Trình lấy mẫu tự động trình diễn: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Tài liệu hướng dẫn này được tạo ra để đáp ứng yêu cầu dự án của Makecourse tại Đại học Nam Florida (www.makecourse.com)

Lấy mẫu là một khía cạnh quan trọng của hầu hết mọi dụng cụ làm ướt vì chúng có thể được phân tích để cung cấp thông tin quan trọng cho nghiên cứu, công nghiệp, v.v. Tuy nhiên, tần suất lấy mẫu có thể tẻ nhạt và đòi hỏi phải có người thường xuyên để lấy mẫu kể cả cuối tuần, ngày lễ, v.v. Một bộ lấy mẫu tự động có thể làm giảm nhu cầu đó và loại bỏ nhu cầu lập lịch và duy trì lịch lấy mẫu cũng như nhân sự thực hiện nó. Trong Có thể hướng dẫn này, một bộ lấy mẫu tự động trình diễn được xây dựng như một hệ thống đơn giản có thể dễ dàng xây dựng và vận hành. Vui lòng xem video được liên kết để có cái nhìn tổng quan về sự phát triển của dự án này.

Sau đây là danh sách các vật liệu được sử dụng để xây dựng dự án này, tất cả các thành phần này có thể được tìm thấy trong các cửa hàng hoặc trực tuyến bằng cách tìm kiếm nhanh:

• Máy in 1 x 3-D
• 1 x Súng bắn keo nóng
• 3 x vít
• 1 x Tuốc nơ vít
• 1 x Arduino Uno
• 1 x Breadboard
• 1 x Cáp USB đến Arduino
• 1 x 12V, 1A Barrel Plug Nguồn điện bên ngoài
• 1 x Bơm nhu động 12V với trình điều khiển Iduino
• 1 x Động cơ bước Nema 17 w / EasyDriver
• 1 x Công tắc Reed từ tính
• 2 x Nút
• 1 x 25mL lọ mẫu
• 1 x 1,5 "x 1,5" khối xốp, rỗng
• Pin dây để kết nối Arduino và breadboard
• Phần mềm CAD (tức là Fusion 360 / AutoCAD)

Bước 1: Chế tạo hệ thống giá đỡ và thanh răng tuyến tính

Để nâng và hạ lọ để nhận mẫu, tôi đã sử dụng hệ thống giá đỡ và bánh răng tuyến tính lấy từ Thingiverse (https://www.thingiverse.com/thing:3037464) với công của tác giả: MechEngineerMike. Tuy nhiên, bất kỳ hệ thống giá đỡ và bánh răng có kích thước thích hợp nào cũng phải hoạt động. Hệ thống giá đỡ và bánh răng cụ thể này được gắn với nhau bằng vít. Trong khi một servo được hiển thị trong hình ảnh, một động cơ bước đã được sử dụng để cung cấp mô-men xoắn cần thiết.

Cài đặt in được đề xuất (để in tất cả các phần):

• Bè: Không
• Hỗ trợ: Không
• Độ phân giải:.2mm
• Đổ đầy: 10%
• Tùy thuộc vào chất lượng máy in 3-D của bạn, việc chà nhám các phần không hoàn hảo đã in sẽ giúp việc lắp ráp trơn tru hơn

Bước 2: Chế tạo chân đế

Để chứa khối cảm biến (sẽ thảo luận ở phần sau) và đường ống từ bơm nhu động để đổ đầy mẫu vào lọ, cần phải chế tạo một giá đỡ. Vì đây là một mô hình trình diễn trong đó các thay đổi sẽ cần được thực hiện trong quá trình thực hiện, nên một cách tiếp cận mô-đun đã được sử dụng. Mỗi khối được thiết kế theo cấu hình nam và nữ với ba chân / lỗ ở các đầu tương ứng để cho phép dễ dàng sửa đổi, lắp ráp và tháo rời. Khối xây dựng ở góc có chức năng như chân đế và đỉnh của giá đỡ, trong khi khối còn lại dùng để kéo dài chiều cao của giá đỡ. Quy mô của hệ thống phụ thuộc vào kích thước của mẫu muốn lấy. Các lọ 25mL được sử dụng cho hệ thống cụ thể này và các khối được thiết kế với các kích thước sau:

• Khối H x W X D: 1,5 "x 1,5" x 0,5"
• Bán kính Pin Nam / Nữ x Chiều dài: 0,125 "x 0,25"

Bước 3: Chế tạo khối cảm biến

Để đổ đầy mẫu vào lọ theo lệnh, một phương pháp dựa trên cảm biến đã được sử dụng. Một công tắc sậy từ tính được sử dụng để kích hoạt máy bơm nhu động khi hai từ tính được đưa lại gần nhau. Để thực hiện việc này khi lọ được nâng lên để nhận mẫu, các khối có cùng kích thước và kiểu dáng tương tự của khối được sử dụng để chế tạo giá đỡ được thiết kế nhưng có bốn lỗ ở gần mỗi góc để ghim (có cùng bán kính với nam / nữ ghim của các khối và chiều dài 2 "nhưng có đầu dày hơn một chút để ngăn khối trượt ra) với một lỗ có đường kính 0,3" khác ở giữa cho ống sẽ lấp đầy lọ. Hai khối cảm biến được xếp chồng lên nhau bằng các chốt đi qua các lỗ góc của mỗi khối. Phần cuối của các chốt được gắn chặt vào các lỗ góc của khối cảm biến trên cùng để ổn định khối, keo nóng đã được sử dụng nhưng hầu hết các chất kết dính khác cũng sẽ hoạt động. Với mỗi nửa của công tắc được gắn vào mặt bên của mỗi khối, khi lọ được nâng lên bởi hệ thống bánh răng và giá đỡ tuyến tính được kích hoạt để nhận mẫu, nó sẽ nâng khối dưới cùng lên dọc theo chiều dài của các chân để gặp cảm biến trên cùng. chặn và kết nối các công tắc từ, kích hoạt bơm nhu động. Lưu ý cần thiết kế các chốt và lỗ góc có đủ khe hở để khối dưới cùng có thể dễ dàng trượt lên xuống theo chiều dài của các chốt (ít nhất là 1/8”).

Bước 4: Điều khiển: Tạo mã và kết nối Arduino

Phần A: Mô tả mã

Để hệ thống hoạt động như dự kiến, bảng Arduino Uno được sử dụng để thực hiện các chức năng mong muốn này. Bốn thành phần chính yêu cầu điều khiển là: bắt đầu quá trình trong trường hợp này là các nút lên và xuống, động cơ bước để nâng và hạ giá tuyến tính và hệ thống bánh răng giữ lọ, công tắc sậy từ tính để kích hoạt khi khối cảm biến được nâng lên. bằng lọ, và máy bơm nhu động để bật và làm đầy lọ khi công tắc cây lau từ được kích hoạt. Để Arduino thực hiện các hành động mong muốn này cho hệ thống, mã thích hợp cho từng chức năng đã nêu cần được tải lên Arduino. Mã (được chú thích để dễ làm theo) được sử dụng trong hệ thống này bao gồm hai phần chính: mã chính và lớp động cơ bước bao gồm tiêu đề (.h) và C ++ (.cpp) và được đính kèm dưới dạng tệp pdf với tên tương ứng của chúng. Về mặt lý thuyết, mã này có thể được sao chép và dán nhưng cần được xem lại rằng không có lỗi chuyển giao. Mã chính là những gì thực sự thực hiện hầu hết các chức năng mong muốn cho dự án này và được phác thảo trong các phần tử chính bên dưới và có thể dễ dàng theo dõi trong mã đã nhận xét:

• Bao gồm lớp để vận hành động cơ bước
• Xác định tất cả các biến và vị trí ghim được chỉ định của chúng trên Arduino
• Xác định tất cả các thành phần giao diện làm đầu vào hoặc đầu ra cho Arduino, kích hoạt động cơ bước
• Câu lệnh if bật máy bơm nhu động nếu công tắc cây lau được kích hoạt (câu lệnh if này nằm trong tất cả các vòng lặp if và while khác để đảm bảo rằng chúng tôi liên tục kiểm tra xem máy bơm có được bật hay không)
• Tương ứng với câu lệnh if khi nhấn nút lên hoặc xuống để quay động cơ bước một số lần nhất định (sử dụng vòng lặp while) theo hướng tương ứng

Lớp động cơ bước về cơ bản là một bản thiết kế cho phép các lập trình viên điều khiển phần cứng tương tự với cùng một đoạn mã một cách thuận tiện; về mặt lý thuyết, bạn có thể sao chép điều này và sử dụng nó cho các động cơ bước khác nhau thay vì phải viết lại mã mỗi lần! Tệp tiêu đề hoặc tệp.h chứa tất cả các định nghĩa được xác định và sử dụng riêng cho lớp này (giống như xác định biến trong mã chính). Mã C ++ hoặc tệp.cpp là phần làm việc thực tế của lớp và dành riêng cho động cơ steppr.

