Дәл перистальтикалық сорғы: 13 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:26

Біз RWTH Ахен университетінің әр түрлі пәндерінен құралған студенттік командамыз және бұл жобаны 2017 жылы iGEM байқауы аясында құрдық.

Біздің сорғыда болған барлық жұмыстар аяқталғаннан кейін, біз сіздермен өз нәтижелерімізбен бөліскіміз келеді!

Біз бұл перистальтикалық сорғыны сұйықтықты тасымалдауды қажет ететін кез келген жобада қолданылатын сұйықтықты өңдеудің жалпы шешімі ретінде жасадық. Біздің сорғы мөлшерлеу мен айдаудың дәл мүмкіндігіне ие, мүмкін болатын қосымшаларды барынша ұлғайту үшін мөлшерлеу көлемінің кең көлемін және шығыс жылдамдығын қамтамасыз етеді. 125 мөлшерлеу эксперименттері арқылы біз сорғымыздың дәлдігін көрсете алдық және сандық түрде анықтай алдық. Ішкі диаметрі 0, 8 мм болатын құбырлар үшін және техникалық сипаттамалар шегінде кез келген ағынның немесе мөлшерлеу көлемінің дәлдігін біз орнатылған мәннен 2% ауытқудан жақсы көрсете аламыз. Өлшеу нәтижелерін ескере отырып, калибрлеу жылдамдығы қажетті ағын жылдамдығына реттелген жағдайда дәлдікті одан әрі жақсартуға болады.

Сорғыны кіріктірілген СКД дисплейі мен айналмалы тұтқасы арқылы бағдарламалауды білмей басқаруға болады. Сонымен қатар, сорғыны USB арқылы сериялық командалар арқылы қашықтан басқаруға болады. Қарым -қатынастың бұл қарапайым әдісі жалпы бағдарламалық қамтамасыз ету мен бағдарламалау тілдерімен (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#және т.б.) үйлесімді.

Сорғыны өндіру қарапайым және қымбат емес, оның барлық бөлшектері 100 доллардан аз, біз таба алатын ең арзан коммерциялық шешім үшін 1300 доллар. 3D принтерден басқа қарапайым құралдар қажет. Біздің жоба аппараттық және бағдарламалық қамтамасыз ету тұрғысынан ашық көзі болып табылады. Біз 3D басып шығарылған бөлшектерге арналған АЖЖ файлдарын, барлық қажетті коммерциялық компоненттер мен олардың көздерінің толық тізімін және біздің сорғыда қолданылатын бастапқы кодты ұсынамыз.

1 -қадам: Техникалық сипаттамаларды тексеріңіз

Төменде келтірілген сипаттамалар мен дәлдік туралы талқылауды тексеріңіз.

Сорғы сіздің талаптарыңызға сәйкес келе ме?

2 -қадам: компоненттерді жинау

1x Arduino Uno R3/ сыйысымды тақта мм3х Ине мойынтірегі HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 мм x 8 мм x 8mm1x Encoder 5 V, 0,01 A, 20 қосқыш позициясы, 360 ° 1x сорғы түтігі, қабырғаның қалыңдығы 1,6 мм, 0,2м4х Аяққа жабысқақ (L x W x H) 12,6 x 12,6 x 5,7 мм3x Тік түйреуіш (Ø x L) 4 мм x 14 мм1x Басқару тұтқасы (Ø x H) 16,8 мм x 14,5 мм1x Потенциометр/ Қайшы 10к1х 220 Ом резистор1х Конденсатор 47µF, 25В

Сымдар: 1х ПХД (ҰБ В) 80 мм x 52 мм, Байланыс аралығы 2,54 мм (CS) 2х Пинсті жолақ, түзу, CS 2,54, номиналды ток 3А, 36 түйреуіш түйреуіштер 1x Кабельдер, түрлі түсті (мысалы, Ø 2,5 мм, қимасы 0, 5 мм²) Жылудың қысқаруы (кабельдер үшін жарамды, мысалы, Ø 3 мм)

Бұрандалар: 4x M3, L = 25 мм (ұзындығы бассыз), ISO 4762 (он алтылық басы) 7x M3, L = 16 мм, ISO 4762 (алтыбұрышты бас) 16x M3, L = 8 мм, ISO 4762 (алтыбұрышты бас) 4x Кішкене бұрандалы бұранда (СКД үшін, Ø 2-2,5 мм, L = 3-6 мм) 1x M3, L = 10мм бұранда, DIN 9161x M3, гайка, ISO 4032

3D басып шығарылған бөлшектер: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (3D басып шығару қажет емес => фрезер/кесу/аралау) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

3 -қадам: 3D басып шығаруды кейінгі өңдеу

3D басып шығарылған бөлшектерді басып шығару процесінде қалған қалдықтарды кетіру үшін басып шығарғаннан кейін тазалау керек. Біз кейінгі өңдеуге ұсынатын құралдар - бұл шағын файл және M3 ағындары үшін жіп кескіш. Басып шығару процесі аяқталғаннан кейін тесіктердің көп бөлігін сәйкес бұрғылау көмегімен кеңейту қажет. М3 бұрандалары бар саңылаулар үшін жоғарыда көрсетілген жонғышпен жіпті кесу керек.

