Bơm nhu động chính xác: 13 bước

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

Chúng tôi là một nhóm sinh viên đến từ các ngành khác nhau của Đại học RWTH Aachen và đã tạo ra dự án này trong khuôn khổ cuộc thi iGEM 2017.

Sau tất cả các công việc đã đi vào máy bơm của chúng tôi, chúng tôi muốn chia sẻ kết quả của chúng tôi với bạn!

Chúng tôi đã chế tạo máy bơm nhu động này như một giải pháp xử lý chất lỏng áp dụng chung cho bất kỳ dự án nào yêu cầu vận chuyển chất lỏng. Máy bơm của chúng tôi có khả năng định lượng và bơm chính xác, cung cấp nhiều thể tích định lượng và tốc độ dòng chảy để tối đa hóa các ứng dụng có thể. Thông qua 125 thí nghiệm định lượng, chúng tôi đã có thể chứng minh và định lượng độ chính xác của máy bơm của chúng tôi. Đối với ống có đường kính trong 0, 8 mm và bất kỳ lưu lượng hoặc thể tích định lượng nào trong thông số kỹ thuật, chúng tôi có thể hiển thị độ chính xác tốt hơn độ lệch 2% so với giá trị đặt. Với kết quả của các phép đo, độ chính xác có thể được cải thiện hơn nữa nếu tốc độ hiệu chuẩn được điều chỉnh theo tốc độ dòng chảy yêu cầu.

Máy bơm có thể được điều khiển mà không cần kiến thức lập trình thông qua màn hình LCD tích hợp và một núm xoay. Ngoài ra, máy bơm có thể được điều khiển từ xa qua cổng USB bằng các lệnh nối tiếp. Cách giao tiếp đơn giản này tương thích với phần mềm và ngôn ngữ lập trình phổ biến (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C #, v.v.).

Máy bơm được sản xuất đơn giản và không tốn kém, với tất cả các bộ phận có tổng giá trị dưới 100 đô la so với 1300 đô la cho giải pháp thương mại có thể so sánh rẻ nhất mà chúng tôi có thể tìm thấy. Bên cạnh một máy in 3D, chỉ cần các công cụ thông thường. Dự án của chúng tôi là mã nguồn mở về phần cứng và phần mềm. Chúng tôi cung cấp các tệp CAD cho các bộ phận được in 3D, danh sách đầy đủ tất cả các bộ phận thương mại được yêu cầu và nguồn của chúng cũng như mã nguồn được sử dụng trong máy bơm của chúng tôi.

Bước 1: Kiểm tra thông số kỹ thuật

Kiểm tra các thông số kỹ thuật và thảo luận về độ chính xác được đính kèm bên dưới.

Máy bơm có đáp ứng được yêu cầu của bạn không?

Bước 2: Thu thập các thành phần

1x Arduino Uno R3 / bo mạch tương thích1x Động cơ bước (WxHxD): 42x42x41 mm, Trục (ØxL): 5x22 mm1x Nguồn cung cấp 12 V / 3 A, đầu nối: 5.5 / 2.1 mm1x Trình điều khiển động cơ bước A49881x Mô-đun LCD 16x2, (WxHxD): 80x36x13 mm3x Vòng bi kim HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm1x Bộ mã hóa 5 V, 0,01 A, 20 vị trí chuyển đổi, 360 ° 1x Ống bơm, độ dày thành 1,6 mm, 0,2m4x Chân tự dính (L x W x H) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Chân thẳng (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Núm điều khiển (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm1x Chiết áp / Tông đơ 10k1x 220 Ohm Điện trở 1x Tụ điện 47µF, 25V

Dây: 1x PCB (L x W) 80 mm x 52 mm, Khoảng cách tiếp xúc 2,54 mm (CS) 2x Dải pin, thẳng, CS 2,54, dòng điện danh định 3A, 36 chân 1x Dải ổ cắm, thẳng, CS 2,54, đường cong danh nghĩa 3A, 40 chân1x Cáp, các màu khác nhau (ví dụ: Ø 2,5 mm, tiết diện 0, 5 mm²) Co nhiệt (thích hợp cho cáp, ví dụ: Ø 3 mm)

Vít: 4x M3, L = 25 mm (chiều dài không có đầu), ISO 4762 (đầu lục giác) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (đầu lục giác) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (đầu lục giác) 4x Vít điều chỉnh nhỏ (cho LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10 mm vít grub, DIN 9161x M3, đai ốc, ISO 4032

Các bộ phận được in 3D: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (không cần in 3D => phay / cắt / cưa) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Bước 3: Xử lý sau các bản in 3D

Các bộ phận được in 3D phải được làm sạch sau khi in để loại bỏ bất kỳ chất nào còn sót lại trong quá trình in. Các công cụ chúng tôi khuyên dùng để xử lý hậu kỳ là một tệp nhỏ và một máy cắt chỉ cho ren M3. Sau quá trình in, hầu hết các lỗ phải được mở rộng bằng cách sử dụng một mũi khoan thích hợp. Đối với các lỗ có chứa vít M3, một sợi phải được cắt bằng máy cắt ren đã đề cập ở trên.

