Repositorio Institucional de Documentos

RESUMEN Este proyecto fin de carrera forma parte de un proyecto más amplio cuyo objetivo es el desarrollo de nuevas herramientas dedicadas al cultivo celular. Los métodos tradicionales para el cultivo celular son los llamados “in vitro”, que proporcionan un entorno estático y a macroescala muy diferente al de los organismos vivos, que poseen un sistema a microescala más complejo. Mediante la inclusión de sistemas microfluídicos se quiere proporcionar un entorno parecido al “in vivo” para el cultivo celular. Se pretende conseguir la formación de un ambiente en el que se recreen las condiciones que se dan en un ser vivo y sobre el que se tenga control químico y mecánico. Para ello se fabrican chips de microfluídica, que tienen microcámaras donde quedarán adheridas las células y microcanales a través de los cuales se les hará llegar a las células el medio con los nutrientes necesarios para que puedan sobrevivir. Por tanto, será necesario el montaje de un setup microfluídico que permita hacer llegar el medio al chip en las condiciones adecuadas. Conseguir que esas condiciones sean las deseadas será el objetivo fundamental del presente proyecto. La principal variable a controlar será el flujo de medio que llega al chip. Para el control de esa variable será necesario un circuito electrónico comandado por un microcontrolador con el que controlaremos el funcionamiento de la microbomba que bombea el medio a través del setup. Será también necesaria la colocación de un sensor de flujo para poder hacer un control en lazo cerrado y que, de esta manera, el flujo permanezca siempre en los niveles deseados con total independencia de las condiciones que rodean al setup. 1 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE GENERAL ....................................................................................................... 1 Índice de figuras ........................................................................................................... 4 MEMORIA .................................................................................................................... 6 CAPÍTULO 1. Introducción............................................................................................ 7 CAPÍTULO 2. Setup microfluídico ................................................................................. 8 2.1 Objetivo del setup ................................................................................................ 8 2.2 Descripción del setup .......................................................................................... 8 2.1.1 Chip microfluídico .......................................................................................... 9 2.1.2 Encapsulado ................................................................................................ 10 2.1.3 Reservorio ................................................................................................... 10 2.1.4 Bomba ......................................................................................................... 11 2.1.5 Válvula antirretorno ..................................................................................... 11 2.1.4 Amortiguador ............................................................................................... 12 2.1.6 Sensor de flujo ............................................................................................ 13 CAPÍTULO 3. Elección de la bomba ........................................................................... 14 3.1 Bomba peristáltica ............................................................................................. 14 3.2 Bomba de membrana ........................................................................................ 16 CAPÍTULO 4. Microcontrolador .................................................................................. 21 4.1 Características generales del microcontrolador ................................................. 21 4.2 Aplicación particular del microcontrolador en el proyecto .................................. 23 CAPÍTULO 5. Protocolo de comunicación i2c ............................................................. 25 5.1 Descripción general ........................................................................................... 25 5.2 Ventajas de la comunicación i2c en el proyecto ................................................ 26 CAPÍTULO 6. Sensor de flujo ..................................................................................... 28 6.1 Descripción del dispositivo ................................................................................ 28 6.2 Aplicación particular en el proyecto ................................................................... 29 6.2.1 Proceso de toma de medida ........................................................................ 30 6.2.2 Lectura del factor de escala y de la unidad de medida ................................ 30 2 6.3 Caracterización ................................................................................................. 32 CAPÍTULO 7. Control en lazo cerrado ........................................................................ 