Pompa Peristaltik yang Tepat: 13 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Kami adalah tim mahasiswa dari berbagai disiplin ilmu di RWTH Aachen University dan telah membuat proyek ini dalam konteks kompetisi iGEM 2017.

Setelah semua pekerjaan yang masuk ke pompa kami, kami ingin membagikan hasil kami dengan Anda!

Kami membangun pompa peristaltik ini sebagai solusi penanganan cairan yang berlaku umum untuk setiap proyek yang membutuhkan transportasi cairan. Pompa kami mampu memberikan dosis dan pemompaan yang tepat, menyediakan berbagai volume dosis dan laju aliran untuk memaksimalkan kemungkinan aplikasi. Melalui 125 percobaan dosis, kami dapat mendemonstrasikan dan mengukur keakuratan pompa kami. Untuk tabung dengan diameter dalam 0, 8 mm dan laju aliran atau volume dosis apa pun dalam spesifikasi, kami dapat menunjukkan akurasi yang lebih baik daripada deviasi 2% dari nilai yang ditetapkan. Mengingat hasil pengukuran, akurasi dapat ditingkatkan lebih jauh jika kecepatan kalibrasi disesuaikan dengan laju aliran yang diperlukan.

Pompa dapat dikontrol tanpa pengetahuan pemrograman melalui layar LCD built-in dan tombol putar. Selain itu, pompa dapat dikendalikan dari jarak jauh melalui USB dengan perintah serial. Cara komunikasi sederhana ini kompatibel dengan perangkat lunak umum dan bahasa pemrograman (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#, dll.).

Pompa ini sederhana dan murah untuk diproduksi, dengan semua suku cadang berjumlah kurang dari $100 dibandingkan dengan $1300 untuk solusi komersial sebanding termurah yang dapat kami temukan. Selain printer 3D, hanya alat umum yang diperlukan. Proyek kami adalah open source dalam hal perangkat keras dan perangkat lunak. Kami menyediakan file CAD untuk bagian cetakan 3D, daftar lengkap semua komponen komersial yang diperlukan dan sumbernya, dan kode sumber yang digunakan di pompa kami.

Langkah 1: Periksa Spesifikasi

Cek spesifikasi dan pembahasan akurasi terlampir di bawah ini.

Apakah pompa memenuhi kebutuhan Anda?

Langkah 2: Kumpulkan Komponen

1x Arduino Uno R3/ papan yang kompatibel1x Motor stepper (PxLxD): 42x42x41 mm, Poros (ØxL): 5x22 mm1x Catu daya 12 V/ 3 A, konektor: 5,5 / 2,1 mm1x Driver motor langkah A49881x Modul LCD 16x2, (PxTxD): 80x36x13 mm3x Bantalan jarum HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm1x Encoder 5 V, 0,01 A, 20 posisi sakelar, 360 °1x Tabung pompa, ketebalan dinding 1,6 mm, 0,2m4x Perekat kaki kaki (L x L x T) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Pin lurus (Ø x L) 4 mm x 14 mm1x Kenop Kontrol (Ø x T) 16,8 mm x 14,5 mm1x Potensiometer/ Pemangkas 10k1x 220 Ohm Resistor1x Kapasitor 47µF, 25V

Pengkabelan:1x PCB (L x W) 80 mm x 52 mm, Jarak kontak 2,54 mm (CS)2x Pin strip, lurus, CS 2.54, arus nominal 3A, 36 pin1x Socket strip, lurus, CS 2.54, arus nominal 3A, 40 pin1x Kabel, warna berbeda (misalnya 2,5 mm, penampang 0, 5 mm²) Heat shrink (cocok untuk kabel, misalnya 3 mm)

Sekrup:4x M3, L = 25 mm (panjang tanpa head), ISO 4762 (hex head)7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (hex head)16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (hex head)4x Sekrup sadap kecil (untuk LCD, 2-2.5mm, L = 3-6 mm)1x M3, sekrup grub L=10mm, DIN 9161x M3, mur, ISO 4032

Bagian cetakan 3D: (Thingiverse)1x Case_main2 x Case_side (cetak 3D tidak diperlukan => penggilingan/pemotongan/penggergajian)1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120°1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Langkah 3: Pasca Pemrosesan Cetakan 3D

Bagian yang dicetak 3D harus dibersihkan setelah dicetak untuk menghilangkan residu dari proses pencetakan. Alat yang kami rekomendasikan untuk pascapemrosesan adalah file kecil dan pemotong utas untuk utas M3. Setelah proses pencetakan sebagian besar lubang harus diperlebar dengan menggunakan bor yang sesuai. Untuk lubang yang berisi sekrup M3, ulir harus dipotong dengan pemotong ulir yang disebutkan di atas.

