Охладитель вакцины и инсулина с контролируемой температурой: 9 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Сохранение хладнокровия спасает жизни

В развивающемся мире вакцины являются передовой линией защиты от таких опасных болезней, как лихорадка Эбола, грипп, холера, туберкулез и лихорадка денге. Транспортировка вакцин и других жизненно важных материалов, таких как инсулин и кровь, требует тщательного контроля температуры.

Логистика в странах первого мира, как правило, ломается, когда грузы доставляются в регионы с ограниченными ресурсами. Многие сельские медицинские клиники не имеют финансирования или энергии для обычных холодильных систем.

Инсулин, человеческая кровь и многие распространенные вакцины необходимо хранить при температуре 2-8 ˚C. В полевых условиях это может быть трудно поддерживать, потому что электрическое охлаждение требует слишком много энергии, а пассивные охладители льда не имеют управления термостатом.

Arduino спешит на помощь

Этот проект сочетает в себе компактную охлаждающую способность сухого льда (твердого диоксида углерода) с точностью цифрового контроля температуры. При использовании самого по себе сухой лед слишком холодный для транспортировки вакцины, инсулина или крови, поскольку он может легко привести к замерзанию. Конструкция кулера этого проекта решает проблему замерзания, помещая сухой лед в отдельную камеру под охладителем груза. Бесщеточный вентилятор для ПК используется для циркуляции небольших доз переохлажденного воздуха через грузовую секцию по мере необходимости. Этот вентилятор управляется надежным микроконтроллером Arduino, работающим по прецизионному (PID) контуру контроля температуры. Поскольку система Arduino потребляет очень мало электроэнергии, эта система может быть мобильной, как ледяной ящик, но с регулируемой температурой, как сменный холодильник.

Для кого этот проект?

Я надеюсь, что, сделав эту систему бесплатной и с открытым исходным кодом, она вдохновит инженеров-гуманитариев и сотрудников гуманитарных организаций на поиск способов создания полезных технологий, близких к точке необходимости.

Этот проект разработан для студентов, инженеров и сотрудников гуманитарных организаций в районах или вблизи районов, сталкивающихся с гуманитарными проблемами. Материалы, детали и расходные материалы обычно доступны в большинстве городов мира даже в самых бедных странах. Предоставляя бесплатные планы через Instructables, мы обеспечиваем гибкость технологии с точки зрения стоимости и масштабируемости. Децентрализованное производство этих кулеров Arduino-ice может быть важным вариантом, способным спасти жизни.

Технические характеристики готового кулера:

• Объем груза: максимум 6,6 галлона (25 л), рекомендуется 5 галлонов (19 л) с буферными бутылями.
• Максимальные размеры грузового объема: = ~ 14 дюймов x 14 дюймов x 8 дюймов (35,6 см x 35,6 x 20,3 см)

Холодопроизводительность: поддерживает температуру 5 ° C в течение 10-7 дней при температуре окружающей среды 20-30 ° C соответственно

Источник питания: сухой лед и заливная 12-вольтовая морская аккумуляторная батарея

Все размеры: 24 x 24 x 32 дюйма (61 x 61 x 66,6 см)

Общий вес: 33,3 фунта (15,1 кг) без льда / 63 фунта (28,6 кг) с полным льдом и грузом

Регулировка температуры: ПИД-регулирование удерживает 5 ° C + -0,5 ° C

Материалы: строительная пена с закрытыми порами и строительные клеи с изоляционной оболочкой, отражающей инфракрасное излучение

Шаг 1. Настройка проекта

Рабочая среда:

Этот проект требует резки и приклеивания изоляции из пенополистирола. Это может привести к образованию пыли, особенно если вы решите использовать пилу, а не нож. Обязательно используйте респиратор. Кроме того, очень полезно иметь под рукой промышленный пылесос, чтобы убирать пыль на ходу