34 7.1 Imposibilidad de control en lazo abierto ............................................................. 34 7.2 Utilización del parámetro “ciclo de trabajo” ........................................................ 34 7.2.1 El amortiguador y la válvula antirretorno ...................................................... 35 7.2.2 Caracterización con variación del ciclo de trabajo ....................................... 37 7.3 Control en lazo cerrado ..................................................................................... 37 7.4 PCB de control .................................................................................................. 40 CAPÍTULO 8. Conclusiones y trabajo futuro ............................................................... 41 8.1 Conclusión general ............................................................................................ 41 8.2 Trabajo futuro .................................................................................................... 41 ANEXOS .................................................................................................................... 42 ANEXO A. Bomba peristáltica ..................................................................................... 43 1. Introducción ......................................................................................................... 43 2. Descripción de la bomba ..................................................................................... 43 3. Caracterización ................................................................................................... 44 Tubo 1,34 mm diámetro interno ............................................................................ 45 Tubo 0,88 mm diámetro interno ............................................................................ 46 Tubo 3 mm diámetro interno ................................................................................. 47 Tubo 0,13 mm diámetro interno ............................................................................ 48 4. Hoja de características ........................................................................................ 49 ANEXO B. Bomba de membrana ................................................................................ 59 1. Introducción ......................................................................................................... 59 2. Principio de funcionamiento ................................................................................ 59 3. Caracterización ................................................................................................... 61 Gráfico caudal-amplitud a frecuencias de 25, 125 y 225 hz .................................. 63 Gráfico caudal-frecuencia a amplitud 80 vpp ........................................................ 64 Barrido amplitudes a 25 hz 1 ................................................................................ 66 Barrido de frecuencias bomba 1 a 80 vpp ............................................................ 67 Barrido de amplitudes bomba 2 ............................................................................ 68 4. Hoja de características ........................................................................................ 69 ANEXO C. Sensor de flujo .......................................................................................... 78 3 ANEXO D. Hardware .................................................................................................. 98 1. Plano esquemático .............................................................................................. 98 2. Lista de componentes (BOM) ............................................................................ 100 3. PCB ................................................................................................................... 100 ANEXO E. Software .................................................................................................. 101 1. Introducción ....................................................................................................... 101 2. Estructura principal ............................................................................................ 101 3. Rutina de reset .................................................................................................. 102 4. Programa principal ............................................................................................ 104 5. Subrutina regulación automática ....................................................................... 105 6. Subrutina visualización en lcd ........................................................................... 106 7. Subrutina para exportar datos en excel ............................................................. 107 8. Subrutina de emergencia .................................................................................. 108 9. Subrutina para tomar una medida ..................................................................... 109 10. Subrutinas para el cálculo del factor de escala y la unidad de medida ............ 111 11. Programa completo ......................................................................................... 