Teplotne riadená vakcína a chladič inzulínu: 9 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Udržiavanie chladu zachraňuje životy

V rozvojovom svete sú vakcíny prvou obrannou líniou proti nebezpečným chorobám, ako sú ebola, chrípka, cholera, tuberkulóza a horúčka dengue. Preprava vakcín a iných život zachraňujúcich materiálov, ako je inzulín a krv, vyžaduje starostlivú kontrolu teploty.

Logistika prvého sveta sa zvyčajne rozpadá, keď sa dodávky prepravujú do regiónov s obmedzenými zdrojmi. Mnohým vidieckym klinikám chýbajú financie alebo energia na bežné chladiace systémy.

Inzulín, ľudská krv a mnoho bežných vakcín sa musia uchovávať v teplotnom rozmedzí 2-8 ° C. V teréne to môže byť náročné na údržbu, pretože elektrické chladenie vyžaduje príliš veľa energie a pasívnym chladičom ľadu chýba ovládanie termostatom.

Arduino na záchranu

Tento projekt kombinuje kompaktný chladiaci výkon suchého ľadu (pevný oxid uhličitý) s presnosťou digitálnej regulácie teploty. Keď sa suchý ľad používa samotný, je príliš studený na prepravu očkovacej látky, inzulínu alebo krvi, pretože môže ľahko viesť k zamrznutiu. Chladič tohto projektu rieši problém zamrznutia umiestnením suchého ľadu do samostatnej komory pod chladičom nákladu. Bezkartáčový ventilátor PC sa používa na cirkuláciu malých dávok superchladeného vzduchu cez nákladný priestor podľa potreby. Tento ventilátor je ovládaný robustným mikrokontrolérom Arduino s presnou (PID) regulačnou slučkou teploty. Pretože systém Arduino beží na veľmi málo elektrickej energie, tento systém môže byť mobilný ako ľadová truhlica, ale regulovaný teplotou ako zásuvná chladnička.

Pre koho je tento projekt určený?

Dúfam, že vďaka tomu, že bude tento systém bezplatný a otvorený zdroj, bude inšpirovať humanitárnych inžinierov a humanitárnych pracovníkov k hľadaniu spôsobov, ako vyrábať užitočné technológie v blízkosti bodu potreby.

Tento projekt je navrhnutý tak, aby ho postavili študenti, inžinieri a pomocní pracovníci v oblastiach alebo v ich blízkosti, ktoré čelia humanitárnym výzvam. Materiály, súčiastky a zásoby sú spravidla k dispozícii vo väčšine svetových miest i v najchudobnejších krajinách. Tým, že plány bezplatne sprístupňujeme prostredníctvom Instructables, poskytujeme technológiu flexibilnú z hľadiska nákladov a škálovateľnosti. Decentralizovaná výroba týchto arduino-ľadových chladičov môže byť dôležitou možnosťou s potenciálom zachrániť životy.

Hotové špecifikácie chladiča:

• Objem nákladu: maximálne 6,6 galónov (25 l), odporúčaných 5 galónov (19 l) s vyrovnávacími fľašami.
• Maximálne rozmery objemu nákladu: = ~ 14 palcov x 14 palcov x 8 palcov (35,6 cm x 35,6 x 20,3 cm)

Chladiaca kapacita: Udržiava 5 ° C 10-7 dní v okolitom prostredí 20-30 ° C

Zdroj energie: suchý ľad a zaplavená 12 voltová námorná batéria

Všetky rozmery: 24 palcov x 24 palcov x 32 palcov (61 cm x 61 cm x 66,6 cm vysoký)

Celková hmotnosť: 15,1 kg prázdna bez ľadu / 28,6 kg s plným ľadom a nákladom

Regulácia teploty: PID regulácia udržuje 5 ° C +-0,5 ° C

Materiály: stavebná pena s uzavretými bunkami a stavebné lepidlá s infračerveným reflexným izolačným plášťom

Krok 1: Nastavenie projektu

Pracovný priestor:

Tento projekt vyžaduje určité rezanie a lepenie izolácie zo styrénovej peny. Môže dôjsť k tvorbe prachu, najmä ak sa rozhodnete použiť pílu a nie nôž. Nezabudnite použiť masku proti prachu. Je tiež veľmi užitočné mať po ruke vysávač na čistenie prachu za pochodu