Строительный клей при высыхании может выделять раздражающие пары. Обязательно выполняйте шаги по приклеиванию и конопатке в хорошо проветриваемом помещении

Для сборки дополнительных компонентов Arduino требуется паяльник. По возможности используйте бессвинцовый припой и обязательно работайте в хорошо освещенном, хорошо вентилируемом помещении

Все инструменты:

• Циркулярная пила или подрезной нож
• Аккумуляторная дрель с коронкой диаметром 1,75 дюйма
• Паяльник и припой
• Зажигалка или тепловая пушка
• 4-футовый прямой край
• Маркер Sharpie
• Ремешки с храповым механизмом
• Рулетка
• Диспенсер для герметичных трубок
• Кусачки / стрипперы
• Отвертки большие и маленькие крестовые и обычные

Все расходные материалы:

Электроника

• Термоусадочные трубки 1/8 и 1/4 дюйма
• Заголовки контактов печатной платы (розетки и штекеры)
• Электрический шкаф из АБС-пластика с прозрачной крышкой, размер 7,9 x 4,7 x 2,94 дюйма (200 x 120 x 75 мм)
• Перезаряжаемый герметичный свинцово-кислотный аккумулятор, 12В 20Ач. NPP HR1280W или аналогичный.
• Плата микроконтроллера Arduino Uno R3 или аналогичная
• Стекируемый прототип платы Arduino: мини-макетный щиток Alloet V.5 или аналогичный.
• Модуль драйвера MOSFET IRF520 или аналогичный
• Цифровой датчик температуры DFRobot DS18B20 в водонепроницаемой кабельной упаковке
• Бесщеточный вентилятор охлаждения ПК 12 В: 40 мм x 10 мм 12 В 0,12 А
• Устройство чтения карт Micro SD: Adafruit ADA254
• Часы реального времени: DIYmore DS3231, на основе DS1307 RTC
• Батарея для часов реального времени: таблетка LIR2032)
• Резистор 4,7 кОм
• Катушки со скрученной проволокой 26 калибра (красный, черный, желтый)
• Длина 2-жильного провода (3 фута или 1 м), многожильный 12-го калибра (провод для подключения аккумулятора)
• Держатель автомобильного предохранителя и плавкий предохранитель на 3 А (для использования с аккумулятором)
• USB-кабель для принтера (тип мужчина к мужчине b)
• Проволочная гайка (калибр 12)

Принадлежности для лент и клея

• Универсальная лента с высокой адгезией, рулон шириной 2 дюйма x 50 футов (лента Gorilla Tape или аналогичная)
• Силиконовый герметик, одна туба
• Строительный клей, 2 тюбика. (Жидкие гвозди или аналогичные)
• Алюминиевая лента для печи, рулон шириной 2 дюйма и шириной 50 футов.
• Самоклеящиеся полоски с липучкой (всего требуется 1 дюйм шириной и 12 дюймов)

Поставки строительных материалов

• 2 x 4 фута x 8 футов x 2 дюйма толщиной (1200 мм x 2400 мм x 150 мм) пенопластовые изоляционные листы
• Рулон 2 х 25 футов двойной отражающей воздушно-роликовой изоляции печи, серебряный пузырь.
• 2 короткие трубы из ПВХ с внутренним диаметром 1 1/2 дюйма x Sch 40. нарезать до длины 13 дюймов.

Специализированные товары

• Термометр для вакцины: «Термометр Thomas Traceable для холодильника / морозильника плюс с зондом для флакона с вакциной» и сертификат калибровки или аналогичный.
• 2 бутыли с цветочными ножками для буферизации жидкости с водонепроницаемых датчиков температуры DS18B20.

Шаг 2: вырежьте части из пенопласта

Распечатайте схему вырезов, на которой показано количество прямоугольников, которые нужно вырезать из двух листов жесткой вспененной изоляции с закрытыми порами размером 4 фута x 8 футов x 2 дюйма (1200 мм x 2400 мм x 150 мм).