113 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 116 4 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Setup de microfluídica ................................................................................... 9 Figura 2: Chip de microfluídica, (a) tamaño natural, (b) zoom con microscopio ........... 9 Figura 3: Encapsulado de microfluídica ...................................................................... 10 Figura 4: Reservorio ................................................................................................... 11 Figura 5: Bomba de membrana, (a) imagen real, (b) principio de funcionamiento ....... 11 Figura 6: Válvula antirretorno ...................................................................................... 12 Figura 7: Amortiguador ............................................................................................... 12 Figura 8: (a) Sensor de flujo, (b) software proporcionado por el fabricante ................. 13 Figura 9: Bomba peristáltica con pcb de control .......................................................... 14 Figura 10: Caracterización de flujo de la bomba peristáltica ....................................... 15 Figura 11: Despiece de la bomba mp6 ....................................................................... 16 Figura 12: Esquema de conexión para mp6-oem ........................................................ 17 Figura 13: (a) Setup microfluídico con by-pass, (b) caracterización de la bomba de membrana para el setup montado ............................................................................. 18 Figura 14: (a) Setup microfluídico sin by-pass, (b) caracterización de la bomba de membrana para el setup montado .............................................................................. 19 Figura 15: Placa de desarrollo arduino nano ............................................................... 22 Figura 16: Esquema típico de comunicación i2c ......................................................... 25 Figura 17: Sucesión de bits al comienzo de la comunicación ...................................... 26 Figura 18: Imagen del sensor lg16-0430 ..................................................................... 28 Figura 19: Principio de funcionamiento del sensor de flujo ......................................... 29 Figura 20: Tablas para descodificar el dato unidad de medida ................................... 32 Figura 21: Gráfico comparativo de medidas manuales y medidas tomadas con sensor ................................................................................................................................... 33 Figura 22: Diagrama de bloques del control en lazo abierto ....................................... 34 Figura 23: Caracterización de la variación de flujo con el tiempo de una bomba peristáltica, (a) sin amortiguador, (b) con amortiguador .............................................. 36 Figura 24: Gráfico de variación de flujo con ciclo de trabajo ....................................... 37 Figura 25: Setup microfluídico con control en lazo cerrado ......................................... 38 Figura 26: Diagrama de bloques del control en lazo cerrado ...................................... 39 Figura 27: Imagen de la aplicación PLX-DAQ ............................................................. 39 Figura 28: PCB de control del setup ........................................................................... 40 Figura 29: PRINCIPIO DE FUNCINAMIENTO DE UNA BOMBA PERISTÁLTICA ...... 43 Figura 30: Bomba peristáltica y pcb de control............................................................ 44 5 Figura 31: Caracterización de la bomba peristáltica para tubo de 1,34 mm, (a) tabla de valores, (b) gráfico ...................................................................................................... 45 Figura 32: Caracterización de la bomba peristáltica para tubo de 0,88 mm, (a) tabla de valores, (b) gráfico ...................................................................................................... 46 Figura 33: Caracterización de la bomba peristáltica para tubo de 3 mm, (a) tabla de valores, (b) gráfico ...................................................................................................... 47 Figura 34: Caracterización de la bomba peristáltica para tubo de 0,13 mm, (a) tabla de valores, (b) gráfico ...................................................................................................... 48 Figura 35: Descripción gráfica del ciclo de una membrana ......................................... 60 Figura 36: Descripción gráfica del ciclo de una bomba de dos membranas ................ 60 Figura 37: Gráficas de la microbomba aportadas por el fabricante ............................. 61 Figura 38: Setup microfluídico con by-pass ................................................................ 62 Figura 39:Caracterización de la bomba de membrana para setup con by-pass, (a) tabla de valores, (b) gráfico comparativo ............................................................................. 