Bomba peristàltica precisa: 13 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Som un equip d’estudiants de diferents disciplines de la RWTH Aachen University i hem creat aquest projecte en el context de la competició iGEM del 2017.

Després de tot el treball realitzat a la nostra bomba, ens agradaria compartir els vostres resultats amb vosaltres.

Hem construït aquesta bomba peristàltica com a solució de manipulació de líquids generalment aplicable per a qualsevol projecte que requereixi transportar líquids. La nostra bomba és capaç de dosificar i bombar amb precisió, proporcionant una àmplia gamma de volums de dosificació i cabals per maximitzar les possibles aplicacions. Mitjançant 125 experiments de dosificació vam poder demostrar i quantificar la precisió de la nostra bomba. Per a un tub amb un diàmetre interior de 0, 8 mm i qualsevol cabal o volum de dosificació dins de les especificacions, podríem mostrar una precisió superior al 2% de desviació del valor establert. Tenint en compte els resultats de les mesures, la precisió es pot millorar encara més si la velocitat del calibratge s’ajusta al cabal requerit.

La bomba es pot controlar sense coneixements de programació mitjançant la pantalla LCD integrada i un comandament giratori. A més, la bomba es pot controlar remotament mitjançant USB mitjançant ordres en sèrie. Aquesta forma de comunicació senzilla és compatible amb programaris i llenguatges de programació habituals (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C #, etc.).

La bomba és senzilla i econòmica de fabricar, amb totes les peces que sumen menys de 100 dòlars en comparació amb 1300 dòlars, la solució comercial més barata i comparable que podríem trobar. A més d’una impressora 3D, només es necessiten eines comunes. El nostre projecte és de codi obert en termes de maquinari i programari. Proporcionem els fitxers CAD de les peces impreses en 3D, una llista completa de tots els components comercials necessaris i les seves fonts i el codi font utilitzat a la nostra bomba.

Pas 1: comproveu les especificacions

Consulteu les especificacions i el debat sobre la precisió adjunt a continuació.

La bomba compleix els vostres requisits?

Pas 2: Reuneix components

1x Arduino Uno R3 / placa compatible 1x Motor pas a pas (WxHxD): 42x42x41 mm, Eix (ØxL): 5x22 mm 1x Alimentació 12 V / 3 A, connector: 5,5 / 2,1 mm 1x Controlador de motor pas A49881x Mòdul LCD 16x2, (WxHxD): 80x36x13 mm3x Rodament d'agulles HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm 1x Codificador 5 V, 0,01 A, 20 posicions d'interruptor, 360 ° 1x Tub de la bomba, gruix de paret de 1,6 mm, 0,2 m4x Peu autoadhesiu W x H) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Pas recte (Ø x L) 4 mm x 14 mm 1x Botó de control (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm 1x Potenciómetre / retallador 10k1x 220 Ohm Resistència 1x Condensador 47µF, 25V

Cablatge: 1x PCB (L x W) 80 mm x 52 mm, Distància entre contactes 2,54 mm (CS) 2x Tira de pins, recte, CS 2,54, corrent nominal 3A, 36 pins 1x Tira de presa, recte, CS 2,54, corrent nominal 3A, 40 pins 1x Cables, diferents colors (p. ex. Ø 2,5 mm, secció transversal 0, 5 mm²)

Cargols: 4x M3, L = 25 mm (longitud sense capçal), ISO 4762 (cap hexagonal) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (cap hexagonal) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (cap hexagonal) 4x Cargol de rosca petit (per a LCD, Ø 2-2,5mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10mm cargol de rosca, DIN 9161x M3, femella, ISO 4032

Parts impreses en 3D: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (no cal imprimir en 3D => fresat / tall / serrat) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Pas 3: Post processament d'impressions 3D

Les peces impreses en 3D s’han de netejar després d’imprimir-les per eliminar els residus del procés d’impressió. Les eines que recomanem per al postprocessament són un fitxer petit i un tallador de fils per a fils M3. Després del procés d'impressió, la majoria dels forats s'han d'ampliar mitjançant un trepant adequat. Per als forats que contenen cargols M3, s'ha de tallar un fil amb el tallador de fil esmentat anteriorment.

