Hassas Peristaltik Pompa: 13 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:20

RWTH Aachen Üniversitesi'nin farklı disiplinlerinden bir öğrenci ekibiyiz ve bu projeyi 2017 iGEM yarışması bağlamında oluşturduk.

Pompamıza yapılan tüm çalışmalardan sonra sonuçlarımızı sizinle paylaşmak istiyoruz!

Bu peristaltik pompayı, sıvıların taşınmasını gerektiren herhangi bir proje için genel olarak uygulanabilir sıvı taşıma çözümü olarak yaptık. Pompamız, olası uygulamaları en üst düzeye çıkarmak için çok çeşitli dozaj hacimleri ve akış oranları sağlayarak hassas dozlama ve pompalama yeteneğine sahiptir. 125 dozlama deneyi ile pompamızın doğruluğunu gösterebildik ve ölçebildik. 0, 8 mm iç çapa ve spesifikasyonlar dahilindeki herhangi bir akış hızı veya dozaj hacmine sahip bir boru için, ayarlanan değerden %2'den daha iyi bir doğruluk gösterebiliriz. Ölçümlerin sonuçları göz önüne alındığında, kalibrasyon hızı gerekli akış hızına ayarlanırsa doğruluk daha da geliştirilebilir.

Pompa, yerleşik LCD ekran ve döner düğme aracılığıyla programlama bilgisi olmadan kontrol edilebilir. Ayrıca pompa seri komutlarla USB üzerinden uzaktan kontrol edilebilir. Bu basit iletişim yolu, yaygın yazılım ve programlama dilleriyle (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#, vb.) uyumludur.

Bulabildiğimiz en ucuz karşılaştırılabilir ticari çözüm için 1300 $ ile karşılaştırıldığında, tüm parçaların toplamı 100 $ 'dan az olan pompanın üretimi basit ve ucuzdur. Bir 3D yazıcının yanı sıra, yalnızca yaygın araçlara ihtiyaç vardır. Projemiz donanım ve yazılım olarak açık kaynak kodludur. 3D baskılı parçalar için CAD dosyalarını, gerekli tüm ticari bileşenlerin ve kaynaklarının tam listesini ve pompamızda kullanılan kaynak kodunu sağlıyoruz.

1. Adım: Spesifikasyonları Kontrol Edin

Spesifikasyonları ve aşağıda ekli doğruluk tartışmasını kontrol edin.

Pompa ihtiyaçlarınızı karşılıyor mu?

Adım 2: Bileşenleri Toplayın

1x Arduino Uno R3/ uyumlu kart1x Step motor (GxYxD): 42x42x41 mm, Mil (ØxU): 5x22 mm1x Güç kaynağı 12 V/ 3 A, konnektör: 5,5 / 2,1 mm1x Step motor sürücü A49881x LCD modül 16x2, (GxYxD): 80x36x13 mm3x İğneli yatak HK 0408 (IØ x OØ x U) 4 mm x 8 mm x 8mm1x Enkoder 5 V, 0,01 A, 20 anahtar konumu, 360 °1x Pompa hortumu, 1,6 mm duvar kalınlığı, 0,2m4x Kendinden yapışkanlı ayak (U x G x Y) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Düz pim (Ø x U) 4 mm x 14 mm1x Kontrol düğmesi (Ø x Y) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potansiyometre/ Kırpıcı 10k1x 220 Ohm Direnç1x Kondansatör 47µF, 25V

Kablolama:1x PCB (U x G) 80 mm x 52 mm, Kontak aralığı 2,54 mm (CS)2x Pin şeridi, düz, CS 2.54, nominal akım 3A, 36 pim1x Soket şeridi, düz, CS 2.54, nominal akım 3A, 40 pins1x Kablolar, farklı renkler (örn. Ø 2,5 mm, kesit 0, 5 mm²)Isıyla daralan (kablolar için uygun, örneğin Ø 3 mm)

Vidalar:4x M3, U = 25 mm (başsız uzunluk), ISO 4762 (altıgen başlı)7x M3, U = 16 mm, ISO 4762 (altıgen başlı)16x M3, U = 8 mm, ISO 4762 (altıgen başlı)4x Küçük kılavuz vida (LCD için, Ø 2-2,5 mm, U = 3-6 mm)1x M3, L=10 mm başsız vida, DIN 9161x M3, somun, ISO 4032

3B yazdırılan parçalar: (Thingiverse)1x Case_main2 x Case_side (3B yazdırma gerekli değil => frezeleme/kesme/testere)1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120°1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

3. Adım: 3D Baskıların Sonradan İşlenmesi

3D baskılı parçalar, baskı işleminden kalan kalıntıları gidermek için baskıdan sonra temizlenmelidir. Son işleme için önerdiğimiz araçlar küçük bir dosya ve M3 dişler için bir diş kesicidir. Baskı işleminden sonra deliklerin çoğu uygun bir matkapla genişletilmelidir. M3 vida içeren delikler için yukarıda belirtilen diş kesici ile bir diş kesilmelidir.

