ตัวอย่างการสาธิตอัตโนมัติ: 6 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

คำแนะนำนี้ถูกสร้างขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของโครงการ Makecourse ที่มหาวิทยาลัยเซาท์ฟลอริดา (www.makecourse.com)

การสุ่มตัวอย่างเป็นส่วนสำคัญของ wetlab เกือบทุกประเภท เนื่องจากสามารถวิเคราะห์เพื่อให้ข้อมูลสำคัญสำหรับการวิจัย อุตสาหกรรม ฯลฯ อย่างไรก็ตาม ความถี่ของการสุ่มตัวอย่างอาจเป็นเรื่องที่น่าเบื่อหน่ายและจำเป็นต้องมีคนอยู่บ่อยครั้งเพื่อเก็บตัวอย่างดังกล่าว รวมทั้งวันหยุดสุดสัปดาห์ วันหยุดนักขัตฤกษ์ ฯลฯ. เครื่องเก็บตัวอย่างอัตโนมัติสามารถลดความต้องการดังกล่าวและขจัดความจำเป็นในการจัดกำหนดการและการรักษากำหนดการสุ่มตัวอย่างและบุคลากรในการดำเนินการ ในคำแนะนำนี้ เครื่องเก็บตัวอย่างอัตโนมัติสาธิตถูกสร้างขึ้นเป็นระบบง่าย ๆ ที่สามารถสร้างและใช้งานได้อย่างง่ายดาย โปรดดูวิดีโอที่เชื่อมโยงเพื่อดูภาพรวมของการพัฒนาโครงการนี้

ต่อไปนี้คือรายการวัสดุที่ใช้ในการสร้างโครงการนี้ ส่วนประกอบทั้งหมดเหล่านี้ควรสามารถพบได้ในร้านค้าหรือทางออนไลน์ด้วยการค้นหาอย่างรวดเร็ว:

• เครื่องพิมพ์ 3 มิติ 1 x
• 1 x ปืนกาวร้อน
• 3 x สกรู
• 1 x ไขควง
• 1 x Arduino Uno
• 1 x เขียงหั่นขนม
• 1 x USB เข้ากับสายเคเบิล Arduino
• 1 x 12V, 1A Barrel Plug แหล่งจ่ายไฟภายนอก
• 1 x 12V Peristaltic เครื่องสูบน้ำ พร้อมไดรเวอร์ Iduino
• 1 x Nema 17 Stepper เครื่องยนต์ พร้อมEasyDriver
• 1 x สวิตช์กกแม่เหล็ก
• 2 x ปุ่ม
• ขวดตัวอย่าง 1 x 25mL
• บล็อคโฟม 1 x 1.5" x 1.5" เจาะรู
• พินสายไฟสำหรับเชื่อมต่อ Arduino และเขียงหั่นขนม
• ซอฟต์แวร์ CAD (เช่น Fusion 360/AutoCAD)

ขั้นตอนที่ 1: สร้างระบบแร็คแอนด์พิเนียนเชิงเส้น

ในการที่จะยกและลดระดับขวดยาเพื่อรับตัวอย่าง ฉันใช้ระบบแร็คแอนด์พิเนียนเชิงเส้นที่นำมาจาก Thingiverse (https://www.thingiverse.com/thing:3037464) ด้วยเครดิตจากผู้เขียน: MechEngineerMike อย่างไรก็ตาม ระบบแร็คแอนด์พิเนียนที่มีขนาดเหมาะสมควรใช้งานได้ ระบบแร็คแอนด์พิเนียนนี้ติดตั้งร่วมกับสกรู ในขณะที่เซอร์โวแสดงในรูปภาพ มีการใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์เพื่อให้แรงบิดที่จำเป็น

การตั้งค่าการพิมพ์ที่แนะนำ (สำหรับการพิมพ์ทั้งหมด):

• แพ: ไม่
• รองรับ: ไม่
• ความละเอียด:.2mm
• เติม: 10%
• ขึ้นอยู่กับคุณภาพของเครื่องพิมพ์ 3 มิติของคุณ การขัดชิ้นงานที่พิมพ์ไม่สมบูรณ์จะทำให้การประกอบราบรื่นขึ้น

