Pompa peristaltica precisa: 13 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Siamo un team di studenti di diverse discipline della RWTH Aachen University e abbiamo creato questo progetto nel contesto del concorso iGEM 2017.

Dopo tutto il lavoro svolto nella nostra pompa, vorremmo condividere i nostri risultati con voi!

Abbiamo costruito questa pompa peristaltica come soluzione di gestione dei liquidi generalmente applicabile per qualsiasi progetto che richieda il trasporto di liquidi. La nostra pompa è in grado di dosare e pompare con precisione, fornendo un'ampia gamma di volumi di dosaggio e portate per massimizzare le possibili applicazioni. Attraverso 125 esperimenti di dosaggio siamo stati in grado di dimostrare e quantificare l'accuratezza della nostra pompa. Per un tubo con diametro interno di 0,8 mm e qualsiasi portata o volume di dosaggio entro le specifiche potremmo mostrare una precisione migliore del 2% di deviazione dal valore impostato. Dati i risultati delle misurazioni, la precisione può essere ulteriormente migliorata se la velocità della calibrazione viene adattata alla portata richiesta.

La pompa può essere controllata senza conoscenze di programmazione tramite il display LCD integrato e una manopola rotante. Inoltre, la pompa può essere controllata da remoto via USB tramite comandi seriali. Questa semplice modalità di comunicazione è compatibile con i comuni software e linguaggi di programmazione (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#, ecc.).

La pompa è semplice ed economica da produrre, con tutte le parti che costano meno di $ 100 rispetto a $ 1300 per la soluzione commerciale comparabile più economica che siamo riusciti a trovare. Oltre a una stampante 3D, sono necessari solo strumenti comuni. Il nostro progetto è open source in termini di hardware e software. Forniamo i file CAD per le parti stampate in 3D, un elenco completo di tutti i componenti commerciali richiesti e le loro fonti e il codice sorgente utilizzato nella nostra pompa.

Passaggio 1: controllare le specifiche

Controllare le specifiche e la discussione sulla precisione allegata di seguito.

La pompa soddisfa le tue esigenze?

Passaggio 2: raccogliere i componenti

1x Scheda compatibile Arduino Uno R3/1x Motore passo-passo (LxAxP): 42x42x41 mm, Albero (ØxL): 5x22 mm1x Alimentazione 12 V/ 3 A, connettore: 5,5 / 2,1 mm1x Driver motore passo-passo A49881x Modulo LCD 16x2, (LxAxP): 80x36x13 mm3x Cuscinetto ad aghi HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8 mm1x Encoder 5 V, 0,01 A, 20 posizioni di commutazione, 360 °1x Tubo della pompa, spessore parete 1,6 mm, 0,2 m4x Piedino autoadesivo (L x L x A) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Perno diritto (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Manopola di controllo (Ø x A) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potenziometro/ Trimmer 10k1x Resistenza da 220 Ohm1x Condensatore 47µF, 25V

Cablaggio:1x PCB (L x W) 80 mm x 52 mm, distanza tra i contatti 2,54 mm (CS)2x Pin strip, diritto, CS 2,54, corrente nominale 3A, 36 pin1x Presa multipla, diritto, CS 2,54, corrente nominale 3A, 40 pins1x Cavi, colori diversi (ad es. Ø 2,5 mm, sezione 0,5 mm²) Termoretraibile (adatto per cavi, ad es. Ø 3 mm)

Viti:4x M3, L = 25 mm (lunghezza senza testa), ISO 4762 (testa esagonale)7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (testa esagonale)16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (testa esagonale)4x Vite autofilettante piccola (per LCD, Ø 2-2,5 mm, L = 3-6 mm) 1x M3, grano L=10 mm, DIN 9161x M3, dado, ISO 4032

Parti stampate in 3D: (Thingiverse)1x Case_main2 x Case_side (stampa 3D non necessaria => fresatura/taglio/segatura)1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120°1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Passaggio 3: post-elaborazione delle stampe 3D

Le parti stampate in 3D devono essere pulite dopo la stampa per rimuovere eventuali residui dal processo di stampa. Gli strumenti che consigliamo per la post-elaborazione sono un file piccolo e un tagliafilo per filettature M3. Dopo il processo di stampa la maggior parte dei fori deve essere allargata utilizzando un trapano adatto. Per i fori che contengono viti M3, un filetto deve essere tagliato con il sopracitato tagliafilo.

