Demonstrasi Autosampler: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Instruksi ini dibuat untuk memenuhi persyaratan proyek Makecourse di University of South Florida (www.makecourse.com)

Pengambilan sampel merupakan aspek penting dari hampir semua laboratorium basah karena dapat dianalisis untuk memberikan informasi penting bagi penelitian, industri, dll. Namun frekuensi pengambilan sampel dapat membosankan dan memerlukan kehadiran seseorang yang sering untuk mengambil sampel tersebut termasuk akhir pekan, hari libur, dll. Sebuah autosampler dapat meringankan permintaan tersebut dan menghilangkan kebutuhan untuk penjadwalan dan memelihara jadwal pengambilan sampel dan personil untuk melaksanakannya. Dalam Instruksi ini, autosampler demonstrasi dibangun sebagai sistem sederhana yang dapat dengan mudah dibangun dan dioperasikan. Silakan tonton video tertaut untuk melihat sekilas gambaran perkembangan proyek ini.

Berikut ini adalah daftar bahan yang digunakan untuk membangun proyek ini, semua komponen ini harus dapat ditemukan di toko atau online dengan pencarian cepat:

• 1 x 3-D printer
• 1 x Pistol Lem Panas
• 3 x Sekrup
• 1 x Obeng
• 1 x Arduino Uno
• 1 x papan tempat memotong roti
• 1 x USB ke Kabel Arduino
• 1 x 12V, 1A Barel Plug Catu Daya Eksternal
• Pompa Peristaltik 1 x 12V dengan Driver Iduino
• 1 x Nema 17 Motor Stepper dengan EasyDriver
• 1 x Saklar Buluh Magnetik
• 2 x Tombol
• 1 x 25 mL botol sampel
• 1 x 1,5 "x 1,5" blok styrofoam, dilubangi
• Pin kabel untuk menghubungkan Arduino dan papan tempat memotong roti
• Perangkat lunak CAD (yaitu Fusion 360/AutoCAD)

Langkah 1: Buat Rak Linear dan Sistem Pinion

Untuk menaikkan dan menurunkan botol untuk menerima sampel, saya menggunakan sistem rak dan pinion linier yang diambil dari Thingiverse (https://www.thingiverse.com/thing:3037464) dengan kredit untuk penulis: MechEngineerMike. Namun, sistem rak dan pinion dengan ukuran yang tepat harus berfungsi. Sistem rak dan pinion khusus ini dipasang bersama dengan sekrup. Sementara servo ditunjukkan pada gambar, motor stepper digunakan untuk memberikan torsi yang diperlukan.

Pengaturan Cetak yang Disarankan (untuk mencetak semua bagian):

• Rakit: Tidak
• Mendukung: Tidak
• Resolusi:.2mm
• Isi: 10%
• Tergantung pada kualitas printer 3-D Anda, pengamplasan cetakan yang tidak sempurna akan membuat perakitan lebih lancar

Langkah 2: Buat Stand

Untuk menampung blok sensor (dibahas nanti) dan pipa dari pompa peristaltik untuk mengisi botol dengan sampel, penyangga perlu dibuat. Karena ini adalah model demonstrasi di mana perubahan perlu dilakukan di sepanjang jalan, pendekatan modular digunakan. Setiap blok dirancang sebagai konfigurasi male to female dengan tiga pin/lubang di ujungnya masing-masing untuk memudahkan modifikasi, perakitan, dan pembongkaran. Blok bangunan sudut berfungsi sebagai alas dan bagian atas stand, sedangkan blok lainnya berfungsi untuk memperpanjang tinggi stand. Skala sistem tergantung pada ukuran sampel yang ingin diambil. Botol 25mL digunakan untuk sistem khusus ini dan blok dirancang dengan dimensi berikut:

• Blok H x W X D: 1,5" x 1,5" x 0,5"
• Jari-jari Pin Pria/Wanita x Panjang: 0,125" x 0,25"