Adım 4: Kablolar ve Kablolama

Devrenin çekirdeği Arduino ve bir perfboard'dan oluşur. Perfboard üzerinde step motor sürücüsü, LCD için düzeltici, 47µF kapasitör ve çeşitli bileşenlerin güç kaynağı için bağlantılar bulunur. Arduino'yu güç düğmesinden kapatmak için Arduino'nun güç kaynağı kesildi ve Perfboard'a yönlendirildi. Bu amaçla, Arduino'da doğrudan güç girişinin arkasında bulunan diyot lehimlenmemiş ve yerine perfboard'a getirilmiştir.

Adım 5: Donanım Ayarları

Doğrudan devre üzerinde yapılması gereken üç ayar vardır.

Öncelikle A4988 üzerindeki küçük vida ayarlanarak step motor sürücüsü için akım limiti ayarlanmalıdır. Örneğin, açık durumdayken vida ile GND arasındaki V_ref voltajı 1V ise, akım sınırı değerin iki katıdır: I_max = 2A (bu bizim kullandığımız değerdir). Akım ne kadar yüksek olursa, motorun torku o kadar yüksek olur, bu da daha yüksek hızlara ve akış oranlarına izin verir. Bununla birlikte, güç tüketimi ve ısı gelişimi de artar.

Ayrıca step motorun modu, step motor sürücüsünün sol üst tarafında bulunan üç pin (MS1, MS2, MS3) üzerinden ayarlanabilmektedir. MS2 + 5V iken bağlantı şemasında görüldüğü gibi motor bizim kullandığımız çeyrek adım modunda çalıştırılmaktadır. Bu, step motor sürücüsünün STEP pininde aldığı dört darbe için tam olarak bir adımın (1.8 °) gerçekleştirildiği anlamına gelir.

Ayarlanacak son değer olarak, LCD'nin kontrastını ayarlamak için perfboard üzerindeki düzeltici kullanılabilir.

Adım 6: Devreyi ve Bileşenleri Test Edin

Montajdan önce bileşenlerin ve devrenin bir devre tahtası üzerinde test edilmesi önerilir. Bu sayede olası hataları bulmak ve düzeltmek daha kolaydır.

Tüm fonksiyonları önceden denemek için yazılımımızı Arduino'ya yükleyebilirsiniz. Kaynak kodunu GitHub'da yayınladık:

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

Adım 7: Montaj

Video, bileşenlerin kablolama olmadan istenen sırayla montajını gösterir. Tüm konektörler önce bileşenlere takılmalıdır. Kablolama en iyi tüm bileşenlerin yerleştirildiği noktada yapılır, ancak yan duvarlar henüz sabitlenmemiştir. Ulaşılması zor vidalara altıgen anahtarla kolayca ulaşılabilir.

1. Güç anahtarını ve kodlayıcıyı belirtilen deliğe sokun ve kasaya sabitleyin. Kontrol düğmesini kodlayıcıya takın – dikkatli olun – düğmeyi bir kez taktığınızda, tekrar çıkarmaya çalışırsanız kodlayıcıyı yok edebilir.

2. LCD ekranı küçük kılavuz vidalarla tutturun, montajdan önce rezistörü ve kabloları ekrana lehimlediğinizden emin olun.

3. Arduino Uno kartını 8 mm M3 vida kullanarak kasaya sabitleyin.

4. Adım motoru takın ve dört adet 10 mm M3 vida kullanarak 3D baskılı parça (Pump_case_bottom) ile birlikte kasaya takın.

5. Perfboard'u kasaya takın – tüm bileşenleri perfboard'a bağlantı şemasında gösterildiği gibi lehimlediğinizden emin olun.

6. Elektronik parçaları kasanın içine bağlayın.

7. 10x 8 mm M3 vidalar kullanarak yan panelleri ekleyerek kasayı kapatın.