Langkah 4: Kabel & Pengkabelan

Inti dari rangkaian terdiri dari Arduino dan perfboard. Pada perfboard adalah driver motor stepper, trimmer untuk LCD, kapasitor 47µF dan koneksi untuk catu daya dari berbagai komponen. Untuk mematikan Arduino dengan sakelar daya, catu daya Arduino terputus dan mengarah ke Perfboard. Untuk tujuan ini, dioda yang terletak di Arduino tepat di belakang colokan listrik tidak disolder dan dibawa ke perfboard sebagai gantinya.

Langkah 5: Pengaturan Perangkat Keras

Ada tiga pengaturan yang perlu dilakukan langsung di sirkuit.

Pertama-tama batas arus untuk driver motor langkah harus diatur, dengan mengatur sekrup kecil pada A4988. Misalnya, jika tegangan V_ref antara sekrup dan GND dalam keadaan aktif adalah 1V, batas arus adalah dua kali nilai: I_max = 2A (ini adalah nilai yang kami gunakan). Semakin tinggi arus, semakin tinggi torsi motor, memungkinkan kecepatan dan laju aliran yang lebih tinggi. Namun, juga konsumsi daya dan pengembangan panas meningkat.

Selanjutnya, mode motor stepper dapat diatur melalui tiga pin yang terletak di kiri atas driver motor stepper (MS1, MS2, MS3). Ketika MS2 berada di + 5V, seperti yang ditunjukkan pada diagram pengkabelan, motor dioperasikan dalam mode seperempat langkah, yang kami gunakan. Ini berarti bahwa tepat satu langkah (1,8 °) dilakukan untuk empat pulsa yang diterima oleh driver motor stepper pada pin STEP.

Sebagai nilai terakhir yang ditetapkan, trimmer pada perfboard dapat digunakan untuk mengatur kontras LCD.

Langkah 6: Uji Sirkuit dan Komponen

Sebelum perakitan, disarankan untuk menguji komponen dan sirkuit pada papan tempat memotong roti. Dengan cara ini, lebih mudah untuk menemukan dan memperbaiki kesalahan yang mungkin terjadi.

Anda sudah dapat mengupload software kami ke Arduino, untuk mencoba semua fungsi terlebih dahulu. Kami menerbitkan kode sumber di GitHub:

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

Langkah 7: Perakitan

Video menunjukkan perakitan komponen dalam urutan yang dimaksudkan tanpa kabel. Semua konektor pertama-tama harus dipasang ke komponen. Pengkabelan paling baik dilakukan pada titik di mana semua komponen dimasukkan, tetapi dinding samping belum diperbaiki. Sekrup yang sulit dijangkau dapat dengan mudah dijangkau dengan kunci pas segi enam.

1. Masukkan sakelar daya dan encoder ke dalam lubang yang ditentukan dan pasang ke casing. Pasang kenop kontrol ke encoder – hati-hati – setelah Anda memasang kenop, enkoder dapat rusak jika Anda mencoba melepasnya lagi.

2. Pasang layar LCD dengan sekrup kecil, pastikan untuk menyolder resistor dan kabel ke layar sebelum perakitan.

3. Pasang board Arduino Uno ke casing menggunakan sekrup M3 8 mm.

4. Masukkan motor langkah dan pasang ke casing bersama dengan bagian cetakan 3D (Pump_case_bottom) menggunakan empat sekrup M3 10 mm.

5. Pasang perfboard ke kasing – pastikan Anda menyolder semua komponen ke perfboard seperti yang ditunjukkan pada diagram pengkabelan.

