משאבה פריסטלטית מדויקת: 13 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:16

אנו צוות סטודנטים מתחומים שונים של אוניברסיטת RWTH באאכן ויצרנו פרויקט זה במסגרת תחרות iGEM 2017.

אחרי כל העבודה שנכנסה למשאבה שלנו, נרצה לשתף אתכם בתוצאות שלנו!

בנינו את המשאבה הפריסטלטית הזו כפתרון טיפול נוזלי יציב לכל פרויקט הדורש הובלת נוזלים. המשאבה שלנו מסוגלת לבצע מינון ושאיבה מדויקים, ומספקת מגוון רחב של נפחי מינון ושיעורי זרימה כדי למקסם את היישומים האפשריים. באמצעות 125 ניסויי מינון הצלחנו להוכיח ולכמת את הדיוק של המשאבה שלנו. עבור צינורות עם קוטר פנימי 0, 8 מ מ וכל קצב זרימה או מינון בתוך המפרט נוכל להראות דיוק טוב יותר מסטייה של 2% מהערך שנקבע. בהתחשב בתוצאות המדידות, ניתן לשפר את הדיוק עוד יותר אם מהירות הכיול מותאמת לקצב הזרימה הנדרש.

ניתן לשלוט על המשאבה ללא ידע בתכנות באמצעות צג ה- LCD המובנה וכפתור סיבוב. בנוסף, ניתן לשלוט במשאבה מרחוק באמצעות USB באמצעות פקודות טוריות. דרך תקשורת פשוטה זו תואמת תוכנות ושפות תכנות נפוצות (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#וכו ').

המשאבה פשוטה וזולה לייצור, כאשר כל החלקים מסתכמים בפחות מ -100 $ לעומת 1300 $ עבור הפתרון המסחרי הזול ביותר שיכולנו למצוא. מלבד מדפסת תלת מימד, יש צורך רק בכלים נפוצים. הפרויקט שלנו הוא קוד פתוח מבחינת חומרה ותוכנה. אנו מספקים את קבצי CAD עבור החלקים המודפסים בתלת מימד, רשימה מלאה של כל הרכיבים המסחריים הנדרשים ומקורותיהם, וקוד המקור המשמש את המשאבה שלנו.

שלב 1: בדוק את המפרט

בדוק את המפרט ואת דיון הדיוק המצורף להלן.

האם המשאבה עונה על הדרישות שלך?

שלב 2: אסוף רכיבים

1x Arduino Uno R3/ לוח תואם 1x מנוע צעד (WxHxD): 42x42x41 מ"מ, פיר (ØxL): 5x22 mm1x ספק כוח 12 V/ 3 A, מחבר: 5.5/ 2.1 mm1x נהג מנוע צעד A49881x מודול LCD 16x2, (WxHxD): 80x36x13 mm3x מיסב מחטים HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 מ"מ x 8 מ"מ x 8 מ"מ 1x מקודד 5 V, 0.01 A, 20 תנוחות מתג, 360 ° 1x צינורות משאבה, עובי דופן 1.6 מ"מ, 0.2m4x רגל דבקה (L x רוחב x גובה) 12.6 x 12.6 x 5.7 mm3x סיכה ישר (Ø x L) 4 מ"מ x 14 mm1x ידית בקרה (Ø x H) 16.8 מ"מ x 14.5 mm1x פוטנציומטר/ גוזם 10k1x 220 Ohm Resistor1x קבל 47µF, 25V

חיווט: 1x PCB (L x B) 80 מ"מ x 52 מ"מ, מרווח מגע 2.54 מ"מ (CS) 2x רצועת פינים, ישר, CS 2.54, זרם נומינלי 3A, 36 פינים 1x רצועת שקעים, ישר, CS 2.54, זרם נומינלי 3A, 40 pins1x כבלים, בצבעים שונים (למשל Ø 2.5 מ"מ, חתך 0, 5 מ"מ) כיווץ חום (מתאים לכבלים, למשל Ø 3 מ"מ)

ברגים: 4x M3, L = 25 מ"מ (אורך ללא ראש), ISO 4762 (ראש משושה) 7x M3, L = 16 מ"מ, ISO 4762 (ראש משושה) 16x M3, L = 8 מ"מ, ISO 4762 (ראש משושה) 4x בורג הקשה קטן (עבור LCD, Ø 2-2.5 מ"מ, L = 3-6 מ"מ) 1x M3, L = בורג 10 מ"מ, DIN 9161x M3, אגוז, ISO 4032

חלקים מודפסים בתלת -ממד: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (הדפסה תלת -ממדית לא נחוצה => כרסום/חיתוך/ניסור) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

שלב 3: עיבוד פוסט של הדפסות תלת מימד

יש לנקות את החלקים המודפסים בתלת מימד לאחר ההדפסה כדי להסיר שאריות מתהליך ההדפסה. הכלים אותם אנו ממליצים לעיבוד לאחר עיבוד הם קובץ קטן וחותך חוטים עבור חוטי M3. לאחר תהליך ההדפסה יש להרחיב את רוב החורים באמצעות מקדחה מתאימה. עבור החורים המכילים ברגי M3, יש לחתוך חוט בעזרת חותך החוטים שהוזכר לעיל.