Используйте линейку и маркер, чтобы аккуратно провести линии для разрезания листов пенопласта. Пену можно разрезать, надрезав ее универсальным ножом, но проще всего использовать дисковую пилу. Однако при резке пены пилой образуется пыль, которую нельзя вдыхать. Следует соблюдать важные меры предосторожности:

• Наденьте респиратор.
• Для сбора пыли используйте прикрепленный к пиле вакуумный шланг.
• Если возможно, сделайте стрижку снаружи.

Шаг 3: соберите охладитель из пенопласта

На прилагаемых слайдах подробно рассказывается, как собрать полный кулер из листов пенопласта и серебряной пузырчатой изоляции. Важно, чтобы строительный клей высох между несколькими этапами, поэтому вам следует запланировать около 3 дней, чтобы выполнить все эти действия.

Шаг 4: соберите систему контроллера

На следующих изображениях показано, как собрать электронные компоненты на макетной плате, чтобы создать систему контроля температуры для кулера. Последнее включенное изображение представляет собой полную схему системы для вашей справки.

Шаг 5: Настройка и тестирование программного обеспечения

Сначала попробуйте этот скетч установки

Эскиз установки выполняет две функции. Во-первых, он позволяет вам установить время и дату в часах реального времени (RTC). Во-вторых, он тестирует все периферийные компоненты контроллера кулера и дает вам небольшой отчет через последовательный монитор.

Загрузите последний скетч установки здесь: CoolerSetupSketch с GitHub

Откройте скетч в среде Arduino IDE. Прокрутите вниз до блока кода с комментарием «Установите здесь время и дату». Введите текущее время и дату. Теперь дважды проверьте, что следующие периферийные устройства настроены и готовы, прежде чем загружать эскиз (см. Прилагаемое изображение электрической схемы):

• Датчик температуры подключен к одному из 3-х контактных разъемов.
• Карта Micro SD вставлена в модуль считывания
• Батарейка-таблетка, вставленная в модуль часов реального времени (RTC)
• Подключите провода, подключенные к вентилятору ПК.
• Предохранитель в держателе предохранителя провода аккумулятора.
• Arduino подключен к аккумулятору (УБЕДИТЕСЬ, что он не подключен обратно! + К VIN, - к GND!)

В среде Arduino IDE выберите Arduino UNO из списка плат и загрузите. После завершения загрузки в раскрывающемся меню вверху выберите Инструменты / Монитор последовательного порта. Должен отобразиться небольшой системный отчет. В идеале это должно выглядеть примерно так:

Эскиз установки кулера - версия 190504 НАЧАЛО ТЕСТА СИСТЕМЫ ---------------------- ТЕСТИРОВАНИЕ ЧАСОВ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ: время [20:38] дата [1/6/2019] ТЕМП. ТЕСТИРОВАНИЯ. СЕНСОР: 22.25 C ТЕСТИРОВАНИЕ SD-КАРТЫ: init done Запись в dataLog.txt… dataLog.txt: Если вы можете это прочитать, значит, ваша SD-карта работает! ТЕСТИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЯТОРА: Вентилятор включается и выключается? КОНЕЦ ТЕСТА СИСТЕМЫ ----------------------

Устранение неполадок в системе

Обычно для меня все идет не так, как планировалось. Возможно, какая-то система работала неправильно. Надеемся, что эскиз установки даст ключ к разгадке - часы? SD-карта? Наиболее распространенные проблемы с любым проектом микроконтроллера обычно связаны с одной из следующих:

• Вы забыли вставить предохранитель в провод аккумулятора, поэтому нет питания
• вы забыли вставить карту micro SD в ридер, поэтому система зависла
• вы забыли вставить батарею в часы реального времени (RTC), поэтому система зависает
• подключенные датчики плохо закреплены, отсоединены или подключены в обратном направлении
• провода для компонентов остаются отключенными или подключенными к неправильному контакту (-ам) Arduino
• неправильный компонент вставлен в неправильные контакты или подключен в обратном направлении
• неправильно прикреплен провод, замыкающий все

Установите эскиз контроллера

После успешного тестирования CoolerSetupSketch пора установить полный эскиз контроллера.