Bước 4: Cáp & đấu dây

Phần lõi của mạch bao gồm Arduino và một bảng điều khiển. Trên bảng điều khiển perfboard là trình điều khiển động cơ bước, tông đơ cho màn hình LCD, tụ điện 47µF và các kết nối để cung cấp năng lượng cho các thành phần khác nhau. Để tắt Arduino bằng công tắc nguồn, nguồn điện của Arduino bị ngắt và dẫn đến Perfboard. Vì mục đích này, diode nằm trên Arduino ngay sau giắc cắm nguồn đã không được bán và thay vào đó được đưa đến bảng điều khiển.

Bước 5: Cài đặt phần cứng

Có ba cài đặt cần được thực hiện trực tiếp trên mạch.

Đầu tiên phải đặt giới hạn hiện tại cho trình điều khiển động cơ bước bằng cách điều chỉnh vít nhỏ trên A4988. Ví dụ, nếu điện áp V_ref giữa vít và GND ở trạng thái bật là 1V, giới hạn hiện tại gấp đôi giá trị: I_max = 2A (đây là giá trị chúng tôi đã sử dụng). Dòng điện càng cao, mô-men xoắn của động cơ càng cao, cho phép tốc độ và tốc độ dòng chảy cao hơn. Tuy nhiên, cũng như tiêu thụ điện năng và sự phát triển nhiệt tăng lên.

Hơn nữa, chế độ của động cơ bước có thể được thiết lập thông qua ba chân nằm ở phía trên bên trái của trình điều khiển động cơ bước (MS1, MS2, MS3). Khi MS2 ở mức + 5V, như thể hiện trong sơ đồ đấu dây, động cơ được vận hành ở chế độ một phần tư bước mà chúng tôi đã sử dụng. Điều này có nghĩa là chính xác một bước (1,8 °) được thực hiện cho bốn xung mà trình điều khiển động cơ bước nhận được tại chân STEP.

Là giá trị cuối cùng cần đặt, tông đơ trên bảng điều khiển có thể được sử dụng để điều chỉnh độ tương phản của màn hình LCD.

Bước 6: Kiểm tra mạch và linh kiện

Trước khi lắp ráp, bạn nên kiểm tra các thành phần và mạch trên bảng mạch. Bằng cách này, bạn sẽ dễ dàng tìm ra và sửa chữa những sai lầm có thể xảy ra.

Bạn đã có thể tải phần mềm của chúng tôi lên Arduino để thử trước tất cả các chức năng. Chúng tôi đã xuất bản mã nguồn trên GitHub:

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

Bước 7: Lắp ráp

Video cho thấy việc lắp ráp các thành phần theo trình tự đã định mà không cần đi dây. Trước tiên, tất cả các đầu nối phải được gắn vào các thành phần. Hệ thống dây điện được thực hiện tốt nhất tại điểm mà tất cả các thành phần đã được lắp vào, nhưng các bức tường bên vẫn chưa được cố định. Có thể dễ dàng tiếp cận các vít khó tiếp cận bằng cờ lê lục giác.

1. Chèn công tắc nguồn và bộ mã hóa vào lỗ được chỉ định của chúng và cố định chúng vào vỏ. Gắn núm điều khiển vào bộ mã hóa - hãy cẩn thận - khi bạn đã gắn núm này, nó có thể phá hủy bộ mã hóa nếu bạn cố gắng tháo nó ra lần nữa.

2. Gắn màn hình LCD bằng các vít khai thác nhỏ, đảm bảo hàn điện trở và dây dẫn vào màn hình trước khi lắp ráp.

3. Cố định bo mạch Arduino Uno vào vỏ bằng vít M3 8 mm.

4. Chèn mô tơ bước và gắn nó vào vỏ cùng với phần được in 3D (Pump_case_bottom) bằng bốn vít M3 10 mm.

5. Gắn bảng điều khiển vào vỏ - đảm bảo bạn đã hàn tất cả các thành phần vào bảng điều khiển như trong sơ đồ nối dây.

6. Nối dây các bộ phận điện tử bên trong vỏ máy.

7. Đóng vỏ bằng cách thêm các tấm bên bằng vít M3 10x 8 mm.