ขั้นตอนที่ 2: ประดิษฐ์ขาตั้ง

ในการจัดเก็บบล็อกเซ็นเซอร์ (จะกล่าวถึงในภายหลัง) และท่อจากปั๊มรีดท่อเพื่อเติมตัวอย่างในขวด จำเป็นต้องสร้างขาตั้ง เนื่องจากเป็นแบบจำลองสาธิตซึ่งจำเป็นต้องทำการเปลี่ยนแปลงระหว่างทาง จึงใช้วิธีการแบบแยกส่วน แต่ละบล็อกได้รับการออกแบบให้เป็นโครงแบบชายกับหญิงโดยมีหมุด/รูสามตัวที่ปลายแต่ละอันเพื่อให้สามารถดัดแปลง ประกอบ และถอดประกอบได้ง่าย บล็อกสำเร็จรูปแบบเข้ามุมทำหน้าที่เป็นฐานและส่วนบนของขาตั้ง ขณะที่บล็อกอื่นทำหน้าที่ขยายความสูงของขาตั้ง ขนาดของระบบขึ้นอยู่กับขนาดของตัวอย่างที่ต้องการถ่าย ขวดขนาด 25 มล. ถูกใช้สำหรับระบบนี้โดยเฉพาะ และบล็อกได้รับการออกแบบด้วยขนาดต่อไปนี้:

• บล็อก สูง x กว้าง X ลึก: 1.5" x 1.5" x 0.5"
• รัศมีขาชาย/หญิง x ความยาว: 0.125" x 0.25"

ขั้นตอนที่ 3: สร้างบล็อกเซ็นเซอร์

ในการเติมขวดด้วยตัวอย่างตามคำสั่ง ใช้วิธีการแบบเซ็นเซอร์ สวิตช์กกแม่เหล็กใช้เพื่อเปิดใช้งานปั๊มรีดท่อเมื่อนำแม่เหล็กทั้งสองมารวมกัน เมื่อต้องการทำเช่นนี้เมื่อยกขวดยาขึ้นเพื่อรับตัวอย่าง บล็อกที่มีขนาดเท่ากันและการออกแบบที่คล้ายกันของที่ใช้ทำขาตั้งได้รับการออกแบบ แต่มีสี่รูใกล้แต่ละมุมสำหรับหมุด (มีรัศมีเท่ากันกับตัวผู้/ตัวเมีย หมุดของบล็อกและความยาว 2 "แต่มีหัวที่หนากว่าเล็กน้อยเพื่อป้องกันไม่ให้บล็อกเลื่อนออก) โดยมีรูเส้นผ่านศูนย์กลางอีก 0.3" ตรงกลางสำหรับท่อที่จะเติมขวด บล็อกเซ็นเซอร์สองบล็อกซ้อนกันโดยมีหมุดลอดผ่านรูมุมของแต่ละบล็อก ปลายหมุดยึดเข้ากับรูที่มุมของบล็อกเซ็นเซอร์ด้านบนเพื่อให้บล็อกมีเสถียรภาพ มีการใช้กาวร้อน แต่กาวอื่นๆ ส่วนใหญ่ก็ควรใช้งานได้เช่นกัน โดยที่แต่ละครึ่งของสวิตช์จะติดอยู่ที่ด้านข้างของแต่ละบล็อก เมื่อขวดยาถูกยกขึ้นโดยระบบแร็คและปีกนกเชิงเส้นที่เปิดใช้งานเพื่อรับตัวอย่าง มันจะยกบล็อกด้านล่างขึ้นตามความยาวของหมุดเพื่อให้ตรงกับเซ็นเซอร์ด้านบน บล็อกและเชื่อมต่อสวิตช์แม่เหล็ก เปิดใช้งานปั๊มรีดท่อ โปรดทราบว่าสิ่งสำคัญคือต้องออกแบบหมุดและรูที่มุมให้มีระยะห่างเพียงพอเพื่อให้บล็อกด้านล่างเลื่อนขึ้นและลงตามความยาวของหมุดได้อย่างง่ายดาย (อย่างน้อย 1/8")

