Tepelně řízená vakcína a inzulínový chladič: 9 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Zachování chladu zachraňuje životy

V rozvojovém světě jsou vakcíny první linií obrany před nebezpečnými nemocemi, jako je ebola, chřipka, cholera, tuberkulóza a dengue, abychom jmenovali alespoň některé. Přeprava vakcín a dalších život zachraňujících materiálů, jako je inzulín a krev, vyžaduje pečlivou kontrolu teploty.

Logistika prvního světa má tendenci se rozpadat, když jsou zásoby přepravovány do oblastí s omezenými zdroji. Mnoho venkovských lékařských klinik postrádá financování nebo energii pro běžné chladicí systémy.

Inzulín, lidská krev a mnoho běžných vakcín musí být uchovávány v teplotním rozmezí 2–8 ° C. V terénu to může být obtížné udržovat, protože elektrické chlazení vyžaduje příliš mnoho energie a pasivní ledové chladiče postrádají ovládání termostatem.

Arduino na záchranu

Tento projekt kombinuje kompaktní chladicí výkon suchého ledu (pevný oxid uhličitý) s přesností digitální regulace teploty. Pokud je suchý led používán samostatně, je příliš chladný na přepravu vakcíny, inzulínu nebo krve, protože může snadno vést k zamrznutí. Design chladiče tohoto projektu řeší problém mrazu umístěním suchého ledu do oddělené komory pod chladičem nákladu. Bezkartáčový ventilátor PC slouží k cirkulaci malých dávek superchlazeného vzduchu nákladovou sekcí podle potřeby. Tento ventilátor je řízen robustním mikrokontrolérem Arduino, který provozuje přesnou (PID) regulační smyčku teploty. Protože systém Arduino běží na velmi malou elektrickou energii, může být tento systém mobilní jako ledová truhla, ale teplotně regulovaný jako zásuvná chladnička.

Pro koho je tento projekt určen?

Doufám, že díky tomu, že bude tento systém bezplatný a otevřený, bude inspirovat humanitární inženýry a pracovníky pomáhající při hledání způsobů, jak vyrábět užitečné technologie v blízkosti bodu potřeby.

Tento projekt je navržen tak, aby jej postavili studenti, inženýři a humanitární pracovníci v oblastech nebo v jejich blízkosti, které čelí humanitárním výzvám. Materiály, díly a zásoby jsou obecně k dispozici ve většině světových měst i v těch nejchudších zemích. Díky bezplatnému zpřístupnění plánů prostřednictvím Instructables poskytujeme technologii flexibilitu z hlediska nákladů a škálovatelnosti. Decentralizovaná výroba těchto arduino-ledových chladičů může být důležitou možností s potenciálem zachránit životy.

Hotové specifikace chladiče:

• Objem nákladu: maximálně 6,6 galonů (25 l), doporučeno 5 galonů (19 l) s vyrovnávacími lahvemi.
• Maximální rozměry objemu nákladu: = ~ 14 palců x 14 palců x 8 palců (35,6 cm x 35,6 x 20,3 cm)

Chladicí kapacita: Udržuje 5 ° C po dobu 10-7 dní v okolním prostředí 20-30 ° C

Zdroj energie: suchý led a zaplavená 12voltová námořní baterie

Všechny rozměry: 24 palců x 24 palců x 32 palců (61 cm x 61 cm x 66,6 cm vysoký)

Celková hmotnost: 15,1 kg prázdná bez ledu / 28,6 kg s plným ledem a nákladem

Regulace teploty: PID regulace udržuje 5 ° C +-0,5 ° C

Materiály: konstrukční pěna s uzavřenými póry a stavební lepidla s infračerveným reflexním izolačním pláštěm

Krok 1: Nastavení projektu

Pracovní prostor:

Tento projekt vyžaduje řezání a lepení izolace ze styrenové pěny. To může způsobit tvorbu prachu, zvláště pokud se rozhodnete použít pilu než nůž. Ujistěte se, že používáte masku proti prachu. Je také velmi užitečné mít po ruce vysavač, který vám pomůže vyčistit prach za pochodu