Passaggio 4: cavi e cablaggio

Il cuore del circuito è costituito da Arduino e da una perfboard. Sulla perfboard si trova il driver del motore passo-passo, il trimmer per l'LCD, il condensatore da 47µF e le connessioni per l'alimentazione dei vari componenti. Per spegnere l'Arduino dall'interruttore di alimentazione, l'alimentazione dell'Arduino è stata interrotta e portata alla Perfboard. A tale scopo, il diodo che si trova sull'Arduino direttamente dietro il jack di alimentazione è stato dissaldato e portato invece sulla perfboard.

Passaggio 5: impostazioni hardware

Ci sono tre impostazioni che devono essere effettuate direttamente sul circuito.

Per prima cosa si deve impostare il limite di corrente per il driver del motore passo-passo, regolando la piccola vite sull'A4988. Ad esempio, se la tensione V_ref tra vite e GND nello stato on è 1V, il limite di corrente è il doppio del valore: I_max = 2A (questo è il valore che abbiamo usato). Maggiore è la corrente, maggiore è la coppia del motore, consentendo velocità e portate più elevate. Tuttavia, aumenta anche il consumo di energia e lo sviluppo di calore.

Inoltre, la modalità del motore passo-passo può essere impostata tramite i tre pin che si trovano in alto a sinistra del driver del motore passo-passo (MS1, MS2, MS3). Quando MS2 è a + 5V, come mostrato nello schema elettrico, il motore funziona in modalità quarto di passo, che abbiamo usato. Ciò significa che viene eseguito esattamente un passo (1,8 °) per quattro impulsi che il driver del motore passo-passo riceve sul pin STEP.

Come ultimo valore da impostare, il trimmer sulla perfboard può essere utilizzato per regolare il contrasto del display LCD.

Passaggio 6: test del circuito e dei componenti

Prima del montaggio si consiglia di testare i componenti e il circuito su una breadboard. In questo modo, è più facile trovare e correggere possibili errori.

Puoi già caricare il nostro software su Arduino, per provare tutte le funzioni in anticipo. Abbiamo pubblicato il codice sorgente su GitHub:

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

Passaggio 7: assemblaggio

Il video mostra l'assemblaggio dei componenti nella sequenza prevista senza il cablaggio. Tutti i connettori devono essere prima collegati ai componenti. Il cablaggio è meglio farlo nel punto in cui sono inseriti tutti i componenti, ma le pareti laterali non sono ancora state fissate. Le viti difficili da raggiungere possono essere facilmente raggiunte con una chiave esagonale.

1. Inserire l'interruttore di alimentazione e l'encoder nell'apposito foro e fissarli alla custodia. Attacca la manopola di controllo all'encoder - fai attenzione - una volta collegata la manopola, potrebbe distruggere l'encoder se provi a rimuoverla di nuovo.

2. Fissare il display LCD con piccole viti autofilettanti, assicurarsi di saldare la resistenza e il cablaggio al display prima del montaggio.

3. Fissare la scheda Arduino Uno al case utilizzando viti M3 da 8 mm.

4. Inserire il motore passo-passo e fissarlo alla custodia insieme alla parte stampata in 3D (Pump_case_bottom) utilizzando quattro viti M3 da 10 mm.

5. Fissare la perfboard al case – assicurarsi di aver saldato tutti i componenti alla perfboard come mostrato nello schema elettrico.