63 Figura 40: Caracterización de la bomba de membrana para setup con by-pass, (a) tabla de valores, (b) gráfico......................................................................................... 64 Figura 41: Setup microfluídico sin by-pass .................................................................. 65 Figura 42: Caracterización de una bomba de membrana para setup sin by-pass, (a) tabla de valores, (b) gráfico......................................................................................... 66 Figura 43: Caracterización de la bomba de membrana para setup sin by-pass, (a) tabla de valores, (b) gráfico ................................................................................................. 67 Figura 44: Caracterización de una segunda bomba de membrana para setup sin bypass, (a) tabla de valores, (b) gráfico .......................................................................... 68 Figura 45: Listado de componentes para la pcb........................................................ 100 Figura 46: PCB de control del setup ......................................................................... 100 Figura 47: Diagrama de flujo de la estructura principal de un programa.................... 101 Figura 48: Diagrama de flujo de la rutina de reset ..................................................... 102 Figura 49: Diagrama de flujo del programa principal ................................................. 104 Figura 50: Diagrama de flujo de la subrutina de regulación....................................... 105 Figura 51: Diagrama de bloques de la subrutina de visualización ............................. 106 Figura 52: Diagrama de flujo de la subrutina de envío de datos excel ...................... 107 Figura 53: Diagrama de flujo de la subrutina de emergencia .................................... 108 Figura 54: Diagrama de flujo de la subrutina que toma una medida .......................... 109 Figura 55: Diagramas de flujo de las subrutinas, (a) cálculo de dirección eeprom y (b) cálculo factor de escala y unidad de medida ............................................................. 111 6 MEMORIA 13 2.1.6 SENSOR DE FLUJO Este dispositivo tiene como función tomar el dato correspondiente al flujo que hay en el setup en todo momento. Su presencia en el circuito permite un control preciso del flujo que atraviesa el circuito consiguiendo que el setup se autorregule con total independencia de las perturbaciones que puedan afectar a las variables a controlar. En la figura 8 hay una imagen del sensor utilizado y otra del Software proporcionado por el fabricante para la toma de medidas. En el capítulo 6 se proporciona una descripción más detallada de las características y el funcionamiento de este dispositivo. (a) (b) FIGURA 8: (A) SENSOR DE FLUJO, (B) SOFTWARE PROPORCIONADO POR EL FABRICANTE 14 CAPÍTULO 3 ELECCIÓN DE LA BOMBA La bomba es el elemento que impulsa el fluido al resto del circuito fluídico. Para la elección de este elemento, se ha barajado el uso dos tipos de bomba: una bomba peristáltica y una bomba de membrana. En este capítulo se hace una descripción general de ambas bombas, las ventajas e inconvenientes que presentan y finalmente se explica la opción elegida. En los anexos A y B hay una descripción más detallada de ambas, una caracterización completa y el manual de instrucciones para su utilización. 3.1 BOMBA PERISTÁLTICA La bomba peristáltica es un tipo de bomba de desplazamiento positivo, es decir, tiene una parte de succión y otra de expulsión. Su movimiento está basado en el movimiento de un motor paso a paso que va aplastando un tubo haciendo que el fluido avance a través de éste. En el anexo A se puede encontrar una descripción más detallada de este tipo de bomba. FIGURA 9: BOMBA PERISTÁLTICA CON PCB DE CONTROL 15 El modelo comercial utilizado es el T60-S4/WX10-14, cuya hoja de características puede encontrarse también en el anexo A. Para comprobar si la bomba aporta el flujo deseado, se ha realizado una caracterización en la que se ha medido el flujo en función de la velocidad del motor en revoluciones por minuto para distintos diámetros de tubo. La caracterización completa se encuentra en el anexo A. Para la realización de la caracterización se ha utilizado agua desionizada. El agua se hace circular por el tubo de la bomba y se va dejando caer en un vaso durante un tiempo determinado (varía según el diámetro del tubo, pero suele ser en torno a 3 minutos por medida). Una vez finalizado ese tiempo se pesa el vaso con el agua desionizada en una báscula con resolución de 1 mg. A este peso se le resta el tamaño del recipiente, y el resultado se divide por el tiempo en que se ha estado bombeando. De esta caracterización podemos extraer la principal ventaja del uso de esta bomba para este proyecto, que es la posibilidad de conseguir niveles de flujo del orden de 1 µl/min, que es el que nos interesa para los ensayos de cultivo celular en chip. Utilizando un tubo de diámetro interno de 0,13 mm, se han extraído las medidas que pueden observarse en la gráfica de la figura 10. Como se puede observar en la figura 10, es posible obtener los flujos requeridos por el experimento que deben ser del orden de 1 µl/min. Además, tiene la ventaja añadida de 