ขั้นตอนที่ 4: การควบคุม: สร้างรหัส Arduino และการเชื่อมต่อ

ส่วน A: คำอธิบายรหัส

เพื่อให้ระบบทำงานได้ตามที่ตั้งใจไว้ บอร์ด Arduino Uno ถูกใช้เพื่อทำหน้าที่ที่ต้องการเหล่านี้ ส่วนประกอบหลักสี่อย่างที่ต้องมีการควบคุม ได้แก่ การเริ่มต้นกระบวนการซึ่งในกรณีนี้คือปุ่มขึ้นและลง สเต็ปเปอร์มอเตอร์เพื่อยกและลดระดับแร็คเชิงเส้นและระบบปีกนกที่ถือขวดยา สวิตช์กกแม่เหล็กเพื่อเปิดใช้งานเมื่อบล็อกเซ็นเซอร์ถูกยกขึ้น โดยขวดนมและปั๊ม peristaltic เพื่อเปิดและเติมขวดเมื่อเปิดใช้งานสวิตช์กกแม่เหล็ก เพื่อให้ Arduino ดำเนินการตามที่ต้องการเหล่านี้สำหรับระบบ โค้ดที่เหมาะสมสำหรับแต่ละฟังก์ชันที่ระบุไว้จะต้องอัปโหลดไปยัง Arduino รหัส (แสดงความคิดเห็นเพื่อให้ง่ายต่อการติดตาม) ที่ใช้ในระบบนี้ประกอบด้วยสองส่วนหลัก: รหัสหลัก และคลาสมอเตอร์สเต็ปซึ่งประกอบด้วยส่วนหัว (.h) และ C++ (.cpp) และ แนบมาเป็นไฟล์ pdf ที่มีชื่อตรงกัน ในทางทฤษฎีรหัสนี้สามารถคัดลอกและวางได้ แต่ควรตรวจสอบให้ดีว่าไม่มีข้อผิดพลาดในการถ่ายโอน โค้ดหลักคือสิ่งที่ดำเนินการฟังก์ชันส่วนใหญ่ที่ต้องการสำหรับโปรเจ็กต์นี้จริง ๆ และมีโครงร่างในองค์ประกอบหลักด้านล่าง และควรจะติดตามได้ง่ายในโค้ดที่แสดงความคิดเห็น:

• รวมคลาสเพื่อใช้งานสเต็ปเปอร์มอเตอร์
• กำหนดตัวแปรทั้งหมดและตำแหน่งพินที่ได้รับมอบหมายบน Arduino
• กำหนดส่วนประกอบที่เชื่อมต่อทั้งหมดเป็นอินพุตหรือเอาต์พุตไปยัง Arduino เปิดใช้งานสเต็ปเปอร์มอเตอร์
• คำสั่ง if ที่จะเปิดปั๊ม peristaltic ถ้าสวิตช์กกทำงานอยู่ (ถ้าคำสั่งนี้อยู่ในลูปอื่น ๆ ทั้งหมด if และ while เพื่อให้แน่ใจว่าเรากำลังตรวจสอบอยู่เสมอว่าควรเปิดปั๊มหรือไม่)
• สอดคล้องถ้าข้อความว่าเมื่อกดขึ้นหรือลงเพื่อหมุนสเต็ปเปอร์มอเตอร์เป็นจำนวนครั้ง (โดยใช้ลูป while) ในทิศทางที่สอดคล้องกัน

คลาสสเต็ปเปอร์มอเตอร์นั้นเป็นพิมพ์เขียวที่ช่วยให้โปรแกรมเมอร์สามารถควบคุมฮาร์ดแวร์ที่คล้ายกันด้วยรหัสเดียวกันได้อย่างสะดวก ในทางทฤษฎีคุณสามารถคัดลอกสิ่งนี้และใช้กับสเต็ปเปอร์มอเตอร์ต่าง ๆ แทนที่จะต้องเขียนโค้ดใหม่ทุกครั้ง! ไฟล์ส่วนหัวหรือไฟล์.h มีคำจำกัดความทั้งหมดที่กำหนดไว้และใช้สำหรับคลาสนี้โดยเฉพาะ (เช่น การกำหนดตัวแปรในโค้ดหลัก) โค้ด C++ หรือไฟล์.cpp คือส่วนการทำงานจริงของคลาส และเฉพาะสำหรับสเต็ปมอเตอร์

ส่วน B: การตั้งค่าฮาร์ดแวร์

เนื่องจาก Arduino จ่ายไฟเพียง 5V และสเต็ปเปอร์มอเตอร์และปั๊มรีดท่อต้องการ 12V จึงจำเป็นต้องมีแหล่งพลังงานภายนอกและรวมเข้ากับไดรเวอร์ที่เหมาะสมสำหรับแต่ละตัว เมื่อตั้งค่าการเชื่อมต่อระหว่างเขียงหั่นขนม Arduino และส่วนประกอบที่ใช้งานได้อาจซับซ้อนและน่าเบื่อ เราได้แนบแผนผังไดอะแกรมการเดินสายไฟเพื่อแสดงการตั้งค่าฮาร์ดแวร์ของระบบอย่างง่ายดายเพื่อให้จำลองแบบได้ง่าย