Stavebné lepidlo môže pri sušení uvoľňovať dráždivé výpary. Dokončite kroky lepenia a tesnenia na dobre vetranom mieste

Zostavenie prídavných komponentov arduino vyžaduje použitie spájkovačky. Pokiaľ je to možné, používajte bezolovnatú spájku a pracujte v dobre osvetlenom, dobre vetranom priestore

Všetky nástroje:

• Kotúčová píla alebo bodovací nôž
• Akumulátorová vŕtačka s pílovou dierou 1,75 palca
• Spájkovačka a spájkovačka
• Zapaľovač alebo teplovzdušná pištoľ
• 4-stopový rovný okraj
• Ostrá značka
• Račňové popruhy
• Zvinovací meter
• Dávkovač tesniacej trubice
• Rezačka drôtov/Odizolovače
• Skrutkovače veľké a malé krížové a bežné

Všetky zásoby:

Elektronický spotrebný materiál

• Zmršťovacia hadička 1/8 a 1/4 palca
• Záhlavie pinov plošných spojov (zásuvka a kolík)
• Elektrická krabica z ABS plastu s priehľadným krytom, veľkosť 200 mm x 120 mm x 75 mm 7,9 palcov x4,7 palcov x2,94 palcov
• Nabíjateľná uzavretá olovená batéria, 12V 20AH. NPP HR1280W alebo podobný.
• Doska mikrokontroléra Arduino Uno R3 alebo podobná
• Stohovateľná prototypová doska Arduino: prototypový štít Alloet mini breadboard V.5 alebo podobný.
• Modul ovládača MOSFET IRF520 alebo podobný
• Digitálny snímač teploty DFRobot DS18B20 vo vodotesnom káblovom balení
• Bezkartáčový chladiaci ventilátor pre počítače 12V: 40 mm x 10 mm 12V 0,12A
• Čítačka kariet Micro SD: Adafruit ADA254
• Hodiny v reálnom čase: DIYmore DS3231, založené na DS1307 RTC
• Batéria pre hodiny v reálnom čase: gombíkový článok LIR2032)
• Rezistor 4,7 K-ohm
• 26 lankových cievok na lanko (červená, čierna, žltá)
• Dĺžka 2-žilového drôtu (3 stopy alebo 1 m), lanko 12 gauge (drôt na pripojenie batérie)
• Držiak poistky automobilového noža a poistka 3 A (pre použitie s batériou)
• Kábel USB pre tlačiareň (typ A samec až b samec)
• Drôtená matica (12 gauge)

Potreby pre pásky a lepidlá

• Pomôcka s vysokou priľnavosťou, šírka 2 palce x 50 stôp (páska Gorilla alebo podobná)
• Silikónový tmel, jedna tuba
• Stavebné lepidlo, 2 tuby. (Tekuté nechty alebo podobné)
• Páska z hliníkovej pece, šírka 2 palce x 50 stôp.
• Samolepiace pásiky na suchý zips (celkovo je potrebný 1 palec široký x 12 palcov)

Dodávky stavebného materiálu

• 2 x 4 stopy x 8 stôp x 2 palce hrubé (1200 mm x 2400 mm x 150 mm) penové izolačné plechy
• Rolka 2 stopy x 25 stôp dvojitej reflexnej izolácie vzduchovej valcovej pece, strieborná bublina.
• 2 x krátke PVC rúrky, vnútorný priemer 1 1/2 palca x Sch 40. narezané na dĺžky 13 palcov.

Špeciálne potreby

• Vakcínový teplomer: „Thomas Traceable Refrigerator/Freezer Plus Thermometer with Vaccine Bottle Probe“a dohľadateľný kalibračný certifikát alebo podobný.
• 2 x fľaše s kvetinovým kmeňom na pufrovanie vodotesných teplotných sond DS18B20 kvapalinou.

Krok 2: Vystrihnite penové diely

Vytlačte si vystrihnutý vzor, ktorý ukazuje počet obdĺžnikov, ktoré je možné vyrezať z dvoch listov tvrdej penovej izolácie s uzavretými bunkami s rozmermi 4 ft x 8 ft x 2 palcov (1200 mm x 2400 mm x 150 mm).