שלב 4: כבלים וחיווט

ליבת המעגל מורכבת מארדואינו ולוח פרפבורד. על לוח הלוח נמצא נהג מנוע הצעד, הגוזם עבור ה- LCD, הקבל 47µF וחיבורים לאספקת החשמל של הרכיבים השונים. על מנת לכבות את הארדואינו באמצעות מתג ההפעלה, אספקת החשמל של הארדואינו הופסקה והובילה ל- Perfboard. למטרה זו, הדיודה הממוקמת על הארדואינו ישירות מאחורי שקע החשמל לא מולחמה והובאה אל לוח הלוח במקום זאת.

שלב 5: הגדרות חומרה

ישנן שלוש הגדרות שצריך לבצע ישירות במעגל.

ראשית יש להגדיר את הגבול הנוכחי עבור נהג המנוע המדרגה, על ידי התאמת הבורג הקטן ב- A4988. לדוגמה, אם המתח V_ref בין הבורג ל- GND במצב ההפעלה הוא 1V, הגבול הנוכחי הוא כפול מהערך: I_max = 2A (זהו הערך שהשתמשנו בו). ככל שהזרם גבוה יותר, מומנט המנוע גבוה יותר, ומאפשר מהירויות ושיעורי זרימה גבוהים יותר. עם זאת, גם צריכת החשמל והתפתחות החום גדלים.

יתר על כן, ניתן להגדיר את מצב מנוע הצעד באמצעות שלוש הסיכות הממוקמות בפינה השמאלית העליונה של נהג מנוע הצעד (MS1, MS2, MS3). כאשר MS2 הוא + 5V, כפי שמוצג בתרשים החיווט, המנוע מופעל במצב של רבע שלב, בו השתמשנו. המשמעות היא שבדיוק צעד אחד (1.8 °) מתבצע עבור ארבע פולסים שמנהג מנוע הצעד מקבל בסיכת STEP.

כערך אחרון להגדרה, ניתן להשתמש בגוזם הלוח על מנת להתאים את הניגודיות של ה- LCD.

שלב 6: בדיקת מעגל ורכיבים

לפני ההרכבה מומלץ לבדוק את הרכיבים ואת המעגל על לוח לחם. בדרך זו, קל יותר למצוא ולתקן טעויות אפשריות.

אתה כבר יכול להעלות את התוכנה שלנו ל- Arduino, כדי לנסות את כל הפונקציות מראש. פרסמנו את קוד המקור ב- GitHub:

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

שלב 7: הרכבה

הסרטון מציג את הרכבת הרכיבים ברצף המיועד ללא החיווט. תחילה יש לחבר את כל המחברים לרכיבים. החיווט נעשה בצורה הטובה ביותר בנקודה שבה כל הרכיבים מוכנסים, אך דפנות הצד עדיין לא תוקנו. ניתן להגיע בקלות לברגים שקשה להגיע אליהם בעזרת מפתח ברגים.

1. הכנס את מתג ההפעלה ואת המקודד לחור הייעודי שלהם והדק אותם למארז. חבר את כפתור הבקרה למקודד - היזהר - לאחר שתחבר את הכפתור, הוא עלול להרוס את המקודד אם תנסה להסיר אותו שוב.

2. חבר את צג ה- LCD בעזרת ברגי הקשה קטנים, הקפד להלחם את הנגד והחיווט לתצוגה לפני ההרכבה.

3. קבע את לוח Arduino Uno למארז בעזרת ברגי M3 8 מ מ.

4. הכנס את מנוע הצעד והצמד אותו למארז יחד עם החלק המודפס בתלת -ממד (Pump_case_bottom) באמצעות ארבעה ברגי M3 בגודל 10 מ מ.

5. חבר את לוח ה perfboard למארז - וודא שהלחמת את כל הרכיבים ללוח ה- perfboard כפי שמוצג בתרשים החיווט.

6. חברו את החלקים האלקטרוניים בתוך המארז.