Stavební lepidlo může při sušení uvolňovat dráždivé výpary. Dokončete kroky lepení a tmelení v dobře větraném prostoru

Sestavení přídavných součástí arduino vyžaduje použití páječky. Pokud je to možné, používejte bezolovnatou pájku a pracujte v dobře osvětleném, dobře větraném prostoru

Všechny nástroje:

• Kotoučová pila nebo bodovací nůž
• Akumulátorová vrtačka s vrtákem na díry o průměru 1,75 palce
• Páječka a pájka
• Zapalovač nebo horkovzdušná pistole
• 4 stopová rovná hrana
• Ostrá značka
• Ráčnové popruhy
• Svinovací metr
• Dávkovač těsnicí trubice
• Řezačka drátu/Odizolovače
• Šroubováky velké i malé křížové a běžné

Všechny zásoby:

Potřeby pro elektroniku

• Smršťovací bužírky 1/8 a 1/4 palce
• Záhlaví pinů na desce plošných spojů (zásuvky a kolíky)
• Elektrická krabice z ABS plastu s čirým krytem, velikost 7,9 "x4,7" x2,94 "(200 mm x 120 mm x 75 mm)
• Dobíjecí uzavřená olověná baterie, 12V 20AH. NPP HR1280W nebo podobný.
• Deska mikrokontroléru Arduino Uno R3 nebo podobná
• Stohovatelná prototypová deska Arduino: prototypový štít Alloet mini breadboard V.5 nebo podobný.
• Modul ovladače MOSFET IRF520 nebo podobný
• Digitální teplotní senzor DFRobot DS18B20 ve vodotěsném kabelovém balení
• Bezkartáčový 12V chladicí ventilátor PC: 40mm x 10mm 12V 0,12A
• Čtečka karet Micro SD: Adafruit ADA254
• Hodiny reálného času: DIYmore DS3231, založené na DS1307 RTC
• Baterie pro hodiny v reálném čase: knoflíková baterie LIR2032)
• Rezistor 4,7 K-ohm
• 26 cívkových lankových navíjecích cívek (červená, černá, žlutá)
• Délka 2vodičového drátu (3 stopy nebo 1 m) splétaného 12 m (kabel pro připojení baterie)
• Držák pojistky automobilové čepelky a pojistka 3 A (pro použití s baterií)
• Kabel USB tiskárny (typ A samec až b samec)
• Matice drátu (měřidlo 12)

Dodávky pásek a lepidel

• Vysoce přilnavá užitková páska široká 2 palce x 50 stop (páska Gorilla nebo podobná)
• Silikonový tmel, jedna tuba
• Stavební lepidlo, 2 tuby. (Tekuté nehty nebo podobné)
• Páska z hliníkové pece, 2 palce široká x 50 stop.
• Samolepicí pásky na suchý zip (celkem 1 palec široký x 12 palců potřeba)

Dodávky stavebních materiálů

• 2 x 4 stopy x 8 stop x 2 palce silné (1200 mm x 2400 mm x 150 mm) pěnové izolační desky
• 2 ft x 25 ft role izolace dvojité reflexní vzduchové pece, stříbrná bublina.
• 2 x krátké PVC trubky, vnitřní průměr 1 1/2 palce x Sch 40. řezané na délky 13 palců.

Speciální potřeby

• Vakcínový teploměr: „Thomas Traceable Refrigerator/Freezer Plus Thermometer with Vaccine Bottle Probe“a sledovatelný kalibrační certifikát nebo podobný.
• 2 x lahve s květinovým stonkem pro pufrování vodotěsných teplotních sond DS18B20 kapalinou.

Krok 2: Vyřízněte pěnové části

Vytiskněte řezaný vzor, který ukazuje počet obdélníků, které je možné vyříznout ze dvou listů pevné izolace z pěny s uzavřenými buňkami o rozměrech 1200 mm x 2400 mm x 150 mm.