8. Lắp ráp giá đỡ ổ trục như trong video và gắn nó vào trục của động cơ bằng vít grub 3 mm

9. Cuối cùng, gắn giá đỡ bộ đếm để giữ ống (Pump_case_top_120 °) bằng hai vít M3 25 mm và lắp ống. Chèn hai vít M3 25 mm để giữ cho ống ở đúng vị trí trong quá trình bơm

Bước 8: Chèn ống

Bước 9: Làm quen với giao diện người dùng (điều khiển thủ công)

Giao diện người dùng cung cấp khả năng kiểm soát toàn diện máy bơm nhu động. Nó bao gồm một màn hình LCD, một núm điều khiển và một công tắc nguồn. Núm điều khiển có thể xoay hoặc đẩy.

Xoay núm cho phép chọn từ các mục menu khác nhau, mục menu ở dòng trên hiện đang được chọn. Nhấn núm sẽ kích hoạt mục menu đã chọn, được biểu thị bằng một hình chữ nhật nhấp nháy. Hình chữ nhật nhấp nháy ngụ ý rằng mục menu đã được kích hoạt.

Khi mục menu được kích hoạt, nó sẽ bắt đầu tùy thuộc vào mục đã chọn hoặc là một hành động hoặc cho phép thay đổi giá trị tương ứng bằng cách xoay núm. Đối với tất cả các mục menu được kết nối với một giá trị số, có thể giữ núm xoay để đặt lại giá trị về 0 hoặc đẩy hai lần để tăng giá trị lên một phần mười giá trị lớn nhất của nó. Để đặt giá trị đã chọn và hủy kích hoạt một mục menu, cần ấn núm này lần thứ hai.

Công tắc nguồn sẽ ngay lập tức tắt máy bơm và tất cả các thành phần của nó (Arduino, động cơ bước, trình điều khiển động cơ bước, màn hình LCD), ngoại trừ khi máy bơm được kết nối qua USB. Arduino và màn hình LCD có thể được cấp nguồn bằng USB, do đó, công tắc nguồn sẽ không ảnh hưởng đến chúng.

Menu máy bơm có 10 mục, được liệt kê và mô tả bên dưới:

0 | Khởi động Bắt đầu bơm, chế độ hoạt động tùy thuộc vào chế độ được chọn ở “6) Chế độ”

1 | Khối lượng Đặt khối lượng định lượng, chỉ được xem xét nếu “Liều lượng” được chọn ở “6) Chế độ

2 | V. Unit: Đặt đơn vị thể tích, các tùy chọn là: “mL”: mL “uL”: µL “rot”: số vòng quay (của bơm)

3 | Tốc độ Đặt tốc độ dòng chảy, chỉ được xem xét nếu “Liều lượng” hoặc “Bơm” được chọn ở “6) Chế độ

4 | S. Unit: Đặt đơn vị thể tích, các tùy chọn là: “mL / phút”: mL / phút “uL / phút”: µL / phút “rpm”: vòng quay / phút

5 | Hướng: Chọn hướng bơm: “CW” để quay theo chiều kim đồng hồ, “CCW” cho ngược chiều kim đồng hồ

6 | Chế độ: Đặt chế độ hoạt động: “Liều lượng”: định liều lượng thể tích đã chọn (1 | Thể tích) ở tốc độ dòng chảy đã chọn (3 | Tốc độ) khi khởi động “Bơm”: bơm liên tục ở tốc độ dòng chảy đã chọn (3 | Tốc độ) khi đã bắt đầu “Cal.”: Hiệu chuẩn, máy bơm sẽ thực hiện 30 vòng quay trong 30 giây khi khởi động

7 | Cal. Đặt thể tích hiệu chuẩn tính bằng mL. Để hiệu chuẩn, máy bơm được chạy một lần ở chế độ hiệu chuẩn và thể tích hiệu chuẩn kết quả đã được bơm được đo.

8 | Save Sett Lưu tất cả cài đặt vào Arduinos EEPROM, các giá trị được giữ lại trong quá trình tắt nguồn và tải lại, khi nguồn được bật lại

9 | USB Ctrl Kích hoạt USB Control: Bơm phản ứng với các lệnh nối tiếp được gửi qua USB

Bước 10: Hiệu chuẩn và thử liều lượng

Thực hiện hiệu chuẩn thích hợp trước khi sử dụng máy bơm là rất quan trọng để định lượng và bơm chính xác. Việc hiệu chuẩn sẽ cho máy bơm biết lượng chất lỏng được di chuyển trên mỗi vòng quay, do đó máy bơm có thể tính toán có bao nhiêu vòng quay và tốc độ nào là cần thiết để đáp ứng các giá trị đã đặt. Để bắt đầu hiệu chuẩn, hãy chọn Chế độ “Cal.” và bắt đầu bơm hoặc gửi lệnh hiệu chuẩn qua USB. Chu kỳ hiệu chuẩn tiêu chuẩn sẽ thực hiện 30 lần quay trong 30 giây. Thể tích chất lỏng được bơm trong chu kỳ này (thể tích hiệu chuẩn) phải được đo chính xác. Đảm bảo rằng phép đo không bị ảnh hưởng bởi các giọt dính vào ống, trọng lượng của bản thân ống hoặc bất kỳ vật cản nào khác. Chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng thang đo microgram để hiệu chuẩn, vì bạn có thể dễ dàng tính thể tích, nếu biết mật độ và trọng lượng của lượng chất lỏng được bơm. Sau khi đo thể tích hiệu chuẩn, bạn có thể điều chỉnh máy bơm bằng cách cài đặt giá trị của mục menu “7 | Cal.” hoặc gắn nó vào các lệnh nối tiếp của bạn.

