Demonstratie Autosampler: 6 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Deze instructable is gemaakt om te voldoen aan de projectvereiste van de Makecourse aan de University of South Florida (www.makecourse.com)

Bemonstering is een belangrijk aspect van bijna elk wetlab, omdat ze kunnen worden geanalyseerd om belangrijke informatie te verschaffen voor onderzoek, de industrie, enz. De frequentie van de bemonstering kan echter vervelend zijn en vereist de frequente aanwezigheid van iemand om het monster te nemen, inclusief weekends, vakanties, enz. Een autosampler kan een dergelijke vraag verlichten en elimineert de noodzaak voor het plannen en onderhouden van een bemonsteringsschema en het personeel om het uit te voeren. In deze Instructable werd een demonstratie-autosampler geconstrueerd als een eenvoudig systeem dat gemakkelijk kan worden geconstrueerd en bediend. Bekijk de gelinkte video om een glimp op te vangen van de ontwikkeling van dit project.

Het volgende is een lijst van de materialen die zijn gebruikt om dit project te bouwen, al deze componenten zouden met een snelle zoekopdracht in winkels of online moeten kunnen worden gevonden:

• 1 x 3D-printer
• 1 x Heet Lijmpistool
• 3 x schroeven
• 1 x schroevendraaier
• 1 x Arduino Uno
• 1 x Breadboard
• 1 x USB naar Arduino-kabel
• 1 x 12V, 1A vatstekker externe voeding
• 1 x 12V Peristaltische Pomp met Iduino Driver
• 1 x Nema 17 stappenmotor met EasyDriver
• 1 x magnetische reed-schakelaar
• 2 x knoppen
• 1 x 25 ml monsterflesje
• 1 x 1,5 "x 1,5" piepschuimblok, uitgehold
• Pin-draden voor het aansluiten van Arduino en breadboard
• CAD-software (bijv. Fusion 360/AutoCAD)

Stap 1: Fabriceer een lineair tandheugel- en rondselsysteem

Om de flacon omhoog en omlaag te brengen om het monster te ontvangen, heb ik een lineair tandheugelsysteem gebruikt dat is overgenomen van Thingiverse (https://www.thingiverse.com/thing:3037464) met eer aan de auteur: MechEngineerMike. Elk tandheugel- en rondselsysteem van de juiste maat zou echter moeten werken. Dit bijzondere tandheugelsysteem wordt met schroeven aan elkaar gemonteerd. Terwijl een servo in de afbeeldingen wordt getoond, werd een stappenmotor gebruikt om het benodigde koppel te leveren.

Aanbevolen afdrukinstellingen (voor het afdrukken van alle stukken):

• Vlotten: Nee
• Ondersteunt: Nee
• Resolutie: 0,2 mm
• Invulling: 10%
• Afhankelijk van de kwaliteit van uw 3D-printer, zal het schuren van afgedrukte stukjes onvolkomenheden de montage soepeler maken

Stap 2: Fabriceer standaard

Om het sensorblok (later besproken) en de slang van de peristaltische pomp te huisvesten om de flacon met monster te vullen, moet een standaard worden gefabriceerd. Omdat dit een demonstratiemodel is waarbij gaandeweg wijzigingen moeten worden aangebracht, is een modulaire aanpak toegepast. Elk blok is ontworpen als een mannelijke naar vrouwelijke configuratie met drie pinnen/gaten aan hun respectievelijke uiteinden om gemakkelijke wijziging, montage en demontage mogelijk te maken. Het hoekbouwblok fungeerde als basis en bovenzijde van de stand, terwijl het andere blok diende om de standhoogte te verlengen. De schaal van het systeem hangt af van de grootte van het monster dat moet worden genomen. Voor dit specifieke systeem werden flacons van 25 ml gebruikt en de blokken werden ontworpen met de volgende afmetingen:

• Blok H x B X D: 1,5" x 1,5" x 0,5"
• Mannelijke/vrouwelijke pinradius x lengte: 0,125" x 0,25"