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 0 5 10 15 20 25 Flujo (µl/min) Velocidad de giro del motor (rpm) FIGURA 10: CARACTERIZACIÓN DE FLUJO DE LA BOMBA PERISTÁLTICA 16 que ningún elemento mecánico está en contacto directo con el fluido en ningún momento, con lo que evitamos que el medio pueda contaminarse. Sin embargo, existen algunos inconvenientes en el uso de esta bomba. En primer lugar, el flujo depende del movimiento del motor, que, por tratarse de un motor paso a paso, no es continuo, provocando cambios bruscos en el flujo. Además el volumen físico ocupado por el aparato es demasiado grande, haciendo más difícil cumplir con el requisito de portabilidad que el sistema requiere. Finalmente, el aplastamiento que los rodillos producen sobre el tubo hace que haya que cambiar este elemento muy a menudo, debido a que con el tiempo se acaba deformando. En conclusión, aunque se consigan los niveles de flujo deseados, los inconvenientes explicados hacen que resulte poco adecuado para el proyecto el uso de esta bomba. 3.2 BOMBA DE MEMBRANA La bomba de membrana es un tipo de bomba de desplazamiento positivo en la que el aumento de presión se realiza por el empuje de unas paredes elásticas (membranas) que varían el volumen de la cámara aumentándolo y disminuyéndolo sucesivamente. En el anexo B se puede encontrar una descripción más detallada de las características de la bomba y de su principio de funcionamiento. El modelo comercial utilizado es el “mp6 micropump” del fabricante “Bartels mikrotechnik” [1]. Este modelo incluye dos membranas que actúan simultáneamente de manera alternativa. En la figura 11 podemos ver en más detalle una imagen del despiece de la bomba. Para el control de la bomba se ha utilizado el circuito integrado mp6-OEM, del mismo fabricante de la bomba. Este circuito proporciona la señal eléctrica que la bomba necesita para funcionar. El control se basa en la variación de la amplitud y la FIGURA 11: DESPIECE DE LA BOMBA MP6 17 frecuencia con un microcontrolador. En la figura 12 podemos encontrar el esquema de conexión recomendado del circuito integrado mp6-OEM, extraído de la hoja de características. Para variar la salida, lo que se debe hacer es introducir una onda cuadrada de frecuencia por el pin 2 (CLOCK) y un nivel de continua por el pin 4 (AMPLITUDE). El resto de pines se conectan como indica la figura 12, excepto el pin 13 (/SHUTDOWN) que será conectado permanentemente a un nivel lógico alto (+5V). Según la hoja de características, la señal de frecuencia deberá ser 4 veces superior a la que se desea en la salida del integrado. Así pues, para que la señal de salida varíe entre 25 y 120 Hz, deberemos suministrar una onda cuadrada de entre 100 y 480 Hz. La señal de amplitud deberá ser un nivel de tensión continua que varíe entre 0,35 y 1,3 V. Con estos niveles se conseguirá que la señal de salida del integrado varíe entre 80 y 250 Voltios pico a pico. En el segundo punto del capítulo 4 se explica la electrónica necesaria para transmitir las señales al mp6-OEM. Para conocer si los niveles de flujo se adaptan a los requeridos, se ha realizado una caracterización completa de la bomba, en la que se observa el comportamiento de FIGURA 12: ESQUEMA DE CONEXIÓN PARA MP6-OEM 18 ésta ante cambios en la amplitud y la frecuencia. Dicha caracterización se puede encontrar en el anexo B. Para el estudio de la bomba, se han montado diferentes setups. Para justificar las conclusiones del experimento, se muestran en esta memoria dos gráficos correspondientes a dos setups diferentes. En la figura 13 se observa un el primer setup montado junto con su correspondiente caracterización y en la figura 14 aparece el segundo setup montado y su caracterización. El primer setup (figura 13) se monta utilizando un by-pass que consiste en hacer que parte del flujo aportado por la bomba circule por un camino alternativo y no por el encapsulado. De esta forma se reduce el flujo que circula por el chip, consiguiendo así unos niveles de flujo más cercanos a 1 µl/min. FIGURA 13: (a) SETUP MICROFLUÍDICO CON BY-PASS, (b) CARACTERIZACIÓN DE LA BOMBA DE MEMBRANA PARA EL SETUP MONTADO (a) By-pass (b) 19 En el gráfico de la figura 13 (b), la amplitud pico a pico varía manteniendo la frecuencia a un nivel fijo de 25 Hz. Se ha elegido este nivel de frecuencia dado que es el mínimo que permite el fabricante y, se supone, que cuanto más pequeña sea la frecuencia, menor será el flujo (en el anexo B se comprueba que esto no ocurre siempre). Como se puede observar, el flujo asciende a medida que lo hace la amplitud. Sin embargo, los niveles son demasiado altos. Además, como problema añadido, la aparición de burbujas en la zona del encapsulado hace que la totalidad del fluido circule por el bypass haciendo que el flujo neto por el encapsulado sea nulo. Esto obliga a eliminar el by-pass del setup. El segundo setup (figura 14) se monta habiendo eliminado el by-pass y utilizando un encapsulado que ofrece una mayor resistencia fluídica. FIGURA 14: (a) SETUP MICROFLUÍDICO SIN BY-PASS, (b) CARACTERIZACIÓN DE LA BOMBA DE MEMBRANA PARA EL SETUP MONTADO (a) (b) 20 Análogamente al experimento anterior, se observa la variación de flujo al variar la amplitud, manteniendo un nivel de frecuencia fijo de 25 Hz. El hecho de que la resistencia fluídica del circuito sea mucho mayor hace que la bomba alcance rápido su límite de funcionamiento. La conclusión a extraer de estos resultados es clara: el comportamiento de la bomba es fuertemente dependiente del resto del circuito fluídico y es imposible un control en lazo abierto. Dado que el objetivo del proyecto es que el flujo sea constante e independiente del resto de elementos del setup, es necesario conocer en todo momento los niveles de flujo por el encapsulado. Para ello, se requerirá un control en lazo cerrado, en el que la electrónica adquirirá gran importancia. 