متصل شوند. سیم کشی بهتر است در نقطه ای انجام شود که همه اجزا در آن قرار گرفته اند ، اما دیوارهای جانبی هنوز ثابت نشده اند. پیچ های سخت را می توان به راحتی با آچار شش گوش به دست آورد.

1. کلید پاور و رمزگذار را در سوراخ تعیین شده خود وارد کرده و آنها را روی بدنه ثابت کنید. دکمه کنترل را به رمزگذار وصل کنید - مراقب باشید - هنگامی که دستگیره را وصل کردید ، اگر دوباره بخواهید آن را بردارید ، ممکن است رمزگذار را خراب کند.

2. صفحه LCD را با پیچ های کوچک ضربه بزنید ، مطمئن شوید که مقاومت و سیم کشی را قبل از مونتاژ روی صفحه لحیم کنید.

3. برد آردوینو Uno را با استفاده از پیچ های 8 میلی متری M3 روی بدنه ثابت کنید.

4. موتور پله را وارد کرده و با استفاده از چهار پیچ M3 10 میلی متری آن را به همراه قسمت چاپ سه بعدی (Pump_case_bottom) به قاب وصل کنید.

5. صفحه چوبی را به قاب وصل کنید - مطمئن شوید که همه اجزا را همانطور که در نمودار سیم کشی نشان داده شده است ، به آن چسب بزنید.

6. قطعات الکترونیکی داخل کیس را سیم کشی کنید.

7. با افزودن پانل های جانبی با استفاده از پیچ های Mx 10 در 8 میلی متر ، قاب را ببندید.

8. پایه یاتاقان را همانطور که در فیلم نشان داده شده است ، مونتاژ کرده و با استفاده از پیچ 3 میلی متری گره ، آن را به شافت موتور وصل کنید.

9. در نهایت ، پشتیبانی شمارنده را برای نگه داشتن لوله (Pump_case_top_120 °) با دو پیچ M3 25 میلی متری متصل کرده و لوله را وارد کنید. دو پیچ M3 25 میلی متری را وارد کنید تا لوله در محل پمپ در محل خود ثابت بماند

مرحله 8: لوله را وارد کنید

مرحله 9: با رابط کاربری آشنا شوید (کنترل دستی)

رابط کاربر کنترل جامعی از پمپ پریستالتیک را فراهم می کند. این دستگاه شامل یک صفحه نمایش LCD ، یک دکمه کنترل و یک کلید قدرت است. دکمه کنترل را می توان چرخانده یا فشار داد.

با چرخاندن دکمه امکان انتخاب بین موارد مختلف منو وجود دارد ، در حال حاضر مورد منو در خط بالا انتخاب شده است. با فشار دادن دکمه ، مورد انتخاب شده منو فعال می شود ، که با یک مستطیل چشمک زن نشان داده شده است. مستطیل چشمک زن نشان می دهد که مورد منو فعال شده است.

هنگامی که مورد منو فعال می شود ، بسته به مورد انتخاب شده یا یک عمل شروع می شود یا با چرخاندن دکمه تغییر مقدار مربوطه را امکان پذیر می کند. برای همه آیتم های منو متصل به مقدار عددی ، می توان دکمه را نگه داشت تا مقدار را به صفر برساند یا دو بار فشار داده شود تا مقدار آن یک دهم حداکثر مقدار خود را افزایش دهد. برای تنظیم مقدار انتخابی و غیرفعال کردن یک آیتم منو ، دکمه باید برای بار دوم فشار داده شود.

سوئیچ تغذیه بلافاصله پمپ و تمام اجزای آن (آردوینو ، استپ موتور ، درایور استپ موتور ، LCD) را خاموش می کند ، مگر زمانی که پمپ از طریق USB متصل شود. آردوینو و LCD می توانند از طریق USB تغذیه شوند ، به طوری که سوئیچ تغذیه بر آنها تأثیر نمی گذارد.