Stap 3: Fabriceer sensorblokken

Om een flacon met monster op commando te vullen, werd een sensorgebaseerde benadering gebruikt. Een magnetische reed-schakelaar wordt gebruikt om de peristaltische pomp te activeren wanneer de twee magneten bij elkaar worden gebracht. Om dit te doen wanneer de flacon wordt opgetild om het monster te ontvangen, zijn blokken ontworpen met dezelfde afmetingen en een vergelijkbaar ontwerp als die waarmee de standaard is gemaakt, maar met vier gaten in de buurt van elke hoek voor pinnen (met dezelfde straal als de mannelijke/vrouwelijke pinnen van de blokken en een lengte van 2 "maar met een iets dikkere kop om te voorkomen dat het blok wegglijdt) met een ander gat met een diameter van 0,3" in het midden voor de slang die de flacon zal vullen. Twee sensorblokken zijn op elkaar gestapeld met pinnen die door de hoekgaten van elk blok gaan. Het uiteinde van de pinnen is gecementeerd in de hoekgaten van het bovenste sensorblok om de blokken te stabiliseren, er is hete lijm gebruikt, maar de meeste andere lijmen zouden ook moeten werken. Met elke helft van de schakelaar aan de zijkant van elk blok, wanneer de flacon wordt opgetild door het geactiveerde lineaire tandheugel- en rondselsysteem om het monster te ontvangen, zal het onderste blok langs de lengte van de pinnen omhoog komen om de bovenste sensor te ontmoeten blokkeer en sluit de magnetische schakelaars aan, waardoor de peristaltische pomp wordt geactiveerd. Merk op dat het belangrijk is om de pinnen en hoekgaten zo te ontwerpen dat ze voldoende speling hebben zodat het onderste blok gemakkelijk op en neer kan schuiven over de lengte van de pinnen (minstens 1/8").

Stap 4: Besturing: Arduino-code en verbindingen maken

Deel A: Codebeschrijving

Om het systeem te laten functioneren zoals bedoeld, wordt een Arduino Uno-bord gebruikt om deze gewenste functies uit te voeren. De vier belangrijkste componenten die controle vereisen, zijn: het starten van het proces dat in dit geval de knoppen omhoog en omlaag waren, de stappenmotor om het lineaire tandheugel- en rondselsysteem dat de flacon vasthoudt, omhoog en omlaag te brengen, de magnetische reed-schakelaar om te activeren wanneer de sensorblokken omhoog worden gebracht door de flacon, en de peristaltische pomp om de flacon aan te zetten en te vullen wanneer de magnetische reed-schakelaar is geactiveerd. Om de Arduino deze gewenste acties voor het systeem te laten uitvoeren, moet de juiste code voor elk van de beschreven functies in de Arduino worden geüpload. De code (becommentarieerd om het gemakkelijk te volgen te maken) die in dit systeem werd gebruikt, bestond uit twee primaire delen: de hoofdcode en de stappenmotorklasse die is samengesteld uit een header (.h) en C++ (.cpp) en zijn bijgevoegd als pdf-bestanden met de bijbehorende namen. Theoretisch kan deze code worden gekopieerd en geplakt, maar er moet worden nagegaan of er geen overdrachtsfout is opgetreden. De hoofdcode is wat eigenlijk de meeste van de gewenste functies voor dit project uitvoert en is uiteengezet in de onderstaande primaire elementen en zou gemakkelijk moeten kunnen worden gevolgd in de becommentarieerde code:

• Voeg de klas toe om de stappenmotor te bedienen
• Definieer alle variabelen en hun toegewezen pinlocaties op de Arduino
• Definieer alle interfacecomponenten als inputs of outputs naar de Arduino, schakel de stappenmotor in
• Een if-statement dat de peristaltische pomp inschakelt als de reed-schakelaar wordt geactiveerd (dit if-statement staat in alle andere if- en while-lussen om ervoor te zorgen dat we constant controleren of de pomp moet worden ingeschakeld)
• Overeenkomstige if-statements dat wanneer de omhoog of omlaag wordt ingedrukt om de stappenmotor een bepaald aantal keren (met behulp van een while-lus) in de overeenkomstige richting te draaien