Pomocí rovné hrany a značky opatrně nakreslete čáry pro řezání pěnových listů. Pěna může být řezána rýhováním nožem, ale nejjednodušší je použít k tomu kotoučovou pilu. Řezací pěna pilou však vytváří prach, který by neměl být vdechován. Je třeba dodržovat důležitá bezpečnostní opatření:

• Noste protiprachovou masku.
• Pro sběr prachu použijte vakuovou hadici připevněnou k pile.
• Pokud je to možné, provádějte řezání venku.

Krok 3: Sestavte chladič z pěnových desek

Přiložené snímky podrobně popisují, jak sestavit kompletní chladič z listů pěnové a stříbrné bublinkové fólie. Je důležité nechat stavební lepidlo zaschnout mezi několika různými kroky, takže byste měli v plánu strávit 3 nebo více dní k dokončení všech těchto kroků.

Krok 4: Sestavte řídicí systém

Následující obrázky ukazují, jak sestavit součásti elektroniky na prototypovou desku a vytvořit tak systém řízení teploty pro chladič. Poslední zahrnutý obrázek je úplné systémové schéma pro vaši referenci.

Krok 5: Nastavení a testování softwaru

Nejprve vyzkoušejte tento náčrt nastavení

Náčrt nastavení dělá dvě věci. Nejprve vám umožní nastavit čas a datum v hodinách reálného času (RTC). Za druhé, testuje všechny periferní komponenty řadiče chladiče a podává vám malou zprávu prostřednictvím sériového monitoru.

Stáhněte si nejnovější skicu nastavení zde: CoolerSetupSketch z GitHub

Otevřete skicu v Arduino IDE. Přejděte dolů na blok kódu s poznámkou „Zde nastavte čas a datum“. Vyplňte aktuální čas a datum. Před odesláním skici nyní zkontrolujte, zda jsou následující periferie nastavena a připravena (viz přiložený elektrický schematický obrázek):

• Teplotní sonda zapojená do jedné ze 3pólových zásuvkových lišt
• Micro SD karta vložená do čtecího modulu
• Knoflíková baterie vložená do modulu hodin reálného času (RTC)
• Připojte vodiče připojené k ventilátoru počítače
• Pojistka v držáku pojistky na kabelu baterie.
• Arduino připojeno k baterii (JISTÉ, že není zapojeno dozadu! + Na VIN, - na GND!)

V Arduino IDE vyberte Arduino UNO ze seznamu desek a nahrajte. Jakmile je nahrávání dokončeno, z rozevírací nabídky nahoře vyberte Nástroje / Sériový monitor. To by mělo zobrazit malou systémovou zprávu. V ideálním případě by to mělo znít takto:

Skica nastavení chladiče-verze 190504 SPUŠTĚNÍ SYSTÉMOVÉHO TESTU ---------------------- TESTOVÁNÍ SKUTEČNÝCH HODIN: čas [20:38] datum [6.1.2019] TESTOVÁNÍ TEPLOTY. SENZOR: 22,25 C TESTOVÁNÍ KARTY SD: inicializace Zápis na dataLog.txt… dataLog.txt: Pokud to dokážete přečíst, vaše SD karta funguje! TESTOVACÍ VENTILÁTOR: Pulzuje ventilátor a vypíná jej? KONEC TESTU SYSTÉMU ----------------------

Odstraňte problémy se systémem

Obvykle pro mě věci nikdy nejdou úplně podle plánu. Některý systém pravděpodobně nefungoval správně. Instalační skica snad poskytne vodítko - hodiny? SD karta? Nejběžnější problémy s jakýmkoli projektem mikrokontroléru obvykle souvisejí s jedním z těchto:

• zapomněli jste vložit pojistku do kabelu baterie, takže žádné napájení
• zapomněli jste do čtečky vložit kartu micro SD, takže systém visí
• zapomněli jste vložit baterii do hodin reálného času (RTC), takže systém visí
• připojená čidla jsou uvolněná, odpojená nebo zapojená obráceně
• vodiče komponent jsou ponechány odpojené nebo připojené ke špatným pinům Arduino
• špatný komponent je zapojen do nesprávných pinů nebo je zapojen zpět
• je tam nesprávně připojený drát, který všechno zkratuje

Nainstalujte skicu ovladače

Jakmile máte za sebou úspěšný test s CoolerSetupSketch, je čas nainstalovat kompletní skicu ovladače.