منوی پمپ ها دارای 10 مورد است که در زیر فهرست شده و شرح داده شده است:

0 | شروع به پمپاژ ، حالت عملکرد بستگی به حالت انتخاب شده در حالت "6" دارد

1 | حجم تنظیم میزان دوز ، تنها در صورتی در نظر گرفته می شود که "دوز" در حالت "6" انتخاب شده باشد

2 | V. واحد: واحد حجم را تنظیم کنید ، گزینه ها عبارتند از: "میلی لیتر": میلی لیتر "uL": μL "پوسیدگی": چرخش (پمپ)

3 | سرعت را تنظیم کنید ، فقط در صورتی در نظر گرفته می شود که "Dose" یا "Pump" در حالت "6" انتخاب شده باشد

4 | واحد واحد: واحد حجم را تنظیم کنید ، گزینه ها عبارتند از: "میلی لیتر در دقیقه": میلی لیتر در دقیقه "uL/دقیقه": µL/دقیقه "دور در دقیقه": چرخش در دقیقه

5 | جهت: جهت پمپاژ را انتخاب کنید: "CW" برای چرخش در جهت عقربه های ساعت ، "CCW" برای خلاف جهت عقربه های ساعت

6 | حالت: تنظیم حالت کار: "دوز": حجم انتخاب شده (1 | حجم) را با سرعت جریان انتخاب شده (3 | سرعت) هنگام شروع "پمپ" دوز کنید: پمپ به طور مداوم با سرعت جریان انتخاب شده (3 | سرعت) هنگامی که شروع شد "Cal.": کالیبراسیون ، پمپ 30 بار چرخش را در زمان شروع به کار انجام می دهد

7 | کال. حجم کالیبراسیون را در میلی لیتر تنظیم کنید. برای کالیبراسیون ، پمپ یک بار در حالت کالیبراسیون کار می کند و حجم کالیبراسیون حاصله که پمپ شده اندازه گیری می شود.

8 | ذخیره تنظیمات. همه تنظیمات را در Arduinos EEPROM ذخیره کنید ، مقادیر هنگام خاموش نگه داشتن و بارگیری مجدد ، هنگامی که دوباره روشن می شود ، حفظ می شوند.

9 | USB Ctrl فعال کردن کنترل USB: پمپ به دستورات سریال ارسال شده از طریق USB واکنش نشان می دهد

مرحله 10: کالیبراسیون و دوز را امتحان کنید

انجام کالیبراسیون مناسب قبل از استفاده از پمپ برای دوز دقیق و پمپاژ بسیار مهم است. کالیبراسیون به پمپ می گوید که چقدر مایع در هر چرخش جابجا می شود ، بنابراین پمپ می تواند تعداد چرخش ها و سرعت مورد نیاز برای برآوردن مقادیر تعیین شده را محاسبه کند. برای شروع کالیبراسیون ، حالت "Cal" را انتخاب کنید. و شروع به پمپاژ یا ارسال دستور کالیبراسیون از طریق USB کنید. چرخه استاندارد کالیبراسیون 30 چرخش را در 30 ثانیه انجام می دهد. حجم مایع پمپ شده در طول این چرخه (حجم کالیبراسیون) باید به طور دقیق اندازه گیری شود. اطمینان حاصل کنید که اندازه گیری تحت تأثیر قطرات چسبیده به لوله ، وزن خود لوله یا هرگونه تداخل دیگر قرار نمی گیرد. توصیه می شود از مقیاس میکروگرم برای کالیبراسیون استفاده کنید ، زیرا اگر چگالی و وزن مقدار مایع پمپ شده مشخص باشد ، می توانید حجم را به راحتی محاسبه کنید. پس از اندازه گیری میزان کالیبراسیون ، می توانید پمپ را با تنظیم مقدار مورد منو "7 | Cal" تنظیم کنید. یا آن را به دستورات سریال خود وصل کنید.

