Autocampionatore dimostrativo: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Questo istruttivo è stato creato in adempimento del requisito del progetto del Makecourse presso la University of South Florida (www.makecourse.com)

Il campionamento è un aspetto importante di quasi tutti i wetlab in quanto possono essere analizzati per fornire informazioni importanti per la ricerca, l'industria, ecc. Tuttavia la frequenza del campionamento può essere noiosa e richiedere la frequente presenza di qualcuno per prelevare detto campione, compresi i fine settimana, le vacanze, ecc. Un campionatore automatico può alleviare tale richiesta ed elimina la necessità di programmare e mantenere un programma di campionamento e il personale per eseguirlo. In questo Instructable è stato costruito un autocampionatore dimostrativo come un sistema semplice che può essere facilmente costruito e utilizzato. Si prega di guardare il video collegato per intravedere una panoramica dello sviluppo di questo progetto.

Di seguito è riportato un elenco dei materiali utilizzati per costruire questo progetto, tutti questi componenti dovrebbero essere reperibili nei negozi o online con una rapida ricerca:

• 1 x stampante 3D
• 1 x pistola per colla a caldo
• 3 x viti
• 1 x cacciavite
• 1 x Arduino Uno
• 1 x tagliere
• 1 x cavo da USB ad Arduino
• 1 x 12V, 1A Barrel Plug alimentatore esterno
• 1 pompa peristaltica 12V con driver Iduino
• 1 x motore passo-passo Nema 17 con EasyDriver
• 1 x interruttore magnetico reed
• 2 x pulsanti
• 1 fiala di campione da 25 ml
• 1 x 1,5" x 1,5" blocco di polistirolo, scavato
• Cavi pin per il collegamento di Arduino e breadboard
• Software CAD (ad esempio Fusion 360/AutoCAD)

Passaggio 1: fabbricare un sistema a pignone e cremagliera lineare

Per alzare e abbassare la fiala per ricevere il campione, ho utilizzato un sistema a pignone e cremagliera lineare preso da Thingiverse (https://www.thingiverse.com/thing:3037464) con credito dovuto all'autore: MechEngineerMike. Tuttavia, qualsiasi sistema a pignone e cremagliera di dimensioni adeguate dovrebbe funzionare. Questo particolare sistema a cremagliera e pignone è montato insieme a viti. Mentre un servo è mostrato nelle immagini, è stato utilizzato un motore passo-passo per fornire la coppia necessaria.

Impostazioni di stampa consigliate (per stampare tutti i pezzi):

• Zattere: No
• Supporta: No
• Risoluzione: 0,2 mm
• Riempimento: 10%
• A seconda della qualità della stampante 3D, la levigatura delle imperfezioni stampate renderà l'assemblaggio più fluido

Passaggio 2: fabbricare il supporto

Per alloggiare il blocco sensore (discusso in seguito) e il tubo dalla pompa peristaltica per riempire la fiala con il campione, è necessario fabbricare un supporto. Poiché si tratta di un modello dimostrativo in cui è necessario apportare modifiche lungo il percorso, è stato utilizzato un approccio modulare. Ogni blocco è stato progettato come configurazione da maschio a femmina con tre perni/fori alle rispettive estremità per consentire una facile modifica, montaggio e smontaggio. Il blocco angolare fungeva da base e sommità dello stand, mentre l'altro blocco serviva ad allungare l'altezza dello stand. La scala del sistema dipende dalla dimensione del campione che si desidera prelevare. Per questo particolare sistema sono state utilizzate fiale da 25 ml e i blocchi sono stati progettati con le seguenti dimensioni:

• Blocco H x L X P: 1,5 "x 1,5" x 0,5"
• Raggio x lunghezza del perno maschio/femmina: 0,125 "x 0,25"

Passaggio 3: fabbricare i blocchi sensore

Per riempire una fiala con il campione a comando, è stato utilizzato un approccio basato su sensori. Un interruttore magnetico reed viene utilizzato per attivare la pompa peristaltica quando i due magneti vengono uniti. Per fare ciò quando la fiala viene sollevata per ricevere il campione, sono stati progettati blocchi delle stesse dimensioni e design simile a quelli utilizzati per fabbricare il supporto ma dotati di quattro fori in prossimità di ogni angolo per i perni (con lo stesso raggio del maschio/femmina perni dei blocchi e una lunghezza di 2" ma con una testa leggermente più spessa per evitare che il blocco scivoli via) con un altro foro del diametro di 0,3" al centro per il tubo che riempirà la fiala. Due blocchi sensore sono impilati insieme con perni che passano attraverso i fori angolari di ciascun blocco. Le estremità dei perni sono cementate nei fori angolari del blocco sensore superiore per stabilizzare i blocchi, è stata utilizzata la colla a caldo ma anche la maggior parte degli altri adesivi dovrebbe funzionare. Con ciascuna metà dell'interruttore aderita al lato di ciascun blocco, quando la fiala viene sollevata dal sistema a pignone e cremagliera attivato per ricevere il campione, solleverà il blocco inferiore lungo la lunghezza dei perni per incontrare il sensore superiore bloccare e collegare gli interruttori magnetici, azionando la pompa peristaltica. Si noti che è importante progettare i perni e i fori angolari in modo che abbiano spazio sufficiente per consentire al blocco inferiore di scorrere facilmente su e giù per la lunghezza dei perni (almeno 1/8").