Pas 4: Cables i cablejat

El nucli del circuit està format per l’Arduino i un perfboard. Al perfboard hi ha el controlador del motor pas a pas, el retallador de la pantalla LCD, el condensador de 47 µF i les connexions per a la font d'alimentació dels diferents components. Per apagar l'Arduino mitjançant l'interruptor d'alimentació, la font d'alimentació de l'Arduino es va interrompre i va conduir al Perfboard. Amb aquest propòsit, el díode que es troba a l'Arduino directament darrere de la presa de corrent no es va soldar i es va portar al perfboard.

Pas 5: Configuració del maquinari

Hi ha tres configuracions que cal fer directament al circuit.

En primer lloc, s’ha d’establir el límit de corrent per al controlador del motor pas, ajustant el cargol petit de l’A4988. Per exemple, si la tensió V_ref entre el cargol i el GND en estat encès és 1V, el límit de corrent és el doble del valor: I_max = 2A (aquest és el valor que hem utilitzat). Com més alt és el corrent, major és el parell motor, cosa que permet velocitats i cabals més elevats. No obstant això, també augmenta el consum d'energia i el desenvolupament de calor.

A més, el mode del motor pas a pas es pot configurar mitjançant els tres pins situats a la part superior esquerra del controlador del motor pas a pas (MS1, MS2, MS3). Quan MS2 és a + 5 V, tal com es mostra al diagrama de cablejat, el motor funciona en mode quart de pas, que hem utilitzat. Això significa que es realitza exactament un pas (1,8 °) per a quatre impulsos que el conductor del motor pas a pas rep al pin STEP.

Com a darrer valor a configurar, es pot utilitzar el tallador del perfboard per ajustar el contrast de la pantalla LCD.

Pas 6: proveu el circuit i els components

Abans del muntatge, es recomana provar els components i el circuit en una placa. D’aquesta manera, és més fàcil trobar i solucionar possibles errors.

Ja podeu penjar el nostre programari a Arduino per provar totes les funcions prèviament. Hem publicat el codi font a GitHub:

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

Pas 7: Muntatge

El vídeo mostra el conjunt dels components en la seqüència prevista sense el cablejat. Tots els connectors s’han de connectar primer als components. El cablejat es fa millor en el punt on s’insereixen tots els components, però les parets laterals encara no s’han fixat. Es pot arribar fàcilment als cargols de difícil accés amb una clau hexagonal.

1. Introduïu l'interruptor d'alimentació i el codificador al forat designat i fixeu-los a la caixa. Connecteu el comandament de control al codificador - aneu amb compte - un cop fixeu el comandament, pot provocar la destrucció del codificador si el torneu a treure.

2. Connecteu la pantalla LCD amb petits cargols de rosca, assegureu-vos de soldar la resistència i el cablejat a la pantalla abans del muntatge.

3. Fixeu la placa Arduino Uno a la caixa amb cargols M3 de 8 mm.

4. Introduïu el motor pas i fixeu-lo a la caixa juntament amb la part impresa en 3D (Pump_case_bottom) mitjançant quatre cargols M3 de 10 mm.

5. Connecteu el tauler de perfecció a la caixa: assegureu-vos que heu soldat tots els components al tauler de perfecció, tal com es mostra al diagrama de cablejat.

