مضخة تمعجية دقيقة: 13 خطوة

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

نحن فريق طلابي من تخصصات مختلفة في جامعة RWTH Aachen وقد أنشأنا هذا المشروع في سياق مسابقة iGEM 2017.

بعد كل العمل الذي تم في مضختنا ، نود مشاركة نتائجنا معك!

لقد قمنا ببناء هذه المضخة التمعجية كحل مناسب لمناولة السوائل بشكل عام لأي مشروع يتطلب نقل السوائل. مضختنا قادرة على تحديد الجرعات والضخ بدقة ، مما يوفر نطاقًا واسعًا من أحجام الجرعات ومعدلات التدفق لتحقيق أقصى قدر من التطبيقات الممكنة. من خلال 125 تجربة جرعات تمكنا من إظهار دقة المضخة وتحديد مقدارها. بالنسبة للأنابيب ذات القطر الداخلي 0 ، 8 مم وأي حجم تدفق أو حجم جرعات ضمن المواصفات ، يمكننا إظهار دقة أفضل من 2٪ انحراف عن القيمة المحددة. بالنظر إلى نتائج القياسات ، يمكن تحسين الدقة بشكل أكبر إذا تم ضبط سرعة المعايرة على معدل التدفق المطلوب.

يمكن التحكم في المضخة دون معرفة البرمجة عبر شاشة LCD المدمجة ومقبض دوار. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن التحكم في المضخة عن بعد عبر USB عن طريق الأوامر التسلسلية. تتوافق طريقة الاتصال البسيطة هذه مع البرامج الشائعة ولغات البرمجة (MATLAB و LabVIEW و Java و Python و C # وما إلى ذلك).

تعتبر المضخة بسيطة وغير مكلفة في التصنيع ، حيث يبلغ إجمالي جميع الأجزاء أقل من 100 دولار مقارنة بـ 1300 دولار لأرخص الحلول التجارية المماثلة التي يمكن أن نجدها. إلى جانب الطابعة ثلاثية الأبعاد ، هناك حاجة إلى الأدوات الشائعة فقط. مشروعنا مفتوح المصدر من حيث الأجهزة والبرامج. نحن نقدم ملفات CAD للأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، وقائمة كاملة بجميع المكونات التجارية المطلوبة ومصادرها ، وكود المصدر المستخدم في المضخة.

الخطوة 1: التحقق من المواصفات

تحقق من المواصفات ومناقشة الدقة المرفقة أدناه.

هل المضخة تلبي متطلباتك؟

الخطوة 2: اجمع المكونات

1x Arduino Uno R3 / لوحة متوافقة 1x محرك متدرج (WxHxD): 42x42x41 مم ، عمود (ØxL): 5x22 مم 1x مصدر الطاقة 12 فولت / 3 أمبير ، الموصل: 5.5 / 2.1 مم 1x محرك الخطوة A49881x وحدة LCD 16x2 ، (WxHxD): 80x36x13 مم 3 × محمل الإبرة HK 0408 (IØ × OØ × L) 4 مم × 8 مم × 8 مم 1x التشفير 5 فولت ، 0.01 أ ، 20 موضع تبديل ، 360 درجة 1x أنبوب المضخة ، سمك الجدار 1.6 مم ، 0.2 م 4 × القدم ذاتية اللصق (L x العرض × الارتفاع) 12.6 × 12.6 × 5.7 مم 3 × دبوس مستقيم (Ø × L) 4 مم × 14 مم 1 × مقبض التحكم (Ø × H) 16.8 مم × 14.5 مم 1 مقياس الجهد / الانتهازي 10 كيلو 1 × 220 أوم المقاوم 1x مكثف 47 درجة فهرنهايت ، 25 فولت

