¶ 注射泵
💡 在阅读本章节之前建议先阅读并了解步进电机相关内容
💡 点此观看视频版本 一起来搭建简易注射泵
¶ 1. 简介
注射泵是一种智能化的注射装置、由步进电机及其驱动器、丝杆和支架等构成，具有往复移动的丝杆、螺母，因此也称为丝杆泵。其能够精确、均匀、持续地输送液体，可严格控制液体用量，保证流体最佳的有效浓度，合理地调节流体注射速度，连续输注各种流体。
¶ 2. 原理及组成
¶ 2.1. 原理
工作时，控制系统发出控制脉冲使步进电机旋转，而步进电机带动丝杆将旋转运动变成直线运动，推动注射器的活塞进行注射输送液体，实现高精度，平稳无脉动的液体传输。
¶ 2.2. 组成
下图为注射泵示意图，标明了注射泵的主要部件，包括步进电机、丝杠、注射器系统等。在实际搭建注射泵平台时，还需根据注射器尺寸的不同，设计夹具，对注射器进行固定。
¶ 2.3. 注射泵基本计算
与注射泵运行直接相关的是传动平台丝杠的导程参数，表示了丝杠每转一圈，滑块运动的距离(单位毫米)，本实例中传动平台型号为(T6*1 100mm)其中1表示导程为1mm。在样例程序中可以对传动平台的导程进行设置(见4.4节)。
根据圆柱体体积公式
因此，注射泵速率为
其中：
V 表示体积(立方毫米)
d 表示注射器直径(毫米)
h 表示柱体长度(毫米)
s 表示射泵速率(毫升/秒)
v 表示步进电机转速(转/秒)
l 表示导程(毫米/转)
¶ 3. 注射泵的优点
- 小巧易操作：体积小巧，占地面积更少。
- 无脉动输送：全程匀速运动，工作平稳无脉动， 宽范围运行速度。
- 适宜小容量输送流体：小容量输送液体时精度更高，配液更加灵活。
¶ 4. 搭建简易注射泵装置
¶ 4.1. 所需材料
❗ 注意: 购买链接可能存在失效的可能，若出现，可以自行搜索购买。
💡 将下载好的3D打印模型中的STL文件发送给3D打印商家即可打印。
采购链接 https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=769928450877
💡 上方链接为一站式集成采购链接，若需自行采购可参考下方表格。
| 编号 | 名称 | 数量 | 购买链接 |
|---|---|---|---|
| 1 | 丝杠传动平台 (T6*1 100mm) | 1台 | 欧力达电动滑轨模组 |
| 2 | 步进电机驱动器 | 1台 | TB6600步进电机驱动器 |
| 3 | esp32或其它微控制器 | 1台 | NODEMCU-32-S2 |
| 4 | 10毫升注射器 | 1只 | 医用一次性螺口注射器针管 |
| 5 | 注射器支架 | 1副 | 3D打印零件 模型下载 |
| 6 | 螺丝 | 若干 | M2.5*10内六角螺丝 |
| 7 | 杜邦线 | 若干 | 杜邦线 母对母/公对母/公对公 |
| 8 | 导线 | 若干 | 导线 |
| 9 | 24V电源 | 1台 | 24V2A电源适配器 |
| 10 | DC转接头 | 1个 | DC 5.5x2.5mm 转接头母头 |
¶ 4.2. 平台搭建方法
- 将注射器支架用螺丝固定在传动平台上。
- 将注射器安装在注射器支架上
¶ 4.3. 控制电路接线
按照以下电路图安装全部的硬件电路：
❗ 注意: 因P43、P44为开发板默认的串口引脚，因此不需要在此处接线，只需直接将开发板使用usb线连接至计算机即可使用计算机中出现的串口直接与之通信。
💡 若使用USB线连接开发板与计算机，5V电源的将会由USB提供，无需额外供电设备。
💡ENA- DIR- PUL-可串联后接入同一GND引脚。
连接完成后的成品效果如图：
¶ 4.4. 注射泵控制程序
注射泵控制程序已上传至相应的代码仓库，可以通过下方链接下载，使用VScode打开所下载的文件夹并烧录至esp32微型控制器。
💡 注射泵esp32控制程序下载或查看注射泵esp32控制程序Gitee仓库
❗ 注意: 解压项目代码时，请确保解压完成的路径中无除英文字母、数字和允许的半角符号外的其他字符。烧录时应拔去引脚接线，以免流程失败并报错。烧录成功后开发板亮起蓝灯。
💡 有关如何编译代码并刷写esp32设备，请参考化学自动化开发环境搭建4.3节内容
如果使用 ESP32-S2的芯片，请将不要使用0号IO引脚（会使芯片开机进入烧录模式），可以将ENABLE引脚设为3号
如需修改控制器IO引脚编号，请修改injection_pump_global.h内容：
#define IO_PIN_SERIAL_TXD 43 //串口发送
#define IO_PIN_SERIAL_RXD 44 //串口接收
#define IO_PIN_ENABLE 0 //步进电机驱动器使能
#define IO_PIN_DIRECTION 1 //步进电机方向控制
#define IO_PIN_STEP 2 //PWM信号
以上宏定义了IO引脚编号。
如果采用了与示例不同型号的步进电机和传动平台，您需要修改injection_pump_controller.h中的以下参数：
#define LEAD 1 // 丝杆导程