21 CAPÍTULO 4 MICROCONTROLADOR En este capítulo se describe el microcontrolador utilizado en el proyecto, se justifica su elección y, finalmente, se explica el modo en que ha sido utilizado dentro del proyecto. 4.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MICROCONTROLADOR Para que el setup funcione del modo exigido por las especificaciones del experimento a realizar es necesario un circuito electrónico que lleve a cabo el control de la bomba. El elemento principal del mencionado circuito es el microcontrolador, cuya principal función será la de regular el flujo del setup. Para el desarrollo de la electrónica se ha elegido la placa de desarrollo “Arduino Nano 3.0” [2]. Esta placa está basada en el microcontrolador Atmel ATmega328 y ha sido diseñada y producida por Gravitech. Sus características más importantes son: tensión de alimentación entre 7 y 12 Voltios, 14 pines de E/S digitales (de los cuales 6 proveen de salida PWM) que operan a 5V, corriente máxima de salida de 40 mA por cada pin de E/S, 8 pines de entradas analógicas, memoria Flash de 32 KB, memoria RAM de 2 KB, memoria EEPROM de 1 KB y una frecuencia de reloj de 16 MHz. En la figura 15 se puede observar una vista en planta de la placa Arduino Nano, donde se indican sus principales componentes y los pines junto con su correspondiente funcionalidad. 22 Los anteriormente mencionados pines digitales tienen además otras posibles funciones especializadas. Serial: 0 (RX) y 1 (TX). Usados para recibir y transmitir, respectivamente, datos TTL vía serie. Cada pin tiene un LED correspondiente integrado en la placa. Interrupciones Externas: pines 2 y 3. Estos pines pueden ser configurados para activar una interrupción por paso a nivel bajo, por flanco de bajada o flanco de subida, o por un cambio de valor. PWM: pines 3, 5, 6, 9, 10, y 11. Proveen de una salida PWM de 8-bits. SPI: pines 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos pines soportan la comunicación SPI. LED: pin 13. Existe un LED conectado al pin digital 13. Cuando el pin se encuentra en nivel alto, el LED estará encendido, cuando el pin está a nivel bajo, el LED estará apagado. Cada una de las entradas analógicas tiene 10 bits de resolución (1024 valores diferentes). Además, algunos de estos pines poseen funciones especiales: FIGURA 15: PLACA DE DESARROLLO ARDUINO NANO 29 Las hojas de características relativas a este sensor se encuentran en el anexo C. De ellas se puede saber que los sensores permiten medida de flujos de hasta 50 µl/min, con una resolución de hasta 0,6 nl/min, rango entre el que se encuentra el flujo deseado para este proyecto. Otra ventaja importante es que el sensor en ningún momento tiene contacto con el fluido, lo que asegura que la inclusión del dispositivo de medida no va a contaminar el medio que circula por él. Para cada modelo de sensor existen dos tipos, el analógico y el digital. El modelo analógico proporciona una señal de tensión continua entre 0 y 5 Voltios directamente proporcional al flujo que circula. El modelo digital nos da una señal digital con una resolución de 16 bits. Además, el sensor incluye una memoria EEPROM interna en la que se encuentran diversos datos característicos del sensor como, por ejemplo, el número de serie. 6.2 APLICACIÓN PARTICULAR EN EL PROYECTO El modelo elegido para el proyecto ha sido el digital (LG16-0430-D), que utiliza el protocolo de comunicación I2C para transmitir las medidas. El proceso completo de toma de medida se detalla más adelante. Para el uso de este sensor digital, existen dos opciones. La primera de ellas es utilizar el software que el fabricante proporciona con el sensor. Este programa (USB Sensor Viewer), nos permite ver el flujo en µl/min y guardar los datos en un archivo Excel. La segunda opción consiste en crear un protocolo de comunicación con el microcontrolador que nos proporcione el dato de la medida. La opción escogida ha FIGURA 19: PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR DE FLUJO 30 sido la segunda, ya que no nos vale solo con saber el dato, sino que el microcontrolador debe conocerlo para actuar de un modo o de otro. El proceso de toma de medida consta de dos fases claramente diferenciadas. Primero, habrá que tomar el dato correspondiente al flujo y luego, habrá que dividirlo por el factor de escala, que se encuentra almacenado en la EEPROM interna del sensor. Además del factor de escala, la EEPROM también indica la unidad de medida en la que están siendo tomados los datos. A continuación se explica detalladamente el proceso de toma de medida por parte del microcontrolador. 