6. Cablare le parti elettroniche all'interno della custodia.

7. Chiudere il case aggiungendo i pannelli laterali utilizzando viti M3 da 10x8 mm.

8. Assemblare il supporto del cuscinetto come mostrato nel video e fissarlo all'albero del motore utilizzando un grano da 3 mm

9. Infine, fissare il controsupporto per sostenere il tubo (Pump_case_top_120°) con due viti M3 da 25 mm e inserire il tubo. Inserire due viti M3 da 25 mm per mantenere il tubo in posizione durante il processo della pompa

Passaggio 8: inserire il tubo

Passaggio 9: familiarizzare con l'interfaccia utente (controllo manuale)

L'interfaccia utente fornisce un controllo completo della pompa peristaltica. È costituito da un display LCD, una manopola di controllo e un interruttore di alimentazione. La manopola di controllo può essere ruotata o premuta.

Ruotando la manopola è possibile selezionare tra diverse voci di menu, attualmente è selezionata la voce di menu sulla riga superiore. Premendo la manopola si attiverà la voce di menu selezionata, indicata da un rettangolo lampeggiante. Il rettangolo lampeggiante indica che la voce di menu è attivata.

Una volta attivata la voce di menu, essa avvia a seconda della voce selezionata o un'azione o consente la modifica del valore corrispondente ruotando la manopola. Per tutte le voci di menu collegate ad un valore numerico la manopola può essere tenuta premuta per azzerare il valore o premuta due volte per aumentare il valore di un decimo del suo valore massimo. Per impostare il valore selezionato e disattivare una voce di menu è necessario premere una seconda volta la manopola.

L'interruttore di alimentazione spegne immediatamente la pompa e tutti i suoi componenti (Arduino, motore passo-passo, driver del motore passo-passo, LCD), tranne quando la pompa è collegata tramite USB. L'Arduino e l'LCD possono essere alimentati tramite USB, in modo che l'interruttore di alimentazione non li influenzi.

Il menu pompe dispone di 10 voci, elencate e descritte di seguito:

0|Start Avvia il pompaggio, la modalità di funzionamento dipende dalla modalità selezionata in “6) Mode”

1|VolumeImposta il volume di dosaggio, viene considerato solo se viene selezionato “Dose” in “6) Mode”

2|V. Unit:Imposta l'unità di volume, le opzioni sono:“mL”: mL“uL”: µL“rot”: rotazioni (della pompa)

3|SpeedSet la portata, viene considerata solo se si seleziona “Dose” o “Pump” in “6) Mode”

4|S. Unit:Imposta l'unità di volume, le opzioni sono:“mL/min”: mL/min“uL/min”: µL/min“rpm”: rotazioni/min

5|Direzione: scegliere la direzione di pompaggio: “CW” per rotazione oraria, “CCW” per rotazione antioraria

6|Modalità:Imposta modalità di funzionamento:“Dose”: dosa il volume selezionato (1|Volume) alla portata selezionata (3|Speed) all'avvio“Pump”: pompa continuamente alla portata selezionata (3|Speed) quando avviato“Cal.”: Calibrazione, la pompa eseguirà 30 rotazioni in 30 secondi all'avvio

7|Cal. Impostare il volume di calibrazione in mL. Per la calibrazione, la pompa viene avviata una volta in modalità calibrazione e viene misurato il volume di calibrazione risultante che è stato pompato.

8|Save Sett. Salva tutte le impostazioni nella EEPROM di Arduino, i valori vengono mantenuti durante lo spegnimento e ricaricati, quando l'alimentazione viene riaccesa

9|USB CtrlAttiva controllo USB: la pompa reagisce ai comandi seriali inviati tramite USB