Passaggio 4: controllo: creazione di codice e connessioni Arduino

Parte A: Codice Descrizione

Affinché il sistema funzioni come previsto, viene utilizzata una scheda Arduino Uno per eseguire queste funzioni desiderate. I quattro componenti principali che richiedono il controllo sono: l'avvio del processo che in questo caso erano i pulsanti di salita e discesa, il motore passo-passo per alzare e abbassare il sistema lineare a cremagliera e pignone che trattiene la fiala, l'interruttore magnetico reed da attivare quando i blocchi del sensore vengono sollevati dalla fiala e dalla pompa peristaltica per accendere e riempire la fiala quando viene attivato l'interruttore magnetico reed. Affinché Arduino esegua queste azioni desiderate per il sistema, è necessario caricare in Arduino il codice appropriato per ciascuna di queste funzioni descritte. Il codice (commentato per renderlo facile da seguire) che è stato utilizzato in questo sistema era composto da due parti principali: il codice principale e la classe del motore passo-passo che è composta da un'intestazione (.h) e C++ (.cpp) e sono allegati come file pdf con i nomi corrispondenti. In teoria questo codice può essere copiato e incollato, ma dovrebbe essere rivisto che non si è verificato alcun errore di trasferimento. Il codice principale è ciò che svolge effettivamente la maggior parte delle funzioni desiderate per questo progetto ed è delineato negli elementi primari di seguito e dovrebbe essere facilmente seguito nel codice commentato:

• Includere la classe per azionare il motore passo-passo
• Definisci tutte le variabili e le posizioni dei pin loro assegnate su Arduino
• Definire tutti i componenti di interfacciamento come input o output per Arduino, abilitare il motore passo-passo
• Un'istruzione if che accende la pompa peristaltica se l'interruttore reed è attivato (questa istruzione if è in tutti gli altri cicli if e while per garantire che controlliamo costantemente se la pompa deve essere accesa)
• Corrispondenti istruzioni if che quando si preme su o giù per far girare il motore passo-passo un certo numero di volte (usando un ciclo while) nella direzione corrispondente

La classe del motore passo-passo è essenzialmente un progetto che consente convenientemente ai programmatori di controllare hardware simile con lo stesso codice; teoricamente puoi copiarlo e usarlo per diversi motori passo-passo invece di dover riscrivere il codice ogni volta! Il file di intestazione o file.h contiene tutte le definizioni che sono definite e utilizzate specificamente per questa classe (come definire la variabile nel codice principale). Il codice C++ o il file.cpp è l'effettiva sezione di lavoro della classe e specificamente per il motore steppr.

Parte B: Configurazione hardware

Poiché Arduino fornisce solo 5 V e il motore passo-passo e la pompa peristaltica richiedono 12 V, è necessaria una fonte di alimentazione esterna e integrata con driver appropriati per ciascuno. Poiché la configurazione delle connessioni tra la breadboard, Arduino e i componenti funzionanti può essere complessa e noiosa, è stato allegato uno schema elettrico per mostrare facilmente la configurazione hardware del sistema per una facile replica.

Passaggio 5: assemblare

Con le parti stampate, l'hardware cablato e il codice impostato, è ora di riunire tutto.

1. Assemblare il sistema pignone e cremagliera con il braccio del motore passo passo inserito nell'alloggiamento dell'ingranaggio previsto per il servomotore (fare riferimento alle immagini al punto 1).
2. Attacca il blocco di polistirolo alla parte superiore del rack (ho usato la colla a caldo).
3. Inserire la fiala nel blocco di polistirolo scavato (il polistirolo fornisce isolamento per combattere il degrado del campione fino a quando non è possibile recuperarlo).
4. Assemblare il supporto modulare con i blocchi d'angolo per la base e la parte superiore, aggiungere tanti altri blocchi per ottenere l'altezza appropriata per corrispondere all'altezza che il sistema pignone e cremagliera alza e abbassa. Una volta impostata la configurazione finale, si consiglia di incollare le estremità femmina dei blocchi e abete le estremità maschio. Ciò garantisce un bong forte e migliorerà l'integrità del sistema.
5. Fissare le rispettive metà degli interruttori magnetici reed a ciascun blocco sensore.
6. Assicurarsi che il blocco sensore inferiore del sensore si muova liberamente lungo la lunghezza dei perni (cioè che ci sia spazio sufficiente nei fori).
7. Assemblare l'Arduino e le connessioni cablate appropriate, queste sono tutte alloggiate nella scatola nera nell'immagine insieme al motore passo-passo.
8. Collega il cavo USB ad Arduino e poi a una sorgente 5V.
9. Collegare l'alimentatore esterno a una presa (nota per evitare possibili cortocircuiti con Arduino è molto importante farlo in questo ordine e assicurarsi che Arduino non tocchi nulla di metallo o non abbia dati caricati su di esso quando si collega l'esterno Alimentazione elettrica).
10. Ricontrolla TUTTO
11. Campione!

Passaggio 6: campione

Congratulazioni! Hai creato il tuo autocampionatore dimostrativo! Anche se questo campionatore automatico non sarebbe così pratico da usare in un laboratorio così com'è, alcune modifiche lo renderebbero tale! Tieni d'occhio un futuro istruito sull'aggiornamento del tuo autocampionatore dimostrativo per poterlo utilizzare in un vero laboratorio! Nel frattempo, sentiti libero di mostrare il tuo orgoglioso lavoro e usalo come meglio credi (magari un elegante distributore di bevande!)