6.2.1 PROCESO DE TOMA DE MEDIDA Para tomar el dato correspondiente al flujo que en cada momento está circulando, habrá que seguir los siguientes pasos: 1.- Comienzo del protocolo de comunicación I2C con la dirección 0x40. 2.- Operación de escritura del comando 0xF1. 3.- Operación de lectura de 3 bytes de la dirección 0x40. Los tres bytes recibidos serán, en este orden, byte con los 8 bits más significativos de la medida, byte con los 8 bits menos significativos de la medida, y byte de crc para detección de errores. 4.- Final de la comunicación. Los dos primeros bytes recibidos deberán juntarse para hacer una palabra que se transformará en un entero. 6.2.2 LECTURA DEL FACTOR DE ESCALA Y DE LA UNIDAD DE MEDIDA Tanto el factor de escala como la unidad de medida se encuentran en una dirección de la EEPROM interna. Para conocerlos primero habrá que saber cuál es esa dirección. El proceso se resume en los siguientes pasos: 1.- Lectura del “User Register”. Este proceso se realiza de forma análoga al proceso de toma de medida anteriormente descrito, con el único cambio de que el comando a escribir será 0xE3 en lugar de 0xF1. 31 2.- Se toman los bits <6:4> y se hace un entero con ellos. 3.- Se multiplica el entero obtenido por 0x300 para conocer la dirección base. 4.- Se suma un offset de 0x2B6 para conocer la dirección EEPROM. Esta dirección tendrá un tamaño de 12 bits, por lo que habrá que añadirle 4 bits más (de valor 0) para tener una palabra de 16 bits. Está palabra será dividida en dos bytes, que serán los que haya que escribir posteriormente. 5.- Se comienza otra comunicación con la dirección 0x40. 6.- Se escribe el comando 0xFA. 7.- Se escriben los dos bytes correspondientes a la dirección EEPROM. Primero se escribirá el byte más significativo y después el menos significativo. 8.- Se realiza una operación de lectura de 6 bytes de la dirección 0x40. En esta operación se obtendrán los datos correspondientes al factor de escala (bytes primero y segundo, seguido de uno de crc) y a la unidad de medida (bytes cuarto y quinto, seguido de uno de crc). 9.- Se finaliza la comunicación. Se juntarán los bytes del factor de escala para formar una palabra de 16 bits que será transformada en un número entero. El número entero correspondiente a la toma de medida realizada anteriormente será dividido por el entero del factor de escala, obteniendo así un número decimal codificado en coma flotante (tipo de dato float) que será el valor real del flujo que circula en cada momento. Respecto a la unidad de medida, habrá que tomar los dos bytes correspondientes y hacer una palabra de 16 bits. Estos bits nos darán la información para que, utilizando las tablas de la figura 20, podamos conocer la unidad de medida. 32 Por ejemplo, si el dato obtenido correspondiente a la unidad de medida es 0b000_01000_0100_0100, las tablas nos indican que la unidad de medida es µl/min. El código del programa que realiza la tarea descrita y los diagramas de flujo correspondientes pueden consultarse en el anexo E. 6.3 CARACTERIZACIÓN Para comprobar que los sensores funcionan correctamente se ha tomado un gráfico (figura 21) en el que se comparan unas medidas tomadas manualmente (del modo explicado en el capítulo 3) con la bomba peristáltica con otras medidas tomadas con el sensor en las mismas condiciones. FIGURA 20: TABLAS PARA DESCODIFICAR EL DATO UNIDAD DE MEDIDA 33 Se puede observar que los resultados son similares. El hecho de que las medidas manuales presenten flujos más bajos que las tomadas con el sensor puede deberse a que durante la duración del proceso de toma de medida manual, una pequeña cantidad de agua se evapora, produciéndose un error experimental. Este error en ningún punto supera el 10%, por lo que es asumible. Con este sensor funcionando correctamente, ya se puede volver al estudio para conseguir controlar el flujo y hacer que tenga los niveles deseados. 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 0 5 10 15 20 25 Flujo (µl/min) Velocidad del motor (rpm) Flujo manual(µl/min) Flujo sensor (µl/min) FIGURA 21: GRÁFICO COMPARATIVO DE MEDIDAS MANUALES Y MEDIDAS TOMADAS CON SENSOR 34 CAPÍTULO 7 CONTROL EN LAZO CERRADO En este capítulo se describe la estrategia a seguir para lograr el control del flujo manteniéndolo en niveles del orden de 1µl/min. Se presenta el nuevo parámetro de entrada (ciclo de trabajo) que se utilizará para la variación del flujo en la salida, se justifica la inclusión en el setup del amortiguador y de la válvula antirretorno y, para finalizar, se describe el setup completo con el que se logra tener un control total y preciso del flujo. 7.1 IMPOSIBILIDAD DE CONTROL EN LAZO ABIERTO Tras el estudio realizado acerca del comportamiento de la bomba en el capítulo 3, se había llegado a la conclusión de que era imposible controlarla mediante la variación de amplitud y/o frecuencia ya que el comportamiento de la bomba cambiaba mucho dependiendo de la resistencia fluídica del circuito. Además, existen múltiples perturbaciones que afectan a la variable a controlar, como pueden ser la temperatura, la altura a la que se colocan los diferentes elementos, etc. Por ello, el control en lazo abierto que se representa en la figura 22 resulta imposible. 