6. Pasang komponen elektronik di dalam casing.

7. Tutup casing dengan menambahkan panel samping menggunakan sekrup M3 10x 8 mm.

8. Pasang bantalan dudukan seperti yang ditunjukkan dalam video dan pasang ke poros motor menggunakan sekrup grub 3 mm

9. Terakhir, pasang penyangga penghitung untuk menahan tabung (Pump_case_top_120°) dengan dua sekrup M3 25 mm dan masukkan tabung. Masukkan dua sekrup M3 25 mm untuk menjaga pipa tetap di tempatnya selama proses pompa

Langkah 8: Masukkan Tabung

Langkah 9: Kenali Antarmuka Pengguna (Kontrol manual)

Antarmuka pengguna menyediakan kontrol yang komprehensif dari pompa peristaltik. Ini terdiri dari layar LCD, kenop kontrol, dan sakelar daya. Kenop kontrol dapat diputar atau didorong.

Memutar kenop memungkinkan untuk memilih dari item menu yang berbeda, item menu di baris atas saat ini dipilih. Menekan kenop akan mengaktifkan item menu yang dipilih, ditunjukkan dengan persegi panjang yang berkedip. Persegi panjang yang berkedip menyiratkan bahwa item menu diaktifkan.

Setelah item menu diaktifkan, itu mulai tergantung pada item yang dipilih baik tindakan atau memungkinkan perubahan nilai yang sesuai dengan memutar kenop. Untuk semua item menu yang terhubung ke nilai numerik, kenop dapat ditahan untuk mengatur ulang nilai ke nol atau didorong dua kali untuk meningkatkan nilai sepersepuluh dari nilai maksimalnya. Untuk mengatur nilai yang dipilih dan menonaktifkan item menu, kenop perlu ditekan untuk kedua kalinya.

Saklar daya akan segera mematikan pompa dan semua komponennya (Arduino, motor step, driver motor step, LCD), kecuali jika pompa dihubungkan melalui USB. Arduino dan LCD dapat ditenagai oleh USB, sehingga sakelar daya tidak akan memengaruhinya.

Menu pompa memiliki 10 item, yang tercantum dan dijelaskan di bawah ini:

0|Mulai Mulai pemompaan, mode operasi tergantung pada mode yang dipilih pada “6) Mode”

1|VolumeMenyetel volume dosis, hanya dipertimbangkan jika "Dosis" dipilih pada "6) Mode"

2|V. Unit:Mengatur unit volume, pilihannya adalah:“mL”: mL“uL”: L“rot”: rotasi (pompa)

3|KecepatanSetel laju aliran, hanya dipertimbangkan jika "Dosis" atau "Pompa" dipilih pada "6) Mode"

4|S. Unit:Mengatur unit volume, pilihannya adalah:“mL/min”: mL/min“uL/min”: L/min“rpm”: rotasi/min

5 | Arah: Pilih arah pemompaan: "CW" untuk rotasi searah jarum jam, "CCW" untuk berlawanan arah jarum jam

6|Mode:Mengatur mode operasi:“Dosis”: dosis volume yang dipilih (1|Volume) pada laju aliran yang dipilih (3|Kecepatan) saat dimulai“Pompa”: memompa terus menerus pada laju aliran yang dipilih (3|Kecepatan) saat start“Cal.”: Kalibrasi, pompa akan melakukan 30 putaran dalam 30 detik saat dihidupkan

7|Cal. Tetapkan volume kalibrasi dalam mL. Untuk kalibrasi, pompa dijalankan sekali dalam mode kalibrasi dan volume kalibrasi yang dihasilkan yang dipompa diukur.

8|Simpan Sett. Simpan semua pengaturan ke Arduinos EEPROM, nilai dipertahankan selama power off dan reload, ketika power dihidupkan kembali

9|USB CtrlAktifkan Kontrol USB: Pompa bereaksi terhadap perintah serial yang dikirim melalui USB