Nejaktuálnější skicu ovladače si stáhněte zde: CoolerControllerSketch

Připojte Arduino k počítači pomocí kabelu USB a nahrajte skicu pomocí Arduino IDE. Nyní jste připraveni fyzicky nainstalovat celý systém do těla chladiče.

Krok 6: Nainstalujte systém Arduino

Následující kroky lze považovat za kontrolní seznam nebo instalaci veškeré elektroniky. Následující kroky naleznete na přiložených fotografiích hotového projektu. Obrázky pomáhají!

1. Připojte pár vodičů ventilátoru k modulu Arduino UNO.
2. Připojte pár 12voltových napájecích vodičů k modulu Arduino UNO.
3. Připojte teplotní senzory DS18B20 k modulu Arduino UNO. Jednoduše zapojte senzor do jedné ze 3kolíkových zásuvek, které jsme nainstalovali do prototypové desky. Věnujte pozornost barvám vodičů, červená přechází na kladnou, černá na zápornou a žlutá nebo bílá přechází na 3. datový kolík.
4. Zapojte kabel USB tiskárny do USB konektoru Arduina.
5. Pomocí 1,75palcové pily vyvrtejte velký kulatý otvor ve spodní části skříně elektroniky.
6. Připojte modul Arduino UNO ke spodní části krabice elektroniky pomocí samolepicích suchých zipů.
7. Kalibrovaný teploměr očkovací látky připevněte na spodní stranu čirého víka krabice pomocí suchých zipů. Připojte jeho malý vodič sondy láhve s pufrem.

8. Kruhovým otvorem ve spodní části protáhněte z krabice následující dráty:

   • 12voltové napájecí vodiče (splétaný měděný 2vodičový reproduktorový vodič o průměru 12-18)
   • Snímače teploty Arduino (DS18B20 s konektorem 3pinového konektoru na každém)
   • Kabel USB tiskárny (typ A samec na typ B samec)
   • Sonda teploměru vakcíny (součástí kalibrovaného teploměru)
   • Dráty ventilátoru (kroucená dvojlinka spleteného připojovacího vodiče o průměru 26)
9. Otevřete víko chladiče a pomocí nože nebo vrtačky vyvrtejte otvor 3/4 palce (2 cm) víkem poblíž jednoho ze zadních rohů. (Viz přiložené obrázky) Poke up through the mylar bubble wrap coating.
10. Veďte všechny kromě USB kabelu z ovládací skříňky dolů víkem shora. Umístěte krabici na víko pomocí zavěšeného kabelu USB, abyste k ní měli přístup později. Krabici zajistěte páskou s vysokou přilnavostí.
11. Na krabici našroubujte průhledné víko krabice elektroniky.
12. Vytvořte klapku dodatečné izolace ze stříbra mylarové bublinkové fólie, která krabici zakryje a ochrání před přímým slunečním zářením. (Viz přiložené obrázky.)
13. Do chladiče umístěte 12voltovou baterii 20AH poblíž zadní části přihrádky. Baterie zůstane uvnitř komory vedle nákladu. Bude fungovat dobře i při 5 ° C a bude sloužit jako tepelné vyrovnávací paměti, podobně jako láhev s vodou.
14. Připojte obě teplotní sondy (sondu láhve teploměru a sondu Arduino) k základně středové trubky pomocí lepicí pásky.
15. Uvnitř chladiče pomocí hliníkové pásky připevněte ventilátor tak, aby foukal dolů do rohové trubky. Připojte jeho vodiče k vodičům z ovladače. Ventilátor fouká dolů do rohové trubky a ze střední trubky se do nákladové komory vyvrbí super chlazený.