Phần B: Thiết lập phần cứng

Vì Arduino chỉ cấp nguồn 5V nên động cơ bước và máy bơm nhu động yêu cầu 12V nên cần có nguồn điện bên ngoài và được tích hợp với các trình điều khiển thích hợp cho từng loại. Vì việc thiết lập các kết nối giữa breadboard, Arduino và các thành phần hoạt động có thể phức tạp và tẻ nhạt, một sơ đồ hệ thống dây dẫn đã được đính kèm để dễ dàng hiển thị thiết lập phần cứng của hệ thống để dễ dàng nhân rộng.

Bước 5: Lắp ráp

Với các bộ phận được in, phần cứng có dây và mã được thiết lập, đã đến lúc kết hợp mọi thứ lại với nhau.

1. Lắp ráp hệ thống giá đỡ và bánh răng với cánh tay của động cơ bước được lắp vào rãnh của bánh răng dùng cho động cơ servo (tham khảo hình ảnh ở bước 1).
2. Gắn khối xốp lên trên giá (tôi đã dùng keo nóng).
3. Chèn lọ vào khối xốp rỗng, (xốp có tác dụng cách nhiệt để chống lại sự suy giảm chất lượng của mẫu cho đến khi bạn có thể lấy ra).
4. Lắp ráp chân đế mô-đun với các khối góc cho đế và đỉnh, thêm nhiều khối khác để có chiều cao thích hợp tương ứng với chiều cao mà hệ thống giá đỡ và bánh răng nâng lên và hạ xuống. Khi cấu hình cuối cùng được thiết lập, bạn nên đặt chất kết dính vào các đầu cái của khối và cố định các đầu đực. Điều này đảm bảo một bong bóng mạnh mẽ và sẽ cải thiện tính toàn vẹn của hệ thống.
5. Gắn các nửa tương ứng của công tắc sậy từ tính vào mỗi khối cảm biến.
6. Đảm bảo rằng khối cảm biến phía dưới cảm biến di chuyển tự do dọc theo chiều dài của các chân (nghĩa là có đủ khe hở trong các lỗ).
7. Lắp ráp Arduino và các kết nối có dây thích hợp, tất cả chúng đều được đặt trong hộp đen trong hình ảnh cùng với động cơ bước.
8. Cắm cáp USB vào Arduino, sau đó cắm vào nguồn 5V.
9. Cắm nguồn điện bên ngoài vào ổ cắm (lưu ý để tránh có thể làm chập Arduino của bạn, điều rất quan trọng là phải thực hiện theo thứ tự này và đảm bảo rằng Arduino không chạm vào bất kỳ thứ gì bằng kim loại hoặc có dữ liệu được tải lên nó khi điều này đang cắm vào thiết bị bên ngoài Nguồn cấp).
10. Kiểm tra kỹ MỌI THỨ
11. Mẫu vật!

Bước 6: Mẫu

Xin chúc mừng! Bạn đã tạo trình lấy mẫu tự động trình diễn của riêng mình! Mặc dù trình lấy mẫu tự động này sẽ không thực tế để sử dụng trong phòng thí nghiệm, nhưng một vài sửa đổi sẽ làm cho nó trở nên như vậy! Hãy theo dõi hướng dẫn trong tương lai về việc nâng cấp trình lấy mẫu tự động trình diễn của bạn để có thể sử dụng trong phòng thí nghiệm thực tế! Trong thời gian này, hãy thoải mái giới thiệu công việc đáng tự hào của bạn và sử dụng nó khi bạn thấy phù hợp (có thể là một dụng cụ pha chế đồ uống ưa thích!)