لطفاً توجه داشته باشید که هرگونه تغییر پس از کالیبراسیون روی پایه لوله یا اختلاف فشار ، بر دقت پمپ تأثیر می گذارد. سعی کنید کالیبراسیون را همیشه در همان شرایط انجام دهید ، که بعداً از پمپ استفاده می شود. اگر لوله را بردارید و دوباره آن را در پمپ نصب کنید ، مقدار کالیبراسیون تا 10 درصد تغییر می کند ، زیرا تفاوتهای کمی در موقعیت و نیروی اعمال شده به پیچ ها وجود دارد. کشیدن روی لوله نیز موقعیت و در نتیجه مقدار کالیبراسیون را تغییر می دهد. اگر کالیبراسیون بدون اختلاف فشار انجام شود و بعداً از پمپ برای پمپاژ مایعات با فشار دیگر استفاده شود ، بر دقت تأثیر می گذارد. به یاد داشته باشید حتی اختلاف سطح یک متر می تواند اختلاف فشار 0.1 بار ایجاد کند ، که تأثیر کمی بر مقدار کالیبراسیون می گذارد ، حتی اگر پمپ با استفاده از لوله 0.8 میلی متر به فشار حداقل 1.5 بار برسد.

مرحله 11: رابط سریال - کنترل از راه دور از طریق USB

رابط سریال بر اساس رابط ارتباطی آردوینو از طریق USB (Baud 9600 ، 8 بیت داده ، بدون برابری ، یک بیت توقف) است. از هر نرم افزار یا زبان برنامه نویسی که بتواند داده ها را روی پورت سریال بنویسد می توان برای ارتباط با پمپ (MATLAB ، LabVIEW ، جاوا ، پایتون ، C#و غیره) استفاده کرد. همه عملکردهای پمپ با ارسال دستور مربوطه به پمپ قابل دسترسی است ، در پایان هر فرمان یک کاراکتر خط جدید '\ n' (ASCII 10) مورد نیاز است.

مقدار مصرف: d (حجم بر µL) ، (سرعت بر µL/min) ، (حجم کالیبراسیون بر µL) '\ n'

به عنوان مثال: d1000 ، 2000 ، 1462 '\ n' (دوز 1 میلی لیتر در 2 میلی لیتر در دقیقه ، حجم کالیبراسیون = 1.462 میلی لیتر)

پمپ: p (سرعت در µL/min) ، (حجم کالیبراسیون بر µL) '

به عنوان مثال: p2000 ، 1462 '\ n' (پمپ با 2 میلی لیتر در دقیقه ، حجم کالیبراسیون = 1.462 میلی لیتر)

کالیبراسیون: c '\ n'

توقف: x '\ n'

محیط Arduino (Arduino IDE) دارای یک مانیتور سریال داخلی است که می تواند داده های سریال را بخواند و بنویسد ، بنابراین دستورات سریال را می توان بدون هیچ کد نوشتاری آزمایش کرد.

مرحله 12: تجربیات خود را به اشتراک بگذارید و پمپ را بهبود بخشید

اگر پمپ ما را ساخته اید ، لطفاً تجربیات و پیشرفتهای خود را در زمینه نرم افزار و سخت افزار در موارد زیر به اشتراک بگذارید:

Thingiverse (قطعات چاپ شده سه بعدی)

GitHub (نرم افزار)

دستورالعمل ها (دستورالعمل ، سیم کشی ، کلی)

مرحله 13: درباره IGEM کنجکاو هستید؟

بنیاد iGEM (ماشین مهندسی ژنتیک بین المللی) یک سازمان مستقل و غیر انتفاعی است که به آموزش و رقابت ، پیشرفت زیست شناسی مصنوعی و توسعه یک جامعه باز و همکاری اختصاص داده شده است.

iGEM سه برنامه اصلی را اجرا می کند: مسابقه iGEM - یک مسابقه بین المللی برای دانشجویانی که در زمینه زیست شناسی مصنوعی علاقه مند هستند. برنامه آزمایشگاهها - برنامه ای برای آزمایشگاههای دانشگاهی برای استفاده از منابع مشابه تیمهای مسابقه ؛ و ثبت قطعات استاندارد بیولوژیکی - مجموعه ای رو به رشد از قطعات ژنتیکی که برای ساخت دستگاه ها و سیستم های بیولوژیکی استفاده می شود.

igem.org/Main_Page