Langkah 3: Buat Blok Sensor

Untuk mengisi botol dengan sampel berdasarkan perintah, pendekatan berbasis sensor digunakan. Sebuah saklar buluh magnetik digunakan untuk mengaktifkan pompa peristaltik ketika dua magnet dibawa bersama-sama. Untuk melakukan ini ketika vial diangkat untuk menerima sampel, balok dengan dimensi yang sama dan desain yang sama dengan yang digunakan untuk membuat dudukan dirancang tetapi memiliki empat lubang di dekat setiap sudut untuk pen (dengan radius yang sama dengan jantan/betina pin balok dan panjang 2" tetapi dengan kepala sedikit lebih tebal untuk mencegah balok meluncur) dengan lubang berdiameter 0,3" lainnya di tengah untuk tabung yang akan mengisi botol. Dua blok sensor ditumpuk bersama dengan pin yang melewati lubang sudut setiap blok. Ujung pin disemen di lubang sudut blok sensor atas untuk menstabilkan blok, lem panas digunakan tetapi sebagian besar perekat lainnya harus bekerja juga. Dengan masing-masing setengah sakelar dilekatkan ke sisi setiap blok, ketika botol dinaikkan oleh rak linier dan sistem pinion yang diaktifkan untuk menerima sampel, itu akan menaikkan blok bawah ke sepanjang pin untuk memenuhi sensor atas memblokir dan menghubungkan sakelar magnet, mengaktifkan pompa peristaltik. Perhatikan bahwa penting untuk merancang pin dan lubang sudut agar memiliki jarak yang cukup untuk memungkinkan blok bawah dengan mudah meluncur ke atas dan ke bawah sepanjang pin (setidaknya 1/8").

Langkah 4: Kontrol: Buat Kode dan Koneksi Arduino

Bagian A: Deskripsi Kode

Agar sistem berfungsi sebagaimana dimaksud, papan Arduino Uno digunakan untuk menjalankan fungsi yang diinginkan ini. Empat komponen utama yang memerlukan kontrol adalah: memulai proses yang dalam hal ini adalah tombol naik dan turun, motor stepper untuk menaikkan dan menurunkan sistem rak dan pinion linier yang memegang botol, sakelar buluh magnet untuk mengaktifkan ketika blok sensor dinaikkan oleh botol, dan pompa peristaltik untuk menghidupkan dan mengisi botol ketika saklar buluh magnet diaktifkan. Agar Arduino dapat melakukan tindakan yang diinginkan ini untuk sistem, kode yang tepat untuk masing-masing fungsi yang diuraikan tersebut perlu diunggah ke Arduino. Kode (diberi komentar agar mudah diikuti) yang digunakan dalam sistem ini terdiri dari dua bagian utama: kode utama, dan kelas motor stepper yang terdiri dari header (.h) dan C++ (.cpp) dan dilampirkan sebagai file pdf dengan nama yang sesuai. Secara teoritis kode ini dapat disalin dan ditempel tetapi harus ditinjau ulang agar tidak terjadi kesalahan transfer. Kode utama adalah apa yang sebenarnya menjalankan sebagian besar fungsi yang diinginkan untuk proyek ini dan diuraikan dalam elemen utama di bawah ini dan harus dapat dengan mudah diikuti dalam kode yang dikomentari:

• Sertakan kelas untuk mengoperasikan motor stepper
• Tentukan semua variabel dan lokasi pin yang ditetapkan pada Arduino
• Tentukan semua komponen antarmuka sebagai input atau output ke Arduino, aktifkan motor stepper
• Pernyataan if yang menghidupkan pompa peristaltik jika sakelar buluh diaktifkan (pernyataan if ini ada di semua loop if dan while lainnya untuk memastikan bahwa kami terus-menerus memeriksa apakah pompa harus dihidupkan)
• Pernyataan if yang sesuai bahwa ketika tombol atas atau bawah ditekan untuk memutar motor stepper beberapa kali (menggunakan loop while) ke arah yang sesuai