الأسلاك: 1x PCB (L × W) 80 مم × 52 مم ، تباعد التلامس 2.54 مم (CS) 2x شريط دبوس ، مستقيم ، CS 2.54 ، التيار الاسمي 3A ، 36 دبابيس 1x شريط مقبس ، مستقيم ، CS 2.54 ، تيار اسمي 3A ، 40 1x كابلات ، ألوان مختلفة (على سبيل المثال ، قطر 2.5 مم ، مقطع عرضي 0 ، 5 مم²) انكماش حراري (مناسب للكابلات ، على سبيل المثال قطر 3 مم)

البراغي: 4x M3 ، L = 25 مم (الطول بدون رأس) ، ISO 4762 (رأس سداسي) 7x M3 ، L = 16 مم ، ISO 4762 (رأس سداسي) 16x M3 ، L = 8 مم ، ISO 4762 (رأس سداسي) 4x برغي نقر صغير (لشاشات الكريستال السائل ، Ø 2-2.5 مم ، L = 3-6 مم) 1x M3 ، L = 10 مم لولب نكش ، DIN 9161x M3 ، صمولة ، ISO 4032

الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (طباعة ثلاثية الأبعاد ليست ضرورية => طحن / قطع / نشر) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

الخطوة 3: المعالجة اللاحقة للمطبوعات ثلاثية الأبعاد

يجب تنظيف الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد بعد الطباعة لإزالة أي بقايا من عملية الطباعة. الأدوات التي نوصي بها للمعالجة اللاحقة هي ملف صغير وقاطع خيط لسلاسل M3. بعد عملية الطباعة ، يجب توسيع معظم الثقوب باستخدام مثقاب مناسب. بالنسبة للفتحات التي تحتوي على براغي M3 ، يجب قطع الخيط باستخدام قاطع الخيط المذكور أعلاه.

الخطوة 4: الكابلات والأسلاك

يتكون جوهر الدائرة من Arduino و perfboard. يوجد على لوحة الأداء محرك متدرج ، وأداة تشذيب شاشة LCD ، ومكثف 47 درجة فهرنهايت ، ووصلات لتزويد الطاقة للمكونات المختلفة. من أجل إيقاف تشغيل Arduino بواسطة مفتاح الطاقة ، انقطع مصدر الطاقة في Arduino وأدى إلى Perfboard. لهذا الغرض ، كان الصمام الثنائي الموجود في Arduino خلف مقبس الطاقة غير ملحوم وتم إحضاره إلى لوحة الأداء بدلاً من ذلك.

الخطوة 5: إعدادات الجهاز

هناك ثلاثة إعدادات يجب إجراؤها مباشرة على الدائرة.

أولاً ، يجب ضبط الحد الحالي لمحرك الخطوة ، عن طريق ضبط المسمار الصغير على A4988. على سبيل المثال ، إذا كان الجهد V_ref بين المسمار و GND في حالة التشغيل هو 1 فولت ، فإن الحد الحالي هو ضعف القيمة: I_max = 2A (هذه هي القيمة التي استخدمناها). كلما زاد التيار ، زاد عزم دوران المحرك ، مما يسمح بسرعات أعلى ومعدلات تدفق أعلى. ومع ذلك ، يزداد أيضًا استهلاك الطاقة وتطور الحرارة.

علاوة على ذلك ، يمكن ضبط وضع المحرك السائر عبر المسامير الثلاثة الموجودة في الجزء العلوي الأيسر من محرك السائر (MS1 ، MS2 ، MS3). عندما يكون MS2 عند + 5 فولت ، كما هو موضح في مخطط الأسلاك ، يتم تشغيل المحرك في وضع ربع الخطوة ، والذي استخدمناه. هذا يعني أنه يتم تنفيذ خطوة واحدة بالضبط (1.8 درجة) لأربع نبضات يتلقاها سائق المحرك السائر عند دبوس STEP.

كقيمة أخيرة يتم ضبطها ، يمكن استخدام أداة التشذيب الموجودة على لوحة التحكم لضبط تباين شاشة LCD.