4 -қадам: Кабельдер мен сымдар

Схеманың ядросы Arduino мен перфорд тақтасынан тұрады. Перформат тақтасында қадамдық мотор драйвері, СКД триммері, 47 мкФ конденсатор және әр түрлі компоненттерді қоректендіруге арналған қосылыстар бар. Қуат қосқышының көмегімен Arduino -ны өшіру үшін Arduino -ның қуат көзі үзіліп, Perfboard тақтасына әкелді. Осы мақсатта Arduino -да қуат ұясының артында орналасқан диод сатылмаған және оның орнына перформат тақтасына жеткізілген.

5 -қадам: Жабдық параметрлері

Тізбекте тікелей жасалуы қажет үш параметр бар.

Алдымен A4988 бұрандасын реттеу арқылы сатылы мотор драйверінің ағымдағы шегі орнатылуы керек. Мысалы, егер қосылған күйдегі бұранда мен GND арасындағы V_ref кернеуі 1В болса, ток шегі мәннен екі есе көп: I_max = 2A (бұл біз қолданған мән). Ағым неғұрлым жоғары болса, қозғалтқыштың айналу моменті соғұрлым жоғары болады, бұл жоғары жылдамдық пен ағын жылдамдығына мүмкіндік береді. Сонымен қатар, энергияны тұтыну мен жылудың дамуы артады.

Сонымен қатар, қадамдық қозғалтқыштың режимін қадамдық қозғалтқыштың жоғарғы сол жағында орналасқан үш түйреуіш арқылы орнатуға болады (MS1, MS2, MS3). Қосылу схемасында көрсетілгендей MS2 + 5В болғанда, қозғалтқыш біз қолданған тоқсандық режимде жұмыс істейді. Бұл қадамдық қозғалтқыштың STEP түйреуішінде алатын төрт импульс үшін дәл бір қадам (1,8 °) орындалады дегенді білдіреді.

Орнатудың соңғы мәні ретінде перформатор тақтасындағы қайшыны СКД контрастын реттеу үшін пайдалануға болады.

6 -қадам: Сынақ тізбегі мен компоненттері

Құрастыру алдында компоненттер мен схеманы нан тақтасында сынау ұсынылады. Бұл жағдайда мүмкін болатын қателерді табу және түзету оңайырақ.

Сіз біздің бағдарламалық жасақтаманы Arduino -ға жүктей аласыз, барлық функцияларды алдын ала көре аласыз. Біз бастапқы кодты GitHub -да жарияладық:

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

7 -қадам: құрастыру

Бейнеде сымсыз компоненттерді жоспарлы түрде жинау көрсетілген. Барлық қосқыштар алдымен компоненттерге бекітілуі керек. Сымдар барлық компоненттер енгізілген жерде жақсы орындалады, бірақ бүйірлік қабырғалар әлі бекітілмеген. Жетуге қиын бұрандаларға алты бұрышты кілтпен оңай жетуге болады.

1. Қуат қосқышы мен кодерді белгіленген тесікке салыңыз және оларды корпусқа бекітіңіз. Басқару тұтқасын кодерге бекітіңіз - абай болыңыз - тұтқаны қосқаннан кейін, егер сіз оны қайтадан алып тастауға тырыссаңыз, ол кодерді бұзуы мүмкін.

2. СКД дисплейін кішкене бұрандалы бұрандалармен бекітіңіз, монтаждау алдында резистор мен сымның дисплейге дәнекерленгенін тексеріңіз.

3. Arduino Uno тақтасын корпусқа 8 мм М3 бұранда көмегімен бекітіңіз.

4. Қадамдық қозғалтқышты салыңыз және оны 3D басылған бөлігімен бірге (Pump_case_bottom) 10 мм M3 төрт бұранда көмегімен бекітіңіз.

5. Перфоратор тақтасын корпусқа бекітіңіз - сымдардың схемасында көрсетілгендей барлық компоненттерді перфораторға дәнекерлегеніңізге көз жеткізіңіз.

6. Корпустың ішіндегі электронды бөлшектерді сыммен жалғаңыз.

7. 10x8 мм M3 бұрандаларын қолданып бүйірлік панельдерді қосу арқылы корпусты жабыңыз.