7. סגור את המארז על ידי הוספת לוחות הצד באמצעות ברגי M3 10x8 מ מ.

8. הרכיב את הר הנושא כפי שמוצג בסרטון והצמד אותו לפיר המנוע באמצעות בורג 3 מ מ

9. לבסוף, חבר את תמיכת הנגד להחזקת הצינור (Pump_case_top_120 °) בעזרת שני ברגים M3 25 מ"מ והכנס את הצינור. הכנס שני ברגי M3 בגודל 25 מ"מ כדי לשמור על הצינור במקומו במהלך תהליך המשאבה

שלב 8: הכנס צינורות

שלב 9: הכירו את ממשק המשתמש (שליטה ידנית)

ממשק המשתמש מספק שליטה מקיפה על המשאבה הפריסטלטית. הוא מורכב מתצוגת LCD, כפתור שליטה ומתג הפעלה. ניתן לסובב או ללחוץ על כפתור הבקרה.

סיבוב הכפתור מאפשר לבחור מתוך פריטי תפריט שונים, פריט התפריט בשורה העליונה נבחר כרגע. לחיצה על הכפתור תפעיל את פריט התפריט שנבחר, המסומן במלבן מהבהב. המלבן המהבהב מרמז על כך שפריט התפריט מופעל.

לאחר הפעלת פריט התפריט, הוא מתחיל בהתאם לפריט הנבחר או לפעולה או מאפשר לשנות את הערך המתאים על ידי סיבוב הכפתור. עבור כל פריטי התפריט המחוברים לערך מספרי ניתן להחזיק את הכפתור כדי לאפס את הערך לאפס או ללחוץ פעמיים כדי להגדיל את הערך בעשירית מהערך המקסימלי שלו. כדי להגדיר את הערך שנבחר ולבטל פריט בתפריט יש ללחוץ על הכפתור פעם שנייה.

מתג ההפעלה יכבה מיד את המשאבה ואת כל רכיביה (Arduino, מנוע צעד, נהג מנוע צעד, LCD), למעט כאשר המשאבה מחוברת באמצעות USB. ניתן להפעיל את ה- Arduino ואת ה- LCD באמצעות USB, כך שמתג ההפעלה לא ישפיע עליהם.

תפריט המשאבות כולל 10 פריטים, המפורטים ומתוארים להלן:

0 | התחל שאיבה, מצב הפעולה תלוי במצב שנבחר במצב "6)"

1 | נפח הגדר את עוצמת המינון, נחשב רק אם "מינון" נבחר במצב "6)"

2 | יחידת V.: הגדר את יחידת עוצמת הקול, האפשרויות הן: "מ"ל": מ"ל "uL": µL "ריקבון": סיבובים (של המשאבה)

3 | מהירות הגדר את קצב הזרימה, נחשב רק אם "מינון" או "משאבה" נבחרו במצב "6)"

4 | יחידת S.: הגדר את יחידת עוצמת הקול, האפשרויות הן: "מ"ל/דקה": מ"ל/דקה "uL/min": µL/min "סל"ד": סיבובים/דקה

5 | כיוון: בחר כיוון שאיבה: "CW" לסיבוב בכיוון השעון, "CCW" לכיוון כיוון השעון

6 | מצב: הגדר את מצב הפעולה: "מינון": מנה את עוצמת הקול שנבחרה (1 | נפח) בקצב הזרימה שנבחר (3 | מהירות) בעת ההפעלה "משאבה": משאבה ברציפות בקצב הזרימה שנבחר (3 | מהירות) כאשר התחיל "Cal.": כיול, המשאבה תבצע 30 סיבובים תוך 30 שניות בעת ההפעלה

7 | Cal. הגדר נפח כיול במ ל. לצורך כיול, המשאבה מופעלת פעם אחת במצב כיול ונמדדת נפח הכיול המתקבל שנשאב.

8 | שמור Set. שמור את כל ההגדרות ב- Arduinos EEPROM, הערכים נשמרים במהלך כיבוי והטעינה מחדש כאשר הכוח מופעל שוב.