6. Connecteu les parts electròniques a l'interior de la caixa.

7. Tanqueu la caixa afegint els panells laterals mitjançant cargols M3 de 10x 8 mm.

8. Munteu el suport del coixinet tal com es mostra al vídeo i connecteu-lo a l’eix del motor mitjançant un cargol de 3 mm

9. Finalment, fixeu el suport de comptador per subjectar el tub (Pump_case_top_120 °) amb dos cargols M3 de 25 mm i introduïu el tub. Introduïu dos cargols M3 de 25 mm per mantenir el tub al seu lloc durant el procés de la bomba

Pas 8: Inseriu la canonada

Pas 9: familiaritzeu-vos amb la interfície d'usuari (control manual)

La interfície d'usuari proporciona un control complet de la bomba peristàltica. Consisteix en una pantalla LCD, un comandament i un interruptor d’alimentació. Es pot girar o empènyer el comandament.

Si gireu el comandament podeu seleccionar entre diferents elements del menú, l'element de menú de la línia superior està seleccionat actualment. En prémer el botó s’activarà l’element de menú seleccionat, indicat per un rectangle parpellejant. El rectangle parpellejant implica que l’element del menú està activat.

Un cop activat l'element del menú, comença en funció de l'element seleccionat, ja sigui una acció o permet canviar el valor corresponent girant el comandament. Per a tots els elements del menú connectats a un valor numèric, es pot mantenir premut el botó per restablir el valor a zero o prémer-lo doble per augmentar el valor una dècima part del seu valor màxim. Per definir el valor seleccionat i desactivar un element de menú, cal prémer el comandament una segona vegada.

L’interruptor d’encesa apagarà immediatament la bomba i tots els seus components (Arduino, motor pas a pas, controlador de pas pas, LCD), excepte quan la bomba estigui connectada mitjançant USB. L'Arduino i la pantalla LCD es poden alimentar mitjançant USB, de manera que l'interruptor d'alimentació no els afecti.

El menú de bombes té 10 elements, que es detallen i es descriuen a continuació:

0 | StartStart pumping, el mode de funcionament depèn del mode seleccionat en el mode "6)"

1 | Volum Estableix el volum de dosificació, només es té en compte si es selecciona "Dosi" en "Mode 6"

2 | Unitat V.: definiu la unitat de volum, les opcions són: “mL”: mL “uL”: µL “rot”: rotacions (de la bomba)

3 | Velocitat Estableix el cabal, només es té en compte si es selecciona "Dosi" o "Bomba" en el mode "6)"

4 | S. Unit: definiu la unitat de volum, les opcions són: “mL / min”: mL / min “uL / min”: µL / min “rpm”: rotacions / min

5 | Direcció: trieu el sentit de bombament: "CW" per a la rotació en sentit horari, "CCW" per a sentit antihorari

6 | Mode: Configureu el mode de funcionament: "Dosi": dosifiqueu el volum seleccionat (1 | Volum) al cabal seleccionat (3 | Velocitat) quan s'inicia "Bomba": bomba contínuament al cabal seleccionat (3 | Velocitat) quan "Cal" inicial: calibratge, la bomba realitzarà 30 rotacions en 30 segons quan s'iniciï

7 | Cal. Estableix el volum de calibratge en ml. Per al calibratge, la bomba s'executa una vegada en mode de calibratge i es mesura el volum de calibratge resultant que s'ha bombat.

8 | Desa la configuració: deseu tots els paràmetres a Arduinos EEPROM; els valors es conserven durant l’apagat i es tornen a carregar quan es torna a engegar l’alimentació.

9 | USB Ctrl Activa el control USB: la bomba reacciona a les ordres en sèrie enviades per USB