Xin lưu ý rằng bất kỳ thay đổi nào sau khi hiệu chuẩn đối với giá đỡ ống hoặc chênh lệch áp suất sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của máy bơm. Cố gắng thực hiện hiệu chuẩn luôn ở cùng các điều kiện, tại đó máy bơm sẽ được sử dụng sau này. Nếu bạn tháo ống và lắp lại vào máy bơm, giá trị hiệu chuẩn sẽ thay đổi tối đa 10%, do có sự khác biệt nhỏ về vị trí và lực tác dụng lên các vít. Việc kéo ống cũng sẽ thay đổi vị trí và do đó giá trị hiệu chuẩn. Nếu hiệu chuẩn được thực hiện mà không có sự chênh lệch áp suất và máy bơm sau đó được sử dụng để bơm chất lỏng ở áp suất khác thì nó sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác. Hãy nhớ rằng ngay cả khi chênh lệch mức một mét cũng có thể tạo ra chênh lệch áp suất 0,1 bar, điều này sẽ ảnh hưởng nhẹ đến giá trị hiệu chuẩn, ngay cả khi máy bơm có thể đạt áp suất ít nhất 1,5 bar bằng cách sử dụng ống 0,8 mm.

Bước 11: Giao diện nối tiếp - Điều khiển từ xa qua USB

Giao diện nối tiếp dựa trên giao diện giao tiếp nối tiếp của Arduino qua USB (Baud 9600, 8 bit dữ liệu, không có chẵn lẻ, một bit dừng). Bất kỳ phần mềm hoặc ngôn ngữ lập trình nào có khả năng ghi dữ liệu vào cổng nối tiếp đều có thể được sử dụng để giao tiếp với máy bơm (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C #, v.v.). Tất cả các chức năng của máy bơm đều có thể truy cập được bằng cách gửi lệnh tương ứng đến máy bơm, ở cuối mỗi lệnh, cần có một ký tự dòng mới '\ n' (ASCII 10).

Liều lượng: d (thể tích tính bằng µL), (tốc độ tính bằng µL / phút), (thể tích hiệu chuẩn tính bằng µL) '\ n'

ví dụ: d1000, 2000, 1462 '\ n' (định lượng 1mL ở 2mL / phút, thể tích hiệu chuẩn = 1.462mL)

Bơm: p (tốc độ tính bằng µL / phút), (thể tích hiệu chuẩn tính bằng µL) '\ n'

ví dụ: p2000, 1462 '\ n' (bơm ở 2mL / phút, thể tích hiệu chuẩn = 1.462mL)

Hiệu chỉnh: c '\ n'

Dừng lại: x '\ n'

Môi trường Arduino (Arduino IDE) có một màn hình nối tiếp tích hợp, có thể đọc và ghi dữ liệu nối tiếp, do đó, các lệnh nối tiếp có thể được kiểm tra mà không cần bất kỳ mã viết nào.

Bước 12: Chia sẻ kinh nghiệm của bạn và cải tiến máy bơm

Nếu bạn đã chế tạo máy bơm của chúng tôi, vui lòng chia sẻ kinh nghiệm và cải tiến của bạn về phần mềm và phần cứng trên:

Thingiverse (các bộ phận in 3D)

GitHub (phần mềm)

Tài liệu hướng dẫn (hướng dẫn, hệ thống dây điện, chung)

Bước 13: Tò mò về IGEM?

Tổ chức iGEM (Máy kỹ thuật di truyền quốc tế) là một tổ chức độc lập, phi lợi nhuận, dành riêng cho giáo dục và cạnh tranh, sự tiến bộ của sinh học tổng hợp và sự phát triển của một cộng đồng cởi mở và cộng tác.

iGEM thực hiện ba chương trình chính: Cuộc thi iGEM - cuộc thi quốc tế dành cho sinh viên quan tâm đến lĩnh vực sinh học tổng hợp; Chương trình Phòng thí nghiệm - một chương trình dành cho các phòng thí nghiệm học thuật sử dụng các nguồn lực giống như các đội thi; và Cơ quan đăng ký các bộ phận sinh học tiêu chuẩn - một bộ sưu tập ngày càng tăng của các bộ phận di truyền được sử dụng để xây dựng các thiết bị và hệ thống sinh học.

igem.org/Main_Page