8. Бейнеде көрсетілгендей мойынтірек бекіткішін жинап, 3 мм бұранда көмегімен қозғалтқыш білігіне бекітіңіз

9. Соңында, құбырды (Pump_case_top_120 °) ұстап тұру үшін есептегіш тіректі 25 мм M3 екі бұрандамен бекітіп, құбырды салыңыз. Сорғы процесінде құбырды орнында ұстау үшін 25 мм М3 екі бұранданы салыңыз

8 -қадам: Түтікшені салыңыз

9 -қадам: Қолданушы интерфейсімен танысыңыз (қолмен басқару)

Қолданушы интерфейсі перистальтикалық сорғыны кешенді басқаруды қамтамасыз етеді. Ол СКД дисплейінен, басқару тұтқасынан және қуат қосқышынан тұрады. Басқару тұтқасын бұруға немесе басуға болады.

Тұтқаны бұру әр түрлі мәзір элементтерін таңдауға мүмкіндік береді, қазіргі уақытта жоғарғы жолдағы мәзір элементі таңдалады. Тұтқаны басу тіктөртбұрышпен жыпылықтаған таңдалған мәзір элементін іске қосады. Жыпылықтайтын төртбұрыш мәзір элементінің іске қосылғанын білдіреді.

Мәзір элементі іске қосылғаннан кейін ол таңдалған элементке байланысты әрекеттен басталады немесе тұтқаны бұру арқылы сәйкес мәнді өзгертуге мүмкіндік береді. Сандық мәнге қосылған барлық мәзір элементтері үшін мәнді нөлге қайтару үшін тұтқаны ұстап тұруға болады немесе мәнді оның максималды мәнінің оннан бір бөлігіне ұлғайту үшін екі рет басуға болады. Таңдалған мәнді орнату және мәзір элементін өшіру үшін тұтқаны екінші рет басу керек.

Қуат қосқышы сорғыны және оның барлық компоненттерін (Arduino, сатылы қозғалтқыш, сатылы қозғалтқыш драйвері, СКД) бірден өшіреді, тек сорғы USB арқылы қосылғаннан басқа. Arduino мен СКД USB арқылы жұмыс істей алады, осылайша қуат қосқышы оларға әсер етпейді.

Сорғылар мәзірінде 10 тармақ бар, олар төменде келтірілген және сипатталған:

0 | Соруды бастаңыз, жұмыс режимі «6) режимінде» таңдалған режимге байланысты

1 | Көлем Дозалау көлемін орнатыңыз, егер «6» режимінде «Доза» таңдалса ғана есептеледі.

2 | V. Бірлік: дыбыс бірлігін орнатыңыз, опциялар: «мл»: мл «ул»: мкл «шірік»: айналымдар (сорғының)

3 | Жылдамдық Ағын жылдамдығын орнатыңыз, егер «6» режимінде «Доза» немесе «Сорғы» таңдалса ғана есептеледі.

4 | S. Unit: Дыбыс бірлігін орнатыңыз, опциялар: «мл/мин»: мл/мин «ул/мин»: мкл/мин «айн/мин»: айналу/мин

5 | Бағыт: Айдау бағытын таңдаңыз: «CW» сағат тілімен айналу үшін, «CCW» сағат тіліне қарсы

6 | Режим: Жұмыс режимін орнатыңыз: «Доза»: таңдалған көлемді (1 | Көлемді) таңдалған ағынның жылдамдығымен (3 | Жылдамдықпен) «Сорғы»: сорғыны таңдалған шығыс жылдамдығымен (3 | Жылдамдықпен) үздіксіз «Cal.» басталды: Калибрлеу, сорғы іске қосылған кезде 30 секунд ішінде 30 айналым жасайды

7 | Калибрлеу көлемін мл -де орнатыңыз. Калибрлеу үшін сорғы калибрлеу режимінде бір рет іске қосылады және алынған калибрлеу көлемі өлшенеді.

8 | Sett сақтау. Барлық параметрлерді Arduinos EEPROM -ге сақтаңыз, қуат өшірілген кезде мәндер сақталады және қуат қайта қосылған кезде қайта жүктеледі.