Passaggio 10: calibrazione e prova di dosaggio

L'esecuzione di una calibrazione adeguata prima di utilizzare la pompa è fondamentale per un dosaggio e un pompaggio precisi. La calibrazione dirà alla pompa quanto liquido viene spostato per rotazione, in modo che la pompa possa calcolare quante rotazioni e quale velocità è necessaria per soddisfare i valori impostati. Per avviare la calibrazione, selezionare la modalità "Cal". e avviare il pompaggio o inviare il comando di calibrazione tramite USB. Il ciclo di calibrazione standard eseguirà 30 rotazioni in 30 secondi. Il volume di liquido pompato durante questo ciclo (volume di calibrazione) deve essere misurato con precisione. Assicurarsi che la misurazione non sia influenzata da gocce che aderiscono al tubo, dal peso del tubo stesso o da altre interferenze. Si consiglia di utilizzare una scala in microgrammi per la calibrazione, poiché è possibile calcolare facilmente il volume, se si conoscono la densità e il peso della quantità di liquido pompata. Una volta misurato il volume di calibrazione è possibile regolare la pompa impostando il valore della voce di menu “7|Cal.” o allegandolo ai tuoi comandi seriali.

Si prega di notare che qualsiasi modifica dopo la calibrazione al supporto del tubo o la differenza di pressione influenzerà la precisione della pompa. Cercare di eseguire la calibrazione sempre alle stesse condizioni, alle quali verrà utilizzata la pompa in seguito. Se si rimuove il tubo e lo si installa nuovamente nella pompa, il valore di calibrazione cambierà fino al 10%, a causa di piccole differenze di posizionamento e forza applicata alle viti. Tirando il tubo cambierà anche il posizionamento e quindi il valore di calibrazione. Se la calibrazione viene eseguita senza differenza di pressione e la pompa viene successivamente utilizzata per pompare liquidi ad un'altra pressione, ciò influirà sulla precisione. Si ricorda che anche un dislivello di un metro può creare una differenza di pressione di 0,1 bar, che avrà una leggera influenza sul valore di taratura, anche se la pompa può raggiungere una pressione di almeno 1,5 bar utilizzando il tubo da 0,8 mm.

Passaggio 11: interfaccia seriale - controllo remoto tramite USB

L'interfaccia seriale è basata sull'interfaccia di comunicazione seriale di Arduino via USB (Baud 9600, 8 bit di dati, nessuna parità, un bit di stop). Qualsiasi software o linguaggio di programmazione in grado di scrivere dati su una porta seriale può essere utilizzato per comunicare con la pompa (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#, ecc.). Tutte le funzioni della pompa sono accessibili inviando il comando corrispondente alla pompa, alla fine di ogni comando è richiesto un nuovo carattere di riga '\n' (ASCII 10).

Dose: d(volume in µL), (velocità in µL/min), (volume di calibrazione in µL)'\n'

es.: d1000, 2000, 1462'\n' (dosaggio di 1 ml a 2 ml/min, volume di calibrazione = 1.462 ml)

Pompa: p(velocità in µL/min), (volume di calibrazione in µL)'\n'

es.: p2000, 1462'\n' (pompa a 2 ml/min, volume di calibrazione = 1.462 ml)

Calibra: c'\n'

Interrompi: x'\n'

L'ambiente Arduino (Arduino IDE) ha un monitor seriale integrato, che può leggere e scrivere dati seriali, quindi i comandi seriali possono essere testati senza alcun codice scritto.

Passaggio 12: condividi le tue esperienze e migliora la pompa

Se hai costruito la nostra pompa, condividi le tue esperienze e i miglioramenti nel software e nell'hardware su:

Thingiverse (parti stampate in 3D)

GitHub (software)

Instructables (istruzioni, cablaggio, generale)

Passaggio 13: Curiosità su IGEM?

La iGEM (International Genetically Engineered Machine) Foundation è un'organizzazione indipendente e senza scopo di lucro dedicata all'istruzione e alla competizione, al progresso della biologia sintetica e allo sviluppo di una comunità aperta e della collaborazione.

iGEM gestisce tre programmi principali: iGEM Competition - una competizione internazionale per studenti interessati al campo della biologia sintetica; il Programma Labs - un programma per i laboratori accademici di utilizzare le stesse risorse dei team di gara; e il Registro delle parti biologiche standard, una raccolta crescente di parti genetiche utilizzate per la costruzione di dispositivi e sistemi biologici.

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