Krok 7: Spuštění a provoz chladiče

1. Naformátujte kartu Micro SD - teplota bude zaznamenána do tohoto čipu
2. Dobijte 12 voltovou baterii
3. Kupte si blok suchého ledu o hmotnosti 25 lb (11,34 kg) rozřezaný na rozměry 20 cm x 20 cm x 13 cm 8 x 8 palců x 5 palců.
4. Namontujte blok ledu tak, že ho nejprve položíte naplocho na ručník na stůl. Nasuňte stříbrnou vložku Mylar přes blok tak, aby byl odhalen pouze spodní povrch. Nyní nadzvedněte celý blok, převraťte jej tak, aby holý led směřoval nahoru, a celý blok zasuňte do komory suchého ledu pod chladnější podlahou.
5. Vyměňte podlahu chladiče. Pomocí hliníkové pásky oblepte vnější okraj podlahy.
6. Umístěte 12voltovou baterii do těla chladiče. Možná budete chtít připevnit jej ke stěně chladiče proužky vysoké lepicí pásky.
7. Připojte napájecí vodič ovladače k baterii.
8. Zkontrolujte, zda jsou teplotní sondy bezpečně opatřeny páskou.
9. Vložte lahve s vodou do nákladového prostoru, aby zaplnily téměř celý prostor. Budou tlumit teplotu.
10. Umístěte chladič někam mimo přímé sluneční světlo a počkejte 3–5 hodin, než se teplota ustálí na 5 ° C.
11. Jakmile se teploty ustálí, mohou být přidány položky citlivé na teplotu vyjmutím lahví s vodou a naplněním tohoto objemu nákladem.
12. Tento chladič s čerstvou náplní ledu a výkonu vydrží řízených 5 ° C po dobu až 10 dnů bez dalšího napájení nebo ledu. Výkon je lepší, pokud je chladič chráněn před přímým slunečním zářením. Chladič lze přesouvat a ve většině ohledů je odolný vůči otřesům; mělo by však být udržováno ve svislé poloze. Pokud se převrátí, jednoduše jej postavte zpět, bez poškození.
13. Zbývající elektrickou energii v baterii lze měřit přímo malým voltmetrem. Ke správné funkci systém vyžaduje minimálně 9 voltů.
14. Zbývající led lze měřit přímo kovovým páskovým měřidlem měřením po středovém otvoru potrubí až k hornímu okraji PVC trubky. V přiložené tabulce najdete měření zbývající hmotnosti ledu.
15. Data protokolování teploty lze stáhnout připojením kabelu USB k notebooku se systémem Arduino IDE. Připojte se a otevřete Sériový monitor. Arduino se automaticky restartuje a přečte úplné odhlášení prostřednictvím sériového monitoru. Chladič bude i nadále fungovat bez přerušení.
16. Data lze stáhnout z přiložené karty MicroSD, ale před vytažením malého čipu musí být systém vypnutý!

Krok 8: Poznámky a data

Tento chladič byl navržen tak, aby byl slušným vyvážením velikosti, hmotnosti, kapacity a doby chlazení. Přesné rozměry popsané v plánech lze považovat za výchozí výchozí bod. Mohou být upraveny tak, aby lépe vyhovovaly vašim potřebám. Pokud například požadujete delší dobu chlazení, může být komora na suchý led konstruována s větším objemem pro více ledu. Stejně tak může být nákladní komora postavena širší nebo vyšší. Je však třeba věnovat pozornost experimentálnímu prokázání jakýchkoli změn v designu, které provedete. Malé změny mohou mít velký dopad na celkový výkon systému.

Přiložené dokumenty obsahují experimentální data zaznamenaná vývojem chladiče. Součástí je také komplexní seznam dílů pro nákup veškerého spotřebního materiálu. Kromě toho jsem připojil pracovní verze skic Arduino, ačkoli výše uvedené stahování GitHub bude s největší pravděpodobností aktuálnější.

Krok 9: Odkazy na online zdroje

Verzi této příručky ve formátu PDF lze stáhnout v plném znění, viz přiložený soubor k této sekci.

Pro tento projekt navštivte úložiště GitHub:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

Druhá cena v soutěži Arduino 2019