Загрузите последний эскиз контроллера здесь: CoolerControllerSketch

Подключите Arduino к компьютеру с помощью USB-кабеля и загрузите эскиз с помощью Arduino IDE. Теперь вы готовы физически установить всю систему в корпус кулера.

Шаг 6: Установите систему Arduino

Следующие шаги можно рассматривать как контрольный список или установку всей электроники. Для следующих шагов обратитесь к прилагаемым фотографиям готового проекта. Картинки помогают!

1. Подключите пару проводов вентилятора к модулю Arduino UNO.
2. Подключите пару 12-вольтных проводов питания к модулю Arduino UNO.
3. Подключите датчики температуры DS18B20 к модулю Arduino UNO. Просто подключите датчик к одному из 3-контактных разъемов, которые мы установили на макетной плате. Обратите внимание на цвета проводов: красный идет на положительный, черный на отрицательный, а желтый или белый идет на 3-й контакт данных.
4. Подключите USB-кабель принтера к USB-разъему Arduino.
5. Используйте кольцевую пилу 1,75 дюйма, чтобы просверлить большое круглое отверстие в дне блока электроники.
6. Прикрепите модуль Arduino UNO к нижней части блока электроники с помощью самоклеящихся лент на липучках.
7. Прикрепите калиброванный термометр для вакцины к нижней стороне прозрачной крышки коробки с помощью застежек на липучках. Подсоедините к нему провод датчика небольшой бутылки с жидким буфером.

8. Пропустите следующие провода из коробки через круглое отверстие внизу:

   • Провода питания на 12 В (многожильный медный двухжильный провод для громкоговорителей сечением 12-18 калибра)
   • Датчик (и) температуры Arduino (DS18B20 с трехконтактным штекерным разъемом на каждом)
   • Кабель USB-принтера (штекер типа A - штекер типа B)
   • Зонд вакцинного термометра (в комплекте с откалиброванным термометром)
   • Провода вентилятора (витая пара многожильных соединительных проводов 26 калибра)
9. Откройте крышку кулера и с помощью ножа или дрели просверлите в крышке отверстие диаметром 3/4 дюйма (2 см) рядом с одним из задних углов. (См. Прилагаемые рисунки) Вытолкните через майларовую пузырчатую пленку.
10. Протяните все провода, кроме USB, от блока управления вниз через крышку сверху. Поместите коробку на крышку так, чтобы кабель USB свисал наружу, чтобы к ней можно было получить доступ позже. Закрепите коробку липкой лентой.
11. Прикрутите прозрачную крышку блока электроники к блоку.
12. Сделайте лоскут из дополнительной воздушно-пузырчатой пленки из серебряного майлара, чтобы закрыть коробку и защитить ее от прямых солнечных лучей. (См. Прилагаемые изображения.)
13. Внутри кулера поместите аккумулятор на 12 вольт 20 Ач около задней части отсека. Батарея останется внутри камеры вместе с грузом. Он будет хорошо работать даже при 5˚C и будет служить некоторой тепловой буферизацией, как бутылка с водой.
14. Прикрепите оба датчика температуры (датчик термометра и датчик Arduino) к основанию центральной трубы с помощью липкой ленты.
15. Внутри кулера используйте алюминиевую ленту, чтобы прикрепить вентилятор так, чтобы он дул в угловую трубу. Подключите его провода к проводам от контроллера. Вентилятор обдувает угловую трубу, а сверхохлажденный воздух фонтаном поднимается в грузовую камеру из центральной трубы.