Rovným okrajom a značkovačom opatrne nakreslite čiary na rezanie penových listov. Penu je možné rezať bodnutím nožom, ale na prácu je najľahšie použiť kotúčovú pílu. Rezacia pena pílou však vytvára prach, ktorý by sa nemal vdýchnuť. Mali by ste dodržiavať dôležité opatrenia:

• Noste protiprachovú masku.
• Na zber prachu používajte vákuovú hadicu pripevnenú k píle.
• Ak je to možné, robte rezanie vonku.

Krok 3: Zostavte chladič z penových dosiek

Priložené diapozitívy popisujú, ako zostaviť kompletný chladič z listov penovej a striebornej bublinkovej fólie. Je dôležité nechať stavebné lepidlo zaschnúť medzi niekoľkými rôznymi krokmi, preto by ste mali naplánovať strávenie troch alebo troch dní na dokončenie všetkých týchto krokov.

Krok 4: Zostavte systém ovládača

Nasledujúce obrázky ukazujú, ako zostaviť komponenty elektroniky na prototypovú dosku a vytvoriť tak systém regulácie teploty pre chladič. Posledný zahrnutý obrázok je úplná systémová schéma pre vašu referenciu.

Krok 5: Nastavenie a testovanie softvéru

Najprv vyskúšajte tento náčrt nastavenia

Náčrt nastavenia robí dve veci. Najprv vám umožní nastaviť čas a dátum v hodinách reálneho času (RTC). Za druhé, testuje všetky periférne komponenty radiča chladiča a prostredníctvom sériového monitora vám poskytne malú správu.

Najaktuálnejšiu skicu nastavenia si stiahnite tu: CoolerSetupSketch z GitHub

Otvorte skicu v Arduino IDE. Posuňte sa nadol na blok kódu s komentárom ako „Tu nastavte čas a dátum“. Vyplňte aktuálny čas a dátum. Pred odoslaním náčrtu teraz dvakrát skontrolujte, či sú nainštalované a pripravené nasledujúce periférne zariadenia (pozrite si priložený elektrický schematický obrázok):

• Teplotná sonda zapojená do jednej z 3 kolíkových zásuviek
• Karta Micro SD vložená do modulu čítačky
• Knoflíková batéria vložená do modulu hodín reálneho času (RTC)
• Pripojte vodiče pripojené k ventilátoru počítača
• Poistka v držiaku poistky na kábli batérie.
• Arduino je pripojené k batérii (pretože je isté, že nie je zapojené dozadu! + Na VIN, - na GND!)

V Arduino IDE vyberte Arduino UNO zo zoznamu dosiek a nahrajte. Keď je nahrávanie dokončené, v rozbaľovacej ponuke v hornej časti vyberte položku Nástroje / Sériový monitor. To by malo zobraziť malú systémovú správu. V ideálnom prípade by to malo znieť takto:

Skica na nastavenie chladiča-verzia 190504ŠTART SYSTÉMOVÉHO TESTU ---------------------- TESTOVANIE SKUTOČNÝCH HODÍN: čas [20:38] dátum [6.1.2019] TESTOVACIA TEPLOTA. SENZOR: 22,25 C TESTOVANIE KARTY SD: inicializácia Zapisovanie na dataLog.txt… dataLog.txt: Ak to dokážete prečítať, vaša karta SD funguje! TESTOVACÍ VENTILÁTOR: Pulzuje ventilátor a vypína ho? KONEC SKÚŠKY SYSTÉMU ----------------------

Riešenie problémov so systémom

Obvykle pre mňa veci nikdy nejdú tak, ako by mali. Niektorý systém pravdepodobne nefungoval správne. Náčrt nastavenia snáď poskytne vodítko - hodiny? SD karta? Najbežnejšie problémy s akýmkoľvek projektom mikrokontroléra majú zvyčajne do činenia s jedným z týchto:

• zabudli ste vložiť poistku do kábla batérie, takže žiadne napájanie
• zabudli ste do čítačky vložiť kartu micro SD, takže systém visí
• zabudli ste vložiť batériu do hodín reálneho času (RTC), takže systém visí
• pripojené snímače sú uvoľnené, odpojené alebo zapojené opačne
• vodiče pre komponenty sú odpojené alebo sú pripojené k nesprávnym pinom Arduino
• nesprávny komponent je zapojený do nesprávnych kolíkov alebo je zapojený dozadu
• je nesprávne pripevnený drôt, ktorý všetko skratuje

Nainštalujte skicu ovládača

Akonáhle máte úspešný test s CoolerSetupSketch, je načase nainštalovať úplný náčrt ovládača.