الخطوة 6: اختبار الدائرة والمكونات

قبل التجميع ، يوصى باختبار المكونات والدائرة على اللوح. بهذه الطريقة ، من الأسهل العثور على الأخطاء المحتملة وإصلاحها.

يمكنك بالفعل تحميل برنامجنا على Arduino ، لتجربة جميع الوظائف مسبقًا. نشرنا الكود المصدري على جيثب:

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

الخطوة 7: التجميع

يُظهر الفيديو تجميع المكونات بالتسلسل المقصود بدون الأسلاك. يجب أولاً توصيل جميع الموصلات بالمكونات. من الأفضل إجراء الأسلاك في النقطة التي يتم فيها إدخال جميع المكونات ، لكن الجدران الجانبية لم يتم إصلاحها بعد. يمكن الوصول بسهولة إلى البراغي التي يصعب الوصول إليها باستخدام مفتاح ربط سداسي.

1. أدخل مفتاح الطاقة والمشفّر في الفتحة المخصصة لهما وثبّتهما في العلبة. قم بتوصيل مقبض التحكم بجهاز التشفير - كن حذرًا - بمجرد توصيل المقبض ، فقد يؤدي ذلك إلى تدمير المشفر إذا حاولت إزالته مرة أخرى.

2. قم بتوصيل شاشة LCD بمسامير صغيرة ، تأكد من لحام المقاوم والأسلاك بالشاشة قبل التجميع.

3. ثبت لوحة Arduino Uno في العلبة باستخدام مسامير 8 مم M3.

4. أدخل المحرك المتدرج وأرفقه بالعلبة مع الجزء المطبوع ثلاثي الأبعاد (Pump_case_bottom) باستخدام أربعة مسامير ملولبة مقاس 10 مم M3.

5. قم بتوصيل لوحة الأداء بالحالة - تأكد من أنك قد قمت بلحام جميع المكونات بلوحة التحكم كما هو موضح في مخطط الأسلاك.

6. قم بتوصيل الأجزاء الإلكترونية داخل العلبة.

7. أغلق العلبة بإضافة الألواح الجانبية باستخدام براغي M3 10x 8 مم.

8. قم بتجميع حامل المحمل كما هو موضح في الفيديو وقم بتثبيته بعمود المحرك باستخدام برغي نكش 3 مم

9. أخيرًا ، قم بتركيب دعامة العداد لتثبيت الأنبوب (Pump_case_top_120 °) ببراغي M3 مقاس 25 مم وأدخل الأنبوب. أدخل اثنين من البراغي M3 مقاس 25 مم للحفاظ على الأنبوب في مكانه أثناء عملية المضخة

الخطوة 8: أدخل الأنبوب

الخطوة 9: التعرف على واجهة المستخدم (التحكم اليدوي)

توفر واجهة المستخدم تحكمًا شاملاً في المضخة التمعجية. يتكون من شاشة LCD ومقبض تحكم ومفتاح طاقة. يمكن لف مقبض التحكم أو دفعه.

يتيح تدوير المقبض الاختيار من بين عناصر قائمة مختلفة ، ويتم تحديد عنصر القائمة الموجود في السطر العلوي حاليًا. سيؤدي الضغط على المقبض إلى تنشيط عنصر القائمة المحدد ، والمشار إليه بمستطيل وامض. يشير المستطيل الوامض إلى تنشيط عنصر القائمة.

بمجرد تنشيط عنصر القائمة ، يبدأ بناءً على العنصر المحدد إما إجراء أو يسمح بتغيير القيمة المقابلة عن طريق تدوير المقبض. بالنسبة لجميع عناصر القائمة المتصلة بقيمة عددية ، يمكن الاحتفاظ بالمقبض لإعادة تعيين القيمة إلى الصفر أو دفعه مرتين لزيادة القيمة بمقدار عُشر قيمتها القصوى. لضبط القيمة المحددة وإلغاء تنشيط عنصر قائمة ، يجب دفع المقبض مرة ثانية.