De stappenmotorklasse is in wezen een blauwdruk waarmee programmeurs gemakkelijk vergelijkbare hardware met dezelfde code kunnen besturen; theoretisch kun je dit kopiëren en voor verschillende stappenmotoren gebruiken in plaats van elke keer code te moeten herschrijven! Het header-bestand of.h-bestand bevat alle definities die specifiek voor deze klasse zijn gedefinieerd en gebruikt (zoals het definiëren van de variabele in de hoofdcode). De C++-code of het.cpp-bestand is het eigenlijke werkgedeelte van de klasse en specifiek voor de steppr-motor.

Deel B: Hardware-installatie

Omdat de Arduino slechts 5V levert en de stappenmotor en peristaltische pomp 12V nodig hebben, is een externe voedingsbron vereist en geïntegreerd met de juiste stuurprogramma's voor elk. Omdat het opzetten van de verbindingen tussen het breadboard, Arduino en werkende componenten ingewikkeld en vervelend kan zijn, is er een bedradingsschema bijgevoegd om de hardware-configuratie van het systeem gemakkelijk te laten zien voor eenvoudige replicatie.

Stap 5: Monteer

Nu de onderdelen zijn afgedrukt, de hardware is aangesloten en de code is ingesteld, is het tijd om alles bij elkaar te brengen.

1. Monteer het tandheugelsysteem met de arm van de stappenmotor in de gleuf van het tandwiel dat bedoeld is voor de servomotor (zie de afbeeldingen in stap 1).
2. Bevestig het piepschuimblok aan de bovenkant van het rek (ik gebruikte hete lijm).
3. Steek de flacon in het uitgeholde blok piepschuim (piepschuim biedt isolatie om degradatie van uw monster tegen te gaan totdat u het kunt ophalen).
4. Monteer de modulaire standaard met de hoekblokken voor de basis en bovenkant, voeg zoveel andere blokken toe om de juiste hoogte te krijgen die overeenkomt met de hoogte die het tandheugel- en rondselsysteem omhoog en omlaag brengt. Zodra een definitieve configuratie is ingesteld, wordt aanbevolen om lijm in de vrouwelijke uiteinden van de blokken aan te brengen en de mannelijke uiteinden te verwijderen. Dit zorgt voor een sterke bong en verbetert de integriteit van het systeem.
5. Bevestig de respectieve helften van de magnetische reed-schakelaars aan elk sensorblok.
6. Zorg ervoor dat het sensorblok aan de onderkant van de sensor vrij kan bewegen over de lengte van de pinnen (d.w.z. dat er voldoende speling is in de gaten).
7. Monteer de Arduino en de juiste bedrade verbindingen, deze zijn allemaal ondergebracht in de zwarte doos in de afbeelding, samen met de stappenmotor.
8. Steek de USB-kabel in de Arduino en vervolgens in een 5V-bron.
9. Sluit de externe voeding aan op een stopcontact (let op om mogelijke kortsluiting van uw Arduino te voorkomen, het is erg belangrijk om het in deze volgorde te doen en ervoor te zorgen dat de Arduino niets van metaal aanraakt of dat er gegevens naar worden geüpload wanneer deze wordt aangesloten op de externe stroomvoorziening).
10. Dubbelcheck ALLES
11. Steekproef!

Stap 6: Voorbeeld

Gefeliciteerd! Je hebt je eigen demonstratie autosampler gemaakt! Hoewel deze autosampler niet zo praktisch zou zijn om in een laboratorium te gebruiken zoals hij is, zouden een paar aanpassingen dit wel maken! Houd een toekomstige instructable in de gaten voor het upgraden van uw demonstratie-autosampler om te kunnen gebruiken in een echt laboratorium! Laat in de tussentijd gerust je trotse werk zien en gebruik het naar eigen inzicht (misschien een chique drankautomaat!)