Pas 10: calibració i proveu de dosificar

Realitzar un calibratge adequat abans d’utilitzar la bomba és crucial per a una dosificació i un bombament precisos. El calibratge indicarà a la bomba quant de líquid es mou per rotació, de manera que la bomba pugui calcular quantes rotacions i quina velocitat es necessita per complir els valors establerts. Per iniciar el calibratge, seleccioneu el mode "Cal". i comenceu a bombar o envieu l'ordre de calibratge per USB. El cicle de calibratge estàndard realitzarà 30 rotacions en 30 segons. El volum de líquid bombat durant aquest cicle (volum de calibratge) s’ha de mesurar amb precisió. Assegureu-vos que la mesura no es vegi afectada per gotes que s’adhereixin al tub, pel pes del tub mateix o per qualsevol altra interferència. Us recomanem que utilitzeu una balança de microgrames per al calibratge, ja que podeu calcular fàcilment el volum, si es coneix la densitat i el pes de la quantitat de líquid bombat. Un cop mesurat el volum de calibratge, podeu ajustar la bomba configurant el valor de l'element de menú "7 | Cal". o adjuntant-lo a les vostres ordres de sèrie.

Tingueu en compte que qualsevol canvi després del calibratge al muntatge del tub o la diferència de pressió afectarà la precisió de la bomba. Proveu de realitzar el calibratge sempre en les mateixes condicions, en què la bomba s'utilitzarà més endavant. Si traieu el tub i el torneu a instal·lar a la bomba, el valor de calibratge canviarà fins al 10%, ja que es produeixen petites diferències de posicionament i força aplicades als cargols. En tirar del tub també es canviarà el posicionament i, per tant, el valor de calibratge. Si el calibratge es realitza sense diferències de pressió i la bomba s'utilitza posteriorment per bombar líquids a una altra pressió, afectarà la precisió. Recordeu que fins i tot una diferència de nivell d’un metre pot crear una diferència de pressió de 0,1 bar, que tindrà una lleugera influència sobre el valor de calibratge, fins i tot si la bomba pot assolir una pressió d’almenys 1,5 bar mitjançant el tub de 0,8 mm.

Pas 11: Interfície sèrie: control remot mitjançant USB

La interfície sèrie es basa en la interfície de comunicació serial d’Arduino mitjançant USB (Baud 9600, 8 bits de dades, sense paritat, un bit d’aturada). Qualsevol programari o llenguatge de programació capaç d’escriure dades a un port sèrie es pot utilitzar per comunicar-se amb la bomba (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C #, etc.). Es pot accedir a totes les funcions de la bomba enviant l'ordre corresponent a la bomba, al final de cada ordre es necessita un nou caràcter de línia '\ n' (ASCII 10).

Dosi: d (volum en µL), (velocitat en µL / min), (volum de calibratge en µL) '\ n'

p. ex.: d1000, 2000, 1462 "\ n" (dosificació d'1 ml a 2 ml / min, volum de calibratge = 1,462 ml)

Bomba: p (velocitat en µL / min), (volum de calibratge en µL) '\ n'

p. ex.: p2000, 1462 "\ n" (bomba a 2 ml / min, volum de calibratge = 1,462 ml)

Calibra: c '\ n'

Atura: x '\ n'

L'entorn Arduino (Arduino IDE) té un monitor sèrie integrat, que pot llegir i escriure dades de sèrie, per tant, les ordres en sèrie es poden provar sense cap codi escrit.

Pas 12: comparteix les teves experiències i millora la bomba

Si heu construït la nostra bomba, compartiu les vostres experiències i millores en el programari i el maquinari a:

Thingiverse (peces impreses en 3D)

GitHub (programari)

Instructibles (instruccions, cablejat, general)

Pas 13: teniu curiositat per IGEM?

La Fundació iGEM (màquina internacional d’enginyeria genètica) és una organització independent sense ànim de lucre dedicada a l’educació i la competència, l’avenç de la biologia sintètica i el desenvolupament d’una comunitat i col·laboració obertes.

iGEM té tres programes principals: el Concurs iGEM: un concurs internacional per a estudiants interessats en el camp de la biologia sintètica; el programa Labs: un programa perquè els laboratoris acadèmics utilitzin els mateixos recursos que els equips de competició; i el Registre de peces biològiques estàndard: una col·lecció creixent de parts genètiques utilitzades per a la construcció de dispositius i sistemes biològics.

igem.org/Main_Page