Kelas motor stepper pada dasarnya adalah cetak biru yang memungkinkan pemrogram untuk mengontrol perangkat keras serupa dengan kode yang sama; secara teoritis Anda dapat menyalin ini dan menggunakannya untuk motor stepper yang berbeda daripada harus menulis ulang kode setiap saat! File header atau file.h berisi semua definisi yang didefinisikan dan digunakan secara khusus untuk kelas ini (seperti mendefinisikan variabel dalam kode utama). Kode C++ atau file.cpp adalah bagian kerja sebenarnya dari kelas dan khusus untuk motor steppr.

Bagian B: Pengaturan Perangkat Keras

Karena Arduino hanya memasok 5V dan motor stepper dan pompa peristaltik memerlukan 12V, sumber daya eksternal diperlukan dan terintegrasi dengan driver yang sesuai untuk masing-masing. Karena pengaturan koneksi antara papan tempat memotong roti, Arduino, dan komponen yang berfungsi dapat menjadi rumit dan membosankan, skema diagram pengkabelan telah dilampirkan untuk dengan mudah menunjukkan pengaturan perangkat keras sistem agar mudah direplikasi.

Langkah 5: Merakit

Dengan bagian-bagian yang dicetak, perangkat keras terhubung, dan kode diatur, inilah saatnya untuk menyatukan semuanya.

1. Rakit sistem rak dan pinion dengan lengan motor stepper yang dimasukkan ke dalam slot roda gigi yang dimaksudkan untuk motor servo (lihat gambar di langkah 1).
2. Tempelkan balok styrofoam di bagian atas rak (saya pakai lem panas).
3. Masukkan vial ke dalam blok styrofoam yang dilubangi, (styrofoam memberikan insulasi untuk memerangi degradasi sampel Anda sampai Anda dapat mengambilnya kembali).
4. Pasang dudukan modular dengan balok sudut untuk alas dan atas, tambahkan sebanyak mungkin balok lainnya untuk mendapatkan ketinggian yang sesuai dengan ketinggian yang dinaikkan dan diturunkan oleh sistem rak dan pinion. Setelah konfigurasi akhir disetel, disarankan untuk menempelkan perekat di ujung perempuan balok dan menempelkan ujung laki-laki. Ini memastikan bong yang kuat dan akan meningkatkan integritas sistem.
5. Pasang masing-masing bagian dari sakelar buluh magnetik ke setiap blok sensor.
6. Pastikan bahwa blok sensor bawah sensor bergerak bebas di sepanjang pin (yaitu, ada jarak yang cukup di dalam lubang).
7. Pasang Arduino dan koneksi kabel yang sesuai, ini semua ditempatkan di kotak hitam pada gambar bersama dengan motor stepper.
8. Colokkan kabel USB ke Arduino dan kemudian ke sumber 5V.
9. Colokkan catu daya eksternal ke stopkontak (perhatikan untuk menghindari kemungkinan korsleting Arduino Anda, sangat penting untuk melakukannya dalam urutan ini dan memastikan bahwa Arduino tidak menyentuh logam apa pun atau memiliki data yang diunggah saat ini mencolokkan eksternal Sumber Daya listrik).
10. Periksa kembali SEMUANYA
11. Sampel!

Langkah 6: Contoh

Selamat! Anda telah membuat autosampler demonstrasi Anda sendiri! Meskipun autosampler ini tidak begitu praktis untuk digunakan di lab sebagaimana adanya, beberapa modifikasi akan membuatnya begitu! Perhatikan instruksi di masa mendatang tentang peningkatan autosampler demonstrasi Anda agar dapat digunakan di lab yang sebenarnya! Sementara itu jangan ragu memamerkan karya bangga Anda dan menggunakannya sesuai keinginan Anda (mungkin dispenser minuman mewah!)