سيقوم مفتاح الطاقة بإغلاق المضخة وكافة مكوناتها على الفور (Arduino ، محرك متدرج ، محرك متدرج ، شاشة LCD) ، باستثناء حالة توصيل المضخة عبر USB. يمكن تشغيل Arduino و LCD بواسطة USB ، بحيث لا يؤثر مفتاح الطاقة عليها.

تحتوي قائمة المضخات على 10 عناصر مدرجة وموصوفة أدناه:

0 | بدء الضخ ، يعتمد وضع التشغيل على الوضع المحدد في "6) الوضع"

1 | حجم اضبط حجم الجرعات ، لا يُنظر إليه إلا إذا تم تحديد "الجرعة" في "6) الوضع"

2 | وحدة V.

3 | السرعة اضبط معدل التدفق ، لا يؤخذ في الاعتبار إلا إذا تم تحديد "الجرعة" أو "المضخة" في "6) الوضع"

4 | S. الوحدة: اضبط وحدة الصوت ، الخيارات هي: "مل / دقيقة": مل / دقيقة "uL / دقيقة": µL / دقيقة "دورة في الدقيقة": دورات / دقيقة

5 | الاتجاه: اختر اتجاه الضخ: "CW" للدوران في اتجاه عقارب الساعة ، و "CCW" لعكس اتجاه عقارب الساعة

6 | الوضع: ضبط وضع التشغيل: "الجرعة": جرعة الحجم المحدد (1 | الحجم) بمعدل التدفق المحدد (3 | السرعة) عند بدء "المضخة": ضخ باستمرار بمعدل التدفق المحدد (3 | السرعة) عند بدأ "Cal.": المعايرة ، ستقوم المضخة بإجراء 30 دورة في 30 ثانية عند بدء التشغيل

7 | معايرة ضبط حجم المعايرة بالمل. للمعايرة ، يتم تشغيل المضخة مرة واحدة في وضع المعايرة ويتم قياس حجم المعايرة الناتجة التي تم ضخها.

8 | حفظ الضبط: احفظ جميع الإعدادات في Arduinos EEPROM ، حيث يتم الاحتفاظ بالقيم أثناء إيقاف التشغيل وإعادة التحميل ، عند تشغيل الطاقة مرة أخرى

9 | USB Ctrl تنشيط التحكم في USB: تتفاعل المضخة مع الأوامر التسلسلية المرسلة عبر USB

الخطوة 10: المعايرة وتجربة الجرعات

يعد إجراء المعايرة المناسبة قبل استخدام المضخة أمرًا بالغ الأهمية للجرعات والضخ بدقة. ستخبر المعايرة المضخة بكمية السائل التي يتم تحريكها في كل دورة ، بحيث يمكن للمضخة حساب عدد الدورات والسرعة اللازمة لتلبية القيم المحددة. لبدء المعايرة ، حدد الوضع "Cal." وابدأ في الضخ أو أرسل أمر المعايرة عبر USB. ستؤدي دورة المعايرة القياسية 30 دورة في 30 ثانية. يجب قياس حجم السائل الذي يتم ضخه خلال هذه الدورة (حجم المعايرة) بدقة. تأكد من أن القياس لا يتأثر بالقطرات الملتصقة بالأنبوب أو بوزن الأنبوب نفسه أو أي تداخلات أخرى. نوصي باستخدام مقياس ميكروغرام للمعايرة ، حيث يمكنك بسهولة حساب الحجم ، إذا كانت كثافة ووزن كمية السائل التي يتم ضخها معروفين. بمجرد قياس حجم المعايرة ، يمكنك ضبط المضخة عن طريق ضبط قيمة عنصر القائمة "7 | Cal." أو إرفاقه بأوامرك التسلسلية.