Шаг 7: Запуск и работа кулера

1. Отформатируйте карту Micro SD - температура будет записана на этот чип
2. Зарядите аккумулятор на 12 В
3. Купите блок сухого льда весом 25 фунтов (11,34 кг), нарезанный до размеров 8 x 8 x 5 дюймов (20 x 20 x 13 см).
4. Установите ледяной блок, сначала положив его на полотенце на столе. Наденьте серебряную майларовую подкладку на блок так, чтобы открылась только нижняя поверхность. Теперь поднимите весь блок, переверните его так, чтобы голый лед смотрел вверх, и вставьте весь блок в камеру для сухого льда под более прохладным полом.
5. Заменить более прохладный пол. Используйте алюминиевую ленту для обмотки внешнего края пола.
6. Вставьте аккумулятор на 12 В в корпус кулера. Вы можете прикрепить его к стене холодильной камеры с помощью полос липкой ленты.
7. Подключите провод питания контроллера к аккумулятору.
8. Убедитесь, что датчики температуры надежно закреплены лентой.
9. Загрузите бутылки с водой в грузовой отсек, чтобы заполнить почти все пространство. Это смягчит температуру.
10. Установите кулер вдали от прямых солнечных лучей и подождите 3-5 часов, чтобы температура стабилизировалась на уровне 5 ° C.
11. Как только температура стабилизируется, можно добавить чувствительные к температуре предметы, удалив бутылки с водой и заполнив этот объем грузом.
12. Этот кулер со свежим зарядом льда и мощностью выдержит контролируемую температуру 5C до 10 дней без дополнительной мощности или льда. Производительность лучше, если охладитель не подвергается воздействию прямых солнечных лучей. Кулер можно перемещать, он во многих отношениях устойчив к ударам; однако его следует держать в вертикальном положении. В случае опрокидывания просто поставьте его обратно, никакого вреда.
13. Оставшуюся электрическую мощность в батарее можно измерить непосредственно с помощью небольшого вольтметра. Для правильной работы системе требуется минимум 9 вольт.
14. Оставшийся лед можно измерить непосредственно металлической рулеткой, измерив расстояние от центрального отверстия трубы до верхнего края трубы из ПВХ. См. Прилагаемую таблицу для измерения оставшегося веса льда.
15. Данные регистрации температуры можно загрузить, подключив кабель USB к ноутбуку, на котором запущена Arduino IDE. Подключитесь и откройте Serial Monitor. Arduino автоматически перезапустится и прочитает полный выход из системы через последовательный монитор. Кулер продолжит работать без перебоев.
16. Данные можно загрузить с прилагаемой карты MicroSD, но перед извлечением крошечной микросхемы необходимо выключить питание системы!

Шаг 8: Примечания и данные

Этот кулер был разработан с учетом приличного баланса размера, веса, емкости и времени охлаждения. Точные размеры, указанные в планах, можно считать отправной точкой по умолчанию. Их можно изменить в соответствии с вашими потребностями. Если, например, вам требуется более длительное время охлаждения, камера для сухого льда может быть сконструирована с большим объемом для большего количества льда. Точно так же грузовую камеру можно сделать шире или выше. Однако следует проявлять осторожность, чтобы экспериментально подтвердить любые внесенные вами изменения в конструкцию. Небольшие изменения могут иметь большое влияние на общую производительность системы.

В прилагаемых документах содержатся экспериментальные данные, полученные в процессе разработки кулера. Также включен полный список деталей для покупки всех расходных материалов. Кроме того, я приложил рабочие версии эскизов Arduino, хотя загруженные выше файлы GitHub, скорее всего, будут более свежими.

Шаг 9. Ссылки на Интернет-ресурсы

PDF-версию этой инструкции можно загрузить полностью, см. Прилагаемый файл для этого раздела.

Посетите репозиторий GitHub для этого проекта:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

Второй приз конкурса Arduino Contest 2019