8. Rulman yatağını videoda gösterildiği gibi monte edin ve 3 mm'lik bir başsız vida kullanarak motor miline sabitleyin.

9. Son olarak, tüpü tutmak için karşı desteği (Pump_case_top_120°) iki adet 25 mm M3 vidayla takın ve tüpü yerleştirin. Pompa işlemi sırasında boruyu yerinde tutmak için iki adet 25 mm M3 vidayı takın

Adım 8: Boruyu Yerleştirin

Adım 9: Kullanıcı Arayüzünü Tanıyın (manuel Kontrol)

Kullanıcı arayüzü, peristaltik pompanın kapsamlı kontrolünü sağlar. Bir LCD ekran, bir kontrol düğmesi ve bir güç anahtarından oluşur. Kontrol düğmesi çevrilebilir veya itilebilir.

Düğmeyi çevirmek farklı menü öğeleri arasından seçim yapmanızı sağlar, üst satırdaki menü öğesi halihazırda seçilidir. Düğmeye basmak, yanıp sönen bir dikdörtgenle gösterilen seçili menü öğesini etkinleştirecektir. Yanıp sönen dikdörtgen, menü öğesinin etkinleştirildiğini gösterir.

Menü öğesi etkinleştirildiğinde, seçilen öğeye bağlı olarak ya bir eylem başlar ya da düğmeyi çevirerek karşılık gelen değerin değiştirilmesine izin verir. Sayısal bir değere bağlı tüm menü öğeleri için, değeri sıfıra sıfırlamak için düğme tutulabilir veya değeri maksimum değerinin onda biri kadar artırmak için iki kez basılabilir. Seçilen değeri ayarlamak ve bir menü öğesini devre dışı bırakmak için düğmeye ikinci kez basılması gerekir.

Güç anahtarı, pompanın USB ile bağlı olduğu durumlar dışında, pompayı ve tüm bileşenlerini (Arduino, step motor, step motor sürücüsü, LCD) hemen kapatacaktır. Arduino ve LCD, USB ile çalıştırılabilir, böylece güç anahtarı onları etkilemez.

Pompalar menüsü, aşağıda listelenen ve açıklanan 10 öğeye sahiptir:

0|BaşlatPompalamayı başlat, çalışma modu “6) Modunda seçilen moda bağlıdır

1|VolumeDozlama hacmini ayarlayın, yalnızca “6) Modunda “Doz” seçildiğinde dikkate alınır.

2|V. Unit: Hacim birimini ayarlayın, seçenekler şunlardır: “mL”: mL“uL”: µL“rot”: dönüşler (pompanın)

3|Hız Debiyi ayarlayın, sadece “6) Modunda “Doz” veya “Pompa” seçildiğinde dikkate alınır.

4|S. Birim: Hacim birimini ayarlayın, seçenekler şunlardır: “mL/min”: mL/min“uL/min”: µL/min“rpm”: dönüş/dakika

5|Yön:Pompalama yönünü seçin: Saat yönünde dönüş için “CW”, saat yönünün tersine dönüş için “CCW”

6|Mod:Çalışma modunu ayarla:“Doz”: başlatıldığında seçilen hacmi (1|Hacim) seçilen akış hızında (3|Hız) dozlayın“Pompa”: başlatıldı“Cal.”: Kalibrasyon, pompa başlatıldığında 30 saniyede 30 dönüş gerçekleştirir

7|Cal. Kalibrasyon hacmini mL olarak ayarlayın. Kalibrasyon için pompa kalibrasyon modunda bir kez çalıştırılır ve elde edilen pompalanan kalibrasyon hacmi ölçülür.

8|Save Sett. Save Sett. Tüm ayarları Arduinos EEPROM'a kaydedin, güç kapatıldığında ve yeniden yüklendiğinde, güç tekrar açıldığında değerler korunur

9|USB CtrlUSB Kontrolünü Etkinleştir: Pompa, USB aracılığıyla gönderilen seri komutlara tepki verir