Langkah 10: Kalibrasi dan Coba Dosis

Melakukan kalibrasi yang tepat sebelum menggunakan pompa sangat penting untuk dosis dan pemompaan yang tepat. Kalibrasi akan memberi tahu pompa berapa banyak cairan yang dipindahkan per putaran, sehingga pompa dapat menghitung berapa putaran dan kecepatan apa yang diperlukan untuk memenuhi nilai yang ditetapkan. Untuk memulai kalibrasi, pilih Mode “Cal”. dan mulai memompa atau mengirim perintah kalibrasi melalui USB. Siklus kalibrasi standar akan melakukan 30 putaran dalam 30 detik. Volume cairan yang dipompa selama siklus ini (volume kalibrasi) harus diukur dengan tepat. Pastikan bahwa pengukuran tidak terpengaruh oleh tetesan yang menempel pada tabung, berat tabung itu sendiri atau gangguan lainnya. Kami merekomendasikan menggunakan skala mikrogram untuk kalibrasi, karena Anda dapat dengan mudah menghitung volume, jika kepadatan dan berat jumlah cairan yang dipompa diketahui. Setelah Anda mengukur volume kalibrasi, Anda dapat menyesuaikan pompa dengan mengatur nilai item menu “7|Cal.” atau melampirkannya ke perintah serial Anda.

Harap dicatat bahwa setiap perubahan setelah kalibrasi pada dudukan pipa atau perbedaan tekanan akan mempengaruhi presisi pompa. Usahakan untuk melakukan kalibrasi selalu pada kondisi yang sama, di mana pompa akan digunakan nantinya. Jika Anda melepas tabung dan memasangnya kembali di pompa, nilai kalibrasi akan berubah hingga 10%, karena perbedaan kecil dalam posisi dan gaya yang diterapkan pada sekrup. Menarik tabung juga akan mengubah posisi dan nilai kalibrasi. Jika kalibrasi dilakukan tanpa perbedaan tekanan dan pompa kemudian digunakan untuk memompa cairan pada tekanan lain maka akan mempengaruhi presisi. Ingat bahkan perbedaan level satu meter dapat membuat perbedaan tekanan 0,1 bar, yang akan memiliki sedikit pengaruh pada nilai kalibrasi, bahkan jika pompa dapat mencapai tekanan minimal 1,5 bar menggunakan pipa 0,8 mm.

Langkah 11: Antarmuka Serial – Remote Control Melalui USB

Antarmuka serial didasarkan pada antarmuka komunikasi serial Arduino melalui USB (Baud 9600, 8 bit data, tidak ada paritas, bit satu atap). Perangkat lunak atau bahasa pemrograman apa pun yang mampu menulis data ke port serial dapat digunakan untuk berkomunikasi dengan pompa (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#, dll.). Semua fungsi pompa dapat diakses dengan mengirimkan perintah yang sesuai ke pompa, di akhir setiap perintah karakter baris baru '\n' (ASCII 10) diperlukan.

Dosis: d(volume dalam L), (kecepatan dalam L/mnt), (volume kalibrasi dalam L)'\n'

misalnya: d1000, 2000, 1462'\n' (dosis 1mL pada 2mL/menit, volume kalibrasi = 1,462mL)

Pompa: p(kecepatan dalam L/mnt), (volume kalibrasi dalam L)'\n'

misalnya: p2000, 1462'\n' (pompa pada 2mL/mnt, volume kalibrasi = 1,462mL)

Kalibrasi: c'\n'

Berhenti: x'\n'

Lingkungan Arduino (Arduino IDE) memiliki monitor serial built-in, yang dapat membaca dan menulis data serial, oleh karena itu perintah serial dapat diuji tanpa kode tertulis.

Langkah 12: Bagikan Pengalaman Anda dan Tingkatkan Pompa

Jika Anda telah membangun pompa kami, silakan bagikan pengalaman dan peningkatan Anda dalam perangkat lunak dan perangkat keras di:

Thingiverse (bagian cetak 3D)

GitHub (perangkat lunak)

Instructables (instruksi, wiring, umum)

Langkah 13: Penasaran Tentang IGEM?

iGEM (International Genetically Engineered Machine) Foundation adalah organisasi nirlaba independen yang didedikasikan untuk pendidikan dan kompetisi, kemajuan biologi sintetik, dan pengembangan komunitas dan kolaborasi terbuka.

iGEM menjalankan tiga program utama: Kompetisi iGEM - kompetisi internasional untuk siswa yang tertarik di bidang biologi sintetik; Program Labs - program untuk laboratorium akademik untuk menggunakan sumber daya yang sama dengan tim kompetisi; dan Registry of Standard Biological Parts - kumpulan bagian genetik yang terus bertambah yang digunakan untuk membangun perangkat dan sistem biologis.

igem.org/Main_Page