يرجى ملاحظة أن أي تغيير بعد المعايرة لحامل الأنبوب أو فرق الضغط سيؤثر على دقة المضخة. حاول إجراء المعايرة دائمًا في نفس الظروف ، حيث سيتم استخدام المضخة لاحقًا. إذا قمت بإزالة الأنبوب وتثبيته مرة أخرى في المضخة ، فستتغير قيمة المعايرة بنسبة تصل إلى 10٪ ، نظرًا للاختلافات الصغيرة في الوضع والقوة المطبقة على البراغي. سيؤدي سحب الأنبوب أيضًا إلى تغيير الموضع وبالتالي قيمة المعايرة. إذا تم إجراء المعايرة بدون فرق في الضغط واستخدمت المضخة لاحقًا لضخ السوائل عند ضغط آخر ، فسوف تؤثر على الدقة. تذكر أنه حتى اختلاف مستوى متر واحد يمكن أن يؤدي إلى فرق ضغط قدره 0.1 بار ، والذي سيكون له تأثير طفيف على قيمة المعايرة ، حتى لو وصلت المضخة إلى ضغط لا يقل عن 1.5 بار باستخدام أنبوب 0.8 مم.

الخطوة 11: الواجهة التسلسلية - التحكم عن بعد عبر USB

تعتمد الواجهة التسلسلية على واجهة الاتصال التسلسلي لـ Arduino عبر USB (Baud 9600 ، 8 بتات بيانات ، بدون تماثل ، بت توقف واحد). يمكن استخدام أي برنامج أو لغة برمجة قادرة على كتابة البيانات إلى منفذ تسلسلي للتواصل مع المضخة (MATLAB و LabVIEW و Java و python و C # وما إلى ذلك). يمكن الوصول إلى جميع وظائف المضخة عن طريق إرسال الأمر المقابل إلى المضخة ، في نهاية كل أمر ، يلزم وجود حرف سطر جديد '\ n' (ASCII 10).

الجرعة: d (الحجم في L) ، (السرعة بـ L / min) ، (حجم المعايرة بـ µL) '\ n'

على سبيل المثال: d1000 ، 2000 ، 1462 '\ n' (جرعة 1 مل عند 2 مل / دقيقة ، حجم المعايرة = 1.462 مل)

المضخة: p (السرعة بـ µL / min) ، (حجم المعايرة بـ µL) '\ n'

على سبيل المثال: p2000 ، 1462 '\ n' (مضخة عند 2 مل / دقيقة ، حجم المعايرة = 1.462 مل)

معايرة: c '\ n'

توقف: x '\ n'

تحتوي بيئة Arduino (Arduino IDE) على شاشة تسلسلية مضمنة ، يمكنها قراءة وكتابة البيانات التسلسلية ، وبالتالي يمكن اختبار الأوامر التسلسلية دون أي كود مكتوب.

الخطوة 12: شارك تجاربك وحسّن المضخة

إذا كنت قد قمت ببناء مضختنا ، فيرجى مشاركة تجاربك وتحسيناتك في البرامج والأجهزة على:

Thingiverse (أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد)

جيثب (برمجيات)

مواد تعليمية (تعليمات ، أسلاك ، عامة)

الخطوة 13: هل تشعر بالفضول حيال IGEM؟

مؤسسة iGEM (آلة الهندسة الوراثية الدولية) هي منظمة مستقلة غير ربحية مكرسة للتعليم والمنافسة ، والنهوض بالبيولوجيا التركيبية ، وتطوير مجتمع مفتوح وتعاون.

تدير iGEM ثلاثة برامج رئيسية: مسابقة iGEM - وهي مسابقة دولية للطلاب المهتمين بمجال البيولوجيا التركيبية. برنامج Labs - برنامج للمختبرات الأكاديمية لاستخدام نفس الموارد مثل فرق المسابقة ؛ وسجل الأجزاء البيولوجية القياسية - مجموعة متزايدة من الأجزاء الجينية المستخدمة لبناء الأجهزة والأنظمة البيولوجية.

igem.org/Main_Page