Adım 10: Kalibrasyon ve Dozlamayı Deneyin

Pompayı kullanmadan önce uygun bir kalibrasyon yapmak, hassas dozlama ve pompalama için çok önemlidir. Kalibrasyon, pompaya devir başına ne kadar sıvının hareket ettirildiğini söyler, böylece pompa, ayarlanan değerleri karşılamak için kaç devir ve hangi hızın gerektiğini hesaplayabilir. Kalibrasyonu başlatmak için “Cal” Modunu seçin. ve pompalamaya başlayın veya kalibrasyon komutunu USB üzerinden gönderin. Standart kalibrasyon döngüsü 30 saniyede 30 dönüş gerçekleştirecektir. Bu döngü sırasında pompalanan sıvının hacmi (kalibrasyon hacmi) tam olarak ölçülmelidir. Ölçümün boruya yapışan damlalardan, borunun kendi ağırlığından veya başka herhangi bir müdahaleden etkilenmediğinden emin olun. Pompalanan sıvının yoğunluğu ve ağırlığı biliniyorsa hacmi kolayca hesaplayabileceğiniz için kalibrasyon için bir mikrogram ölçeği kullanmanızı öneririz. Kalibrasyon hacmini ölçtüğünüzde, “7|Cal” menü öğesinin değerini ayarlayarak pompayı ayarlayabilirsiniz. veya seri komutlarınıza ekleyerek.

Lütfen boru montajında yapılan kalibrasyondan sonra veya basınç farkının pompanın hassasiyetini etkileyeceğini unutmayın. Kalibrasyon işlemini her zaman pompanın daha sonra kullanılacağı koşullarda gerçekleştirmeye çalışın. Hortumu çıkarıp pompaya tekrar takarsanız, konumlandırmadaki küçük farklılıklar ve vidalara uygulanan kuvvet nedeniyle kalibrasyon değeri %10'a kadar değişecektir. Hortumun çekilmesi de konumlandırmayı ve dolayısıyla kalibrasyon değerini değiştirecektir. Kalibrasyon basınç farkı olmadan yapılırsa ve pompa daha sonra sıvıları başka bir basınçta pompalamak için kullanılırsa, hassasiyeti etkiler. Bir metrelik seviye farkının bile 0,1 barlık bir basınç farkı yaratabileceğini ve bunun kalibrasyon değeri üzerinde hafif bir etkisi olacağını unutmayın, pompa 0,8 mm boru kullanarak en az 1,5 bar basınca ulaşabilse bile.

Adım 11: Seri Arayüz – USB Üzerinden Uzaktan Kontrol

Seri arayüz, Arduino'nun USB üzerinden seri iletişim arayüzüne dayanmaktadır (Baud 9600, 8 veri biti, parite yok, bir stop biti). Bir seri porta veri yazabilen herhangi bir yazılım veya programlama dili, pompa ile iletişim kurmak için kullanılabilir (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#, vb.). Pompanın tüm işlevlerine pompaya ilgili komut gönderilerek erişilebilir, her komutun sonunda yeni bir satır karakteri '\n' (ASCII 10) gereklidir.

Doz: d(µL olarak hacim), (µL/dak olarak hız), (µL olarak kalibrasyon hacmi)'\n'

ör.: d1000, 2000, 1462'\n' (2 mL/dk'da 1 mL dozlama, kalibrasyon hacmi = 1.462 mL)

Pompa: p(µL/dak olarak hız), (µL olarak kalibrasyon hacmi)'\n'

ör.: p2000, 1462'\n' (2mL/dk'da pompa, kalibrasyon hacmi = 1.462mL)

Kalibre et: c'\n'

Dur: x'\n'

Arduino ortamında (Arduino IDE) seri verileri okuyabilen ve yazabilen yerleşik bir seri monitör bulunur, bu nedenle seri komutlar herhangi bir yazılı kod olmadan test edilebilir.

Adım 12: Deneyimlerinizi Paylaşın ve Pompayı Geliştirin

Pompamızı siz kurduysanız, lütfen yazılım ve donanımdaki deneyimlerinizi ve iyileştirmelerinizi aşağıdakilerle paylaşın:

Thingiverse (3D baskılı parçalar)

GitHub (yazılım)

Talimatlar (talimatlar, kablolama, genel)

Adım 13: IGEM'i Merak Ediyor musunuz?

iGEM (uluslararası Genetik Olarak Tasarlanmış Makine) Vakfı, eğitim ve rekabete, sentetik biyolojinin ilerlemesine ve açık bir topluluk ve işbirliğinin geliştirilmesine adanmış bağımsız, kar amacı gütmeyen bir kuruluştur.

iGEM üç ana program yürütür: iGEM Yarışması - sentetik biyoloji alanıyla ilgilenen öğrenciler için uluslararası bir yarışma; Laboratuar Programı - akademik laboratuarların yarışma ekipleriyle aynı kaynakları kullanması için bir program; ve Standart Biyolojik Parçalar Kaydı - biyolojik cihazlar ve sistemler oluşturmak için kullanılan büyüyen bir genetik parça koleksiyonu.

igem.org/Main_Page