7.2 UTILIZACIÓN DEL PARÁMETRO “CICLO DE TRABAJO” Dado que se ha desechado la posibilidad de controlar el flujo mediante la variación de frecuencia y amplitud, habrá que buscar una nueva variable de entrada que nos permita cambiar la variable de salida. La decisión tomada consiste en mantener fijos los niveles de frecuencia y amplitud (solo variarán en casos puntuales) y encender y apagar la bomba según el setup lo FIGURA 22: DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CONTROL EN LAZO ABIERTO 35 requiera para satisfacer la demanda de flujo. Para esto, se conectará el pin de alimentación del integrado de control mp6-OEM a una salida digital del microcontrolador y se aplicará una señal PWM. La frecuencia de esta señal se ha fijado a 31 Hz, que es la mínima posible que el microcontrolador permite para señales PWM. Así pues, variando el tiempo que la bomba está en funcionamiento, se variará el flujo que ésta suministra. 7.2.1 EL AMORTIGUADOR Y LA VÁLVULA ANTIRRETORNO El control ON-OFF de la bomba explicado en el punto anterior trae un importante inconveniente. El continuo encendido y apagado de la bomba produce cambios bruscos en el flujo, lo que resulta inaceptable para experimentos de cultivo celular. Aparece aquí la necesidad de colocar un elemento que atenúe esos cambios bruscos, por lo que se toma la decisión de colocar un amortiguador a la salida de la bomba. Para ver el efecto que el amortiguador tiene sobre los cambios bruscos se han realizado unas mediciones de flujo utilizando la bomba peristáltica, que resulta muy útil en este caso debido a los “golpes” que provoca el motor paso a paso que la controla. En las gráficas de la figura 23 se pueden ver la variación del flujo en el tiempo (4 medidas por segundo durante un minuto y medio) sin amortiguador (a) y con él (b). La diferencia entre el valor máximo y el mínimo en el primer caso es de 1,963 μl/min, mientras que con la inclusión del amortiguador esta diferencia se reduce hasta los 0,366 μl/min. Tanto las gráficas como los resultados numéricos verifican que la inclusión del amortiguador mejora la continuidad del flujo. 36 El control mediante la variación del ciclo de trabajo trae, además, otro problema. Durante los intervalos de tiempo en los que la bomba se encuentra apagada, pueden aparecer flujos negativos. Esto es debido a que la bomba no provoca presión alguna, por lo que una mínima presión producida por inercia en el circuito hará que aparezca un flujo en el sentido contrario al deseado. Para evitar esto se incluye en el setup una válvula antirretorno justo después de la bomba, (a) (b) FIGURA 23: CARACTERIZACIÓN DE LA VARIACIÓN DE FLUJO CON EL TIEMPO DE UNA BOMBA PERISTÁLTICA, (a) SIN AMORTIGUADOR, (b) CON AMORTIGUADOR 37 7.2.2 CARACTERIZACIÓN CON VARIACIÓN DEL CICLO DE TRABAJO Con todo lo explicado, se procede a hacer una caracterización del setup variando el ciclo de trabajo. El resultado puede verse en la figura 24. El setup montado contiene ya todos los elementos descritos en el capítulo 2. Como se puede ver, el flujo varía linealmente en casi todo el rango de valores del ciclo de trabajo, que se sitúa siempre entre 0 y 1. Entre 0 y 0,3 el flujo es casi nulo debido a que la bomba no es capaz con esos valores de ejercer la presión necesaria para que aparezca flujo en el circuito. 7.3 CONTROL EN LAZO CERRADO En la figura 25 se puede contemplar una imagen en la que se observa un setup en el que se ha aplicado un control en lazo cerrado. 0 5 10 15 20 25 30 0 0,5 1 1,5 Flujo (µl/min) Ciclo de trabajo FIGURA 24: GRÁFICO DE VARIACIÓN DE FLUJO CON CICLO DE TRABAJO 38 Se trata de un circuito fluídico similar al descrito el capítulo 2, pero con el control electrónico añadido. Con este setup conseguimos que los valores de flujo sean los deseados en todo momento. Como ya se explicó anteriormente, la bomba suministra el fluido que sale del reservorio y va a parar al encapsulado, donde se encuentra el chip en el que se encuentra el cultivo celular. El líquido, tras pasar por el encapsulado circula a través del sensor para volver al reservorio. Mediante el sensor de flujo tomamos los datos correspondientes al flujo que serán procesados por el microcontrolador. Dependiendo de estos datos el microcontrolador ordenará a la bomba actuar con un ciclo de trabajo determinado, volviendo a empezar aquí el proceso. Los cambios bruscos de presión son atenuados por el amortiguador y la válvula antirretorno evita que en los intervalos de tiempo en que la bomba está apagada se produzcan flujos negativos. Para controlar el flujo se ha implementado en el programa del microcontrolador un regulador PID [6]. De esta manera, el usuario introducirá una consigna que se compara con el valor real de flujo. El regulador recibe el resultado de esta comparación y da un valor de ciclo de trabajo para que la bomba suministre un flujo. A medida que el proceso se repite el flujo a controlar se va acercando más a la consigna. El diagrama de bloques resultante está representado en la figura 26. Arduino Electrónica de control Sensores de flujo Bomba de membrana Display LCD PC para toma de datos FIGURA 25: SETUP MICROFLUÍDICO CON CONTROL EN LAZO CERRADO