USB бақылауын белсендіру: сорғы USB арқылы жіберілген сериялық командаларға жауап береді

10 -қадам: Калибрлеу және дозалауды қолданыңыз

Сорғыны қолданар алдында дұрыс калибрлеуді орындау дәл мөлшерлеу мен айдау үшін өте маңызды. Калибрлеу сорғыға айналу кезінде қанша сұйықтық жылжитынын айтады, сондықтан сорғы орнатылған мәндерді қанағаттандыру үшін қанша айналымды және қандай жылдамдық қажет екенін есептей алады. Калибрлеуді бастау үшін «Cal» режимін таңдаңыз. және айдауды бастаңыз немесе калибрлеу пәрменін USB арқылы жіберіңіз. Стандартты калибрлеу циклі 30 секунд ішінде 30 айналым жасайды. Осы циклде айдалатын сұйықтық көлемі (калибрлеу көлемі) дәл өлшенуі керек. Құбырға жабысатын тамшылардың, түтіктің өз салмағының немесе кез келген басқа кедергілердің әсер етпейтініне көз жеткізіңіз. Біз калибрлеу үшін микрограмм шкаласын қолдануды ұсынамыз, өйткені егер сұйықтықтың айдалатын көлемінің тығыздығы мен салмағы белгілі болса, оның көлемін оңай есептеуге болады. Калибрлеу көлемін өлшегеннен кейін «7 | Cal» мәзір элементінің мәнін орнату арқылы сорғыны реттеуге болады. немесе оны сериялық командаларға тіркеу.

Құбыр қондырғысын калибрлегеннен кейінгі кез келген өзгеріс немесе қысым айырмашылығы сорғының дәлдігіне әсер ететінін ескеріңіз. Калибрлеуді сорғы кейінірек қолданылатын сол жағдайда жүргізуге тырысыңыз. Егер сіз түтікті алып тастап, оны сорғыға қайта орнатсаңыз, калибрлеу мәні 10%дейін өзгереді, себебі бұрандаларға қолданылатын орналасу мен күш айырмашылығы шамалы. Түтікшені тартып алу сонымен қатар калибрлеу мәнін өзгертеді. Егер калибрлеу қысым айырмашылығысыз орындалса және сорғы сұйықтықты басқа қысыммен айдау үшін қолданылса, бұл дәлдікке әсер етеді. Есіңізде болсын, тіпті бір метрлік деңгейдегі айырмашылық 0,1 бар қысымның айырмашылығын тудыруы мүмкін, бұл сорғы 0,8 мм түтікті пайдаланып, кем дегенде 1,5 бар қысымға жетсе де, калибрлеу мәніне аздап әсер етеді.

11 -қадам: сериялық интерфейс - USB арқылы қашықтан басқару

Сериялық интерфейс Arduino -ның USB арқылы сериялық байланыс интерфейсіне негізделген (Baud 9600, 8 деректер биті, паритеті жоқ, бір нүктелік бит). Сорғымен (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#және т. Сорғының барлық функцияларына сорғыға тиісті пәрменді жіберу арқылы қол жеткізуге болады, әр команданың соңында жаңа жолдың таңбасы '\ n' (ASCII 10) қажет.

Доза: d (көлемі мкл), (жылдамдығы мкл/мин), (калибрлеу көлемі мкл) '\ n'

мысалы: d1000, 2000, 1462 '\ n' (1 мл 2 мл/мин мөлшерлеу, калибрлеу көлемі = 1,462 мл)

Сорғы: p (жылдамдығы мкл/мин), (калибрлеу көлемі мкл) '\ n'

мысалы: p2000, 1462 '\ n' (сорғы 2 мл/мин, калибрлеу көлемі = 1,462 мл)

Калибрлеу: c '\ n'

Тоқтату: x '\ n'

Arduino ортасында (Arduino IDE) сериялық деректерді оқи алатын және жаза алатын кіріктірілген сериялық монитор бар, сондықтан сериялық командаларды жазбаша кодсыз тексеруге болады.

12 -қадам: Өз тәжірибеңізбен бөлісіңіз және сорғыны жетілдіріңіз

Егер сіз біздің сорғыны құрастырған болсаңыз, бағдарламалық қамтамасыз ету мен аппараттық құралдардың тәжірибесі мен жетілдірулерімен бөлісіңіз:

Thingiverse (3D басып шығарылған бөлшектер)

GitHub (бағдарламалық қамтамасыз ету)

Нұсқаулықтар (нұсқаулар, сымдар, жалпы)

13 -қадам: IGEM туралы білгіңіз келе ме?

IGEM (халықаралық Genetically Engineered Machine) қоры-білім беру мен бәсекелестікке, синтетикалық биологияны дамытуға, ашық қауымдастық пен ынтымақтастықты дамытуға арналған тәуелсіз, коммерциялық емес ұйым.

iGEM үш негізгі бағдарламаны іске қосады: iGEM Competition - синтетикалық биология саласына қызығушылық танытатын студенттерге арналған халықаралық байқау; Labs бағдарламасы - академиялық зертханаларға бәсекелестік командалармен бірдей ресурстарды қолдануға арналған бағдарлама; және стандартты биологиялық бөліктердің тізілімі - биологиялық қондырғылар мен жүйелерді құруға қолданылатын генетикалық бөліктердің өсіп келе жатқан жиынтығы.

igem.org/Main_Page