ขั้นตอนที่ 5: ประกอบ

เมื่อพิมพ์ชิ้นส่วนต่างๆ ฮาร์ดแวร์มีสายและตั้งค่าโค้ด ก็ถึงเวลาที่จะนำทุกอย่างมารวมกัน

1. ประกอบระบบแร็คแอนด์พิเนียนโดยเสียบแขนของสเต็ปเปอร์มอเตอร์เข้าไปในช่องของเฟืองสำหรับเซอร์โวมอเตอร์ (ดูภาพในขั้นตอนที่ 1)
2. ติดบล็อกโฟมที่ด้านบนของชั้นวาง (ฉันใช้กาวร้อน)
3. ใส่ขวดลงในบล็อกโฟมที่มีโพรง (โฟมให้ฉนวนกันความร้อนเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของตัวอย่างของคุณจนกว่าคุณจะสามารถดึงกลับมาได้)
4. ประกอบขาตั้งแบบโมดูลาร์เข้ากับบล็อกมุมสำหรับฐานและด้านบน เพิ่มบล็อกอื่นๆ ให้ได้มากที่สุดเพื่อให้ได้ความสูงที่เหมาะสมเพื่อให้สอดคล้องกับความสูงที่ระบบแร็คและพิเนียนยกขึ้นและลง เมื่อกำหนดค่าขั้นสุดท้ายแล้ว แนะนำให้ใส่กาวที่ปลายตัวเมียของบล็อกและเสริมปลายตัวผู้ สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ถึงความแข็งแกร่งและจะปรับปรุงความสมบูรณ์ของระบบ
5. แนบครึ่งหนึ่งของสวิตช์กกแม่เหล็กตามลำดับเข้ากับบล็อกเซ็นเซอร์แต่ละอัน
6. ตรวจสอบให้แน่ใจว่าบล็อกเซ็นเซอร์ด้านล่างของเซ็นเซอร์เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระตามความยาวของหมุด (กล่าวคือ มีช่องว่างเพียงพอในรู)
7. ประกอบ Arduino และการเชื่อมต่อแบบมีสายที่เหมาะสม สิ่งเหล่านี้ทั้งหมดอยู่ในกล่องดำในภาพพร้อมกับสเต็ปเปอร์มอเตอร์
8. เสียบสาย USB เข้ากับ Arduino แล้วต่อกับแหล่งสัญญาณ 5V
9. เสียบแหล่งจ่ายไฟภายนอกเข้ากับเต้ารับ (โปรดทราบว่าเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ Arduino ของคุณลัดวงจร สิ่งสำคัญมากคือต้องทำตามลำดับนี้ และตรวจสอบให้แน่ใจว่า Arduino ไม่ได้สัมผัสกับโลหะใดๆ หรือมีข้อมูลที่อัปโหลดไว้เมื่อเสียบปลั๊กภายนอก แหล่งจ่ายไฟ)
10. ตรวจสอบทุกอย่างอีกครั้ง
11. ตัวอย่าง!

ขั้นตอนที่ 6: ตัวอย่าง

ยินดีด้วย! คุณได้สร้างเครื่องเก็บตัวอย่างอัตโนมัติสำหรับการสาธิตของคุณเองแล้ว! แม้ว่าเครื่องเก็บตัวอย่างอัตโนมัตินี้จะไม่สามารถใช้งานได้จริงในแล็บอย่างที่เป็นอยู่ แต่การดัดแปลงบางอย่างจะทำให้เป็นเช่นนั้น! คอยดูคำแนะนำในอนาคตเกี่ยวกับการอัพเกรดเครื่องเก็บตัวอย่างอัตโนมัติสาธิตของคุณเพื่อให้สามารถใช้ในห้องปฏิบัติการจริงได้! ในระหว่างนี้ โปรดแสดงผลงานที่น่าภาคภูมิใจของคุณและนำไปใช้ตามที่เห็นสมควร (อาจเป็นเครื่องจ่ายเครื่องดื่มสุดเก๋!)