Stiahnite si najaktuálnejší náčrt ovládača tu: CoolerControllerSketch

Pripojte Arduino k počítaču pomocou USB kábla a nahrajte náčrt pomocou Arduino IDE. Teraz ste pripravení fyzicky nainštalovať celý systém do tela chladiča.

Krok 6: Nainštalujte systém Arduino

Nasledujúce kroky je možné považovať za kontrolný zoznam alebo inštaláciu všetkej elektroniky. Nasledujúce kroky nájdete na priložených fotografiách hotového projektu. Obrázky pomáhajú!

1. Pripojte pár káblov ventilátora k modulu Arduino UNO.
2. Pripojte pár 12-voltových napájacích vodičov k modulu Arduino UNO.
3. Pripojte snímače teploty DS18B20 k modulu Arduino UNO. Stačí zapojiť senzor do jednej z 3-kolíkových zásuviek, ktoré sme nainštalovali do prototypovej dosky. Dávajte pozor na farby drôtov, červená prechádza na kladnú, čierna na zápornú a žltá alebo biela prechádza na 3. dátový kolík.
4. Pripojte kábel USB tlačiarne do konektora USB zariadenia Arduino.
5. 1,75 palcovou pílou na diery vyvŕtajte veľký okrúhly otvor v spodnej časti skrinky elektroniky.
6. Pripojte modul Arduino UNO k spodnej časti skrinky elektroniky pomocou samolepiacich pásikov so suchým zipsom.
7. Kalibrovaný teplomer na očkovaciu látku pripevnite k spodnej časti priehľadného veka škatule pomocou suchých zipsov. Pripojte jeho malý drôt sondy fľaše s pufrom.

8. Nasledujúce vodiče vyvediete z krabice cez okrúhly otvor v spodnej časti:

   • 12-voltové napájacie vodiče (lankový, 2-vodičový, 2-vodičový, reproduktorový, lankový)
   • Snímače teploty Arduino (DS18B20 s konektorom 3 -kolíkového konektora na každom kolíku)
   • Kábel USB pre tlačiareň (typ A samec na typ B samec)
   • Sonda teplomera vakcíny (súčasťou kalibrovaného teplomera)
   • Drôty ventilátora (krútený pár lankových prepojovacích káblov s rozmerom 26)
9. Otvorte veko chladiča a pomocou noža alebo vŕtačky vyvŕtajte vekom otvor 3/4 palca (2 cm) v blízkosti jedného zo zadných rohov. (Pozrite si priložené obrázky) Poke up through the mylar bubble wrap coating.
10. Zaveďte všetky, okrem kábla USB z ovládacej skrinky, vekom zhora. Krabicu umiestnite na veko s vysunutým káblom USB, aby ste k nej mali neskôr prístup. Krabicu zaistite páskou s vysokou priľnavosťou.
11. Naskrutkujte priehľadné veko skrinky elektroniky na škatuľu.
12. Vytvorte klapku dodatočnej izolácie zo striebornej mylarovej bublinkovej fólie, ktorá krabicu zakryje a ochráni pred priamym slnečným žiarením. (Pozrite si priložené obrázky.)
13. Vnútri chladiča umiestnite 12voltovú 20AH batériu do zadnej časti priestoru. Batéria zostane v komore vedľa nákladu. Bude fungovať dobre aj pri 5 ° C a bude slúžiť ako tepelné pufrovanie, podobné fľaši s vodou.
14. Pripojte obe teplotné sondy (sondu fľaše teplomera a sondu Arduino) k základni stredového potrubia pomocou vysoko lepiacej pásky.
15. Vnútri chladiča pomocou hliníkovej pásky pripevnite ventilátor tak, aby fúkal nadol do rohovej rúry. Pripojte jeho vodiče k vodičom z ovládača. Ventilátor fúka dolu rohovou rúrkou a zo stredného potrubia sa do chladiacej komory vyvŕta super chladič.