9 | USB Ctrl הפעל את בקרת ה- USB: המשאבה מגיבה לפקודות סדרתיות שנשלחות באמצעות USB

שלב 10: כיול ונסה מינון

ביצוע כיול נכון לפני השימוש במשאבה הוא קריטי למינון ושאיבה מדויקים. הכיול יגיד למשאבה כמה נוזלים מועברים לסיבוב, כך שהמשאבה יכולה לחשב כמה סיבובים ואיזו מהירות נדרשת כדי לעמוד בערכים שנקבעו. כדי להתחיל את הכיול, בחר במצב "Cal". ולהתחיל לשאוב או לשלוח את פקודת הכיול באמצעות USB. מחזור הכיול הסטנדרטי יבצע 30 סיבובים תוך 30 שניות. יש למדוד את נפח הנוזל שנשאב במהלך מחזור זה (נפח כיול) במדויק. ודא כי המדידה אינה מושפעת מטיפות הדבקות בצינור, משקל הצינור עצמו או כל הפרעות אחרות. אנו ממליצים להשתמש בסולם מיקרוגרם לכיול, מכיוון שניתן לחשב בקלות את עוצמת הקול, אם ידוע על צפיפות ומשקל של כמות הנוזלים שנשאבה. לאחר שמדדת את עוצמת הכיול תוכל לכוונן את המשאבה על ידי הגדרת ערך פריט התפריט "7 | קל". או לצרף אותו לפקודות הטוריות שלך.

שים לב כי כל שינוי לאחר כיול לתושבת הצינורות או הפרש הלחץ ישפיע על הדיוק של המשאבה. נסה לבצע את הכיול תמיד באותם תנאים, שבהם המשאבה תשמש מאוחר יותר. אם תסיר את הצינור ותתקין אותו שוב במשאבה, ערך הכיול ישתנה עד 10%, שכן להבדלים קטנים במיקום ובכוח המופעלים על הברגים. משיכה בצינור תשנה גם את המיקום ולכן את ערך הכיול. אם הכיול מתבצע ללא הפרש לחץ והמשאבה משמשת מאוחר יותר לשאיבת נוזלים בלחץ אחר זה ישפיע על הדיוק. זכור שאפילו הפרש רמות של מטר אחד יכול ליצור הפרש לחץ של 0.1 בר, אשר תהיה לו השפעה קלה על ערך הכיול, גם אם המשאבה יכולה להגיע ללחץ של 1.5 בר לפחות באמצעות צינור של 0.8 מ מ.

שלב 11: ממשק סידורי - שלט רחוק באמצעות USB

הממשק הטורי מבוסס על ממשק התקשורת הטורי של הארדואינו באמצעות USB (באוד 9600, 8 סיביות נתונים, ללא זוגיות, ביט אחד). ניתן להשתמש בכל תוכנה או שפת תכנות המסוגלת לכתוב נתונים ליציאה טורית כדי לתקשר עם המשאבה (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#וכו '). כל הפונקציות של המשאבה נגישות על ידי שליחת הפקודה המתאימה למשאבה, בסוף כל פקודה נדרש תו שורה חדש / '(ASCII 10).

מינון: d (נפח ב- µL), (מהירות ב- µL/min), (נפח כיול ב- µL) '\ n'

למשל: d1000, 2000, 1462 '\ n' (מינון 1mL ב 2mL/min, נפח כיול = 1.462mL)

משאבה: p (מהירות ב- µL/min), (נפח כיול ב- µL) '\ n'

לדוגמא: p2000, 1462 '\ n' (משאבה במהירות 2mL/דקה, נפח כיול = 1.462mL)

כיול: c '\ n'

עצור: x '\ n'

בסביבת Arduino (Arduino IDE) יש צג טורי מובנה, שיכול לקרוא ולכתוב נתונים סדרתיים, ולכן ניתן לבדוק פקודות סדרתיות ללא כל קוד כתוב.

שלב 12: שתף את החוויות שלך ושפר את המשאבה

אם בנית את המשאבה שלנו, אנא שתף את חוויותיך ושיפוריך בתוכנה וחומרה על:

יקום (חלקים מודפסים בתלת מימד)

GitHub (תוכנה)

הוראות (הוראות, חיווט, כללי)

שלב 13: סקרן לגבי IGEM?

קרן iGEM (מכונה מהונדסת גנטית בינלאומית) היא ארגון עצמאי ללא מטרות רווח המוקדש לחינוך ותחרות, קידום הביולוגיה הסינתטית ופיתוח קהילה פתוחה ושיתוף פעולה.

iGEM מפעילה שלוש תוכניות עיקריות: תחרות iGEM - תחרות בינלאומית לסטודנטים המתעניינים בתחום הביולוגיה הסינתטית; תוכנית מעבדות - תוכנית למעבדות אקדמיות לשימוש באותם משאבים כמו צוותי התחרות; ומרשם החלקים הביולוגיים הסטנדרטיים - אוסף הולך וגדל של חלקים גנטיים המשמשים לבניית מכשירים ומערכות ביולוגיות.

igem.org/Main_Page