#define MICRO_STEP 4 // 步进电机微步细分倍数
#define STEP_ANGLE 18 // 步进电机步进角的10倍
以上宏定义了步进电机及步进电机驱动器的参数。
💡有些步进驱动器可以设置微步和电流，请根据需要设置修改驱动器或代码的参数。电流过大过小都可能导致电机无法正常启动。
¶ 4.5. 调试设备
💡 有关串口调试的详细内容，请查看串口通信章节内容
¶ 4.5.1. 注射泵控制程序支持的指令
| 指令 | 参数 | 功能 | 单位 | 示例 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| push | double | 泵出液体 | ml | push 1 | 泵出1毫升液体 |
| pull | double | 吸入液体 | ml | pull 1 | 吸入1毫升液体 |
| set_speed | double double | 设置输液速度 | μl/s | set_speed 200 300 | 设置输液速度从200微升每秒递增至最大300微升每秒 |
| set_pump_diameter | double | 设置注射器直径 | mm | set_pump_diameter 15 | 设置注射器直径15mm(默认值) |
¶ 4.5.2. 设备串口参数
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 波特率 | 9600 |
| 数据位 | 8 |
| 停止位 | 1 |
| 校验 | None |
| 流控 | None |
¶ 4.5.3. 测试设备
-
使用串口调试助手软件，设置对应的串口参数，选择正确的串口号，点击打开串口。
-
根据4.5.1节中的指令控制注射泵。以下为示例:
💡 每条指令发送后，若设备正常接收，会向串口反馈Command received。若还有其他信息如：Bad command、Speed error，可能由于指令有误，请检查指令和串口设置是否正确。
❗ 注意: // 标志及其后文本为注释内容，在运行中不会显示，也不要向设备输入。
❗ 注意: // 单片机蓝灯熄灭时，可能是单片机程序出错，此时应该按下EN按钮重启单片机。
[00:00:00.000]OUT→◇set_pump_diameter 15 // 设置注射器直径为15mm
[00:00:00.000]IN←◆Command received // 控制器已收到指令
[00:00:00.000]OUT→◇set_speed 100 200
// 设置泵速度，开始从100微升每秒加快至200微升每秒，
//结束时从200微升每秒减速至100微升每秒，最后停止。
[00:00:00.000]IN←◆Command received // 控制器已收到指令
[00:00:00.000]OUT→◇push 1.5 // 推出1.5毫升液体
[00:00:00.000]IN←◆Command received // 控制器已收到指令
[00:00:00.000]OUT→◇pull 1.5 // 吸入1.5毫升液体
[00:00:00.000]IN←◆Command received // 控制器已收到指令
- 根据注射泵的运动、观察吸放液刻度是否与指令所指示数量相同
¶ 5. 注射泵的标定
¶ 5.1. 注射泵标定用具
- 待标定注射泵一台
- 50ml烧杯2个
- 电子天平一台
- 蒸馏水
¶ 5.2. 注射泵标定步骤
- 向其中一只50ml烧杯中倒入约25ml水
- 将待标定的注射泵用注射器拆下，一头放入盛水烧杯中，反复吸排水，排尽注射器及管路中的空气至无气泡。
- 将注射器重新放入注射泵支架中安装好。
- 使用pull指令，将注射器拉至刻度约为7毫升处。
- 将另一烧杯放上电子天平，调零。
- 将泵口管路出口放置于烧杯上方，连续使用
push 1指令，每次推出1毫升液体，并记录电子天平读数。 - 重复步骤6至少5次，得出至少5组数据。
- 数据处理，计算注射泵矫正系数并对稳定性进行评估。
¶ 5.3. 注射泵标定数据处理示例
¶ 5.3.1. 注射泵标定数据记录
| 注射泵泵入体积 | 质量读数 | 单次质量 |
|---|---|---|
| 0 | 0.000 | / |
| 1 | 0.977 | 0.997 |
| 2 | 1.961 | 0.984 |
| 3 | 2.945 | 0.984 |
| 4 | 3.917 | 0.972 |
| 5 | 4.898 | 0.981 |
| 6 | 5.906 | 1.008 |
¶ 5.3.2. 每毫升平均泵出计算
对每次泵出质量，计算其平均值：
¶ 5.3.3. 误差评估
*注：25度室温下水的密度为0.997g/ml
¶ 5.3.4. 稳定性评估
对每次泵出质量，计算其标准偏差：
¶ 5.3.5. 标准矫正曲线
以程序设定累计体积为x轴，实际体积为y轴，进行线性回归分析：
根据线性回归方程，即可计算所需质量对应的体积应在程序中指定的矫正体积。