Krok 7: Spustenie a prevádzka chladiča

1. Naformátujte kartu Micro SD - teplota sa zaznamená do tohto čipu
2. Nabite 12 voltovú batériu
3. Kúpte si blok suchého ľadu o hmotnosti 11,34 kg, rozrezaný na rozmery 20 cm x 20 cm x 13 cm.
4. Nainštalujte blok ľadu tak, že ho najskôr položíte naplocho na uterák na stôl. Nasaďte striebornú vložku Mylar cez blok tak, aby bol odhalený iba spodný povrch. Teraz zdvihnite celý blok, prevráťte ho tak, aby holý ľad smeroval nahor, a zasuňte celý blok do komory so suchým ľadom pod chladnejšou podlahou.
5. Vymeňte podlahu chladiča. Pomocou hliníkovej pásky olepte vonkajší okraj podlahy.
6. Vložte 12 voltovú batériu do tela chladiča. Možno budete chcieť zaistiť ho k stene chladiča pásmi vysokej lepiacej pásky.
7. Pripojte napájací vodič ovládača k batérii.
8. Skontrolujte, či sú teplotné sondy bezpečne pripevnené páskou.
9. Vložte fľaše s vodou do nákladného priestoru, aby zaplnili takmer celý priestor. Tieto vyrovnajú teplotu.
10. Nastavte chladič na miesto mimo priameho slnečného žiarenia a nechajte 3-5 hodín, aby sa teplota stabilizovala na 5 ° C.
11. Hneď ako sa teploty stabilizujú, je možné pridať položky citlivé na teplotu odstránením fliaš s vodou a naplnením tohto objemu nákladom.
12. Tento chladič s čerstvou náplňou ľadu a energie vydrží kontrolovaných 5 ° C až 10 dní bez akéhokoľvek dodatočného napájania alebo ľadu. Výkon je lepší, ak chladič nevystavujete priamemu slnečnému žiareniu. Chladič je možné premiestniť a je vo väčšine ohľadov odolný voči otrasom; treba ho však držať vzpriamene. Ak sa prevráti, jednoducho ho postavte späť, bez poškodenia.
13. Zostávajúci elektrický výkon v batérii je možné merať priamo malým voltmetrom. Na správnu funkciu systém vyžaduje minimálne 9 voltov.
14. Zostávajúci ľad je možné zmerať priamo pomocou kovovej pásky, ktorá sa meria po stredovom otvore potrubia až po horný okraj PVC rúrky. V priloženej tabuľke nájdete merania zostávajúcej hmotnosti ľadu.
15. Údaje o zaznamenávaní teploty je možné stiahnuť pripojením kábla USB k prenosnému počítaču so systémom Arduino IDE. Pripojte sa a otvorte Sériový monitor. Arduino sa automaticky reštartuje a načíta úplné odhlásenie prostredníctvom sériového monitora. Chladič bude naďalej fungovať bez prerušenia.
16. Údaje je možné stiahnuť z priloženej karty MicroSD, ale pred vytiahnutím malého čipu musí byť systém vypnutý!

Krok 8: Poznámky a údaje

Tento chladič bol navrhnutý tak, aby vyvážil veľkosť, hmotnosť, kapacitu a čas chladenia. Presné rozmery popísané v plánoch možno považovať za predvolené východisko. Môžu byť upravené tak, aby lepšie vyhovovali vašim potrebám. Ak napríklad požadujete dlhší čas chladenia, komoru na suchý ľad je možné skonštruovať s väčším objemom pre viac ľadu. Rovnako tak môže byť nákladná komora postavená širšie alebo vyššie. Je však potrebné dbať na to, aby ste experimentálne dokázali akékoľvek zmeny dizajnu, ktoré urobíte. Malé zmeny môžu mať veľký vplyv na celkový výkon systému.

Priložené dokumenty obsahujú experimentálne údaje zaznamenané počas vývoja chladiča. Tiež je zahrnutý komplexný zoznam dielov na nákup všetkých dodávok. Okrem toho som pripojil pracovné verzie skíc Arduino, aj keď vyššie uvedené sťahovania GitHubu budú s najväčšou pravdepodobnosťou aktuálnejšie.

Krok 9: Odkazy na online zdroje

Verziu tejto príručky vo formáte PDF si môžete stiahnuť v plnom znení, pozrite si priložený súbor pre túto časť.

Navštívte úložisko GitHub pre tento projekt:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

Druhá cena v súťaži Arduino 2019