Chłodnica szczepionek i insuliny z kontrolowaną temperaturą: 9 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Utrzymywanie chłodu ratuje życie

W rozwijającym się świecie szczepionki są pierwszą linią obrony przed niebezpiecznymi chorobami, takimi jak ebola, grypa, cholera, gruźlica i denga. Transportowanie szczepionek i innych materiałów ratujących życie, takich jak insulina i krew, wymaga starannej kontroli temperatury.

Logistyka pierwszego świata ma tendencję do załamywania się, gdy dostawy są transportowane do regionów o ograniczonych zasobach. W wielu wiejskich klinikach medycznych brakuje funduszy lub energii na zwykłe systemy chłodnicze.

Insulina, krew ludzka i wiele popularnych szczepionek muszą być przechowywane w temperaturze 2-8 ˚C. W terenie może to być trudne do utrzymania, ponieważ chłodzenie elektryczne wymaga zbyt dużej mocy, a pasywne lodówki do lodu nie mają sterowania termostatem.

Arduino na ratunek

Projekt ten łączy kompaktową moc chłodzenia suchego lodu (stały dwutlenek węgla) z precyzją cyfrowej kontroli temperatury. Używany samodzielnie, suchy lód jest zbyt zimny, aby przetransportować szczepionkę, insulinę lub krew, ponieważ może łatwo doprowadzić do zamarznięcia. Konstrukcja chłodnicy tego projektu rozwiązuje problem zamarzania, umieszczając suchy lód w oddzielnej komorze pod chłodnicą ładunkową. Bezszczotkowy wentylator PC jest używany do cyrkulacji małych dawek super schłodzonego powietrza przez część ładunkową w razie potrzeby. Ten wentylator jest sterowany przez solidny mikrokontroler Arduino, działający w precyzyjnej (PID) pętli regulacji temperatury. Ponieważ system Arduino zużywa bardzo mało energii elektrycznej, system ten może być mobilny jak skrzynia lodowa, ale z regulacją temperatury jak lodówka z wtyczką.

Dla kogo jest ten projekt?

Mam nadzieję, że czyniąc ten system wolnym i otwartym oprogramowaniem, zainspiruje on inżynierów organizacji humanitarnych i pracowników pomocy do poszukiwania sposobów wytwarzania użytecznych technologii w pobliżu miejsca, w którym są potrzebne.

Ten projekt jest przeznaczony do realizacji przez studentów, inżynierów i pracowników pomocy na obszarach stojących przed wyzwaniami humanitarnymi lub w ich pobliżu. Materiały, części i materiały eksploatacyjne są ogólnie dostępne w większości miast świata, nawet w najbiedniejszych krajach. Udostępniając plany bezpłatnie za pośrednictwem Instructables, zapewniamy technologię elastyczną pod względem kosztów i skalowalności. Zdecentralizowana produkcja tych schładzaczy lodu arduino może być ważną opcją, która może uratować życie.

Gotowe specyfikacje chłodnicy:

• Objętość ładunku: maksymalnie 6,6 galonów (25 l), zalecane 5 galonów (19 l) z butelkami buforowymi.
• Maksymalne wymiary ładunku: =~14 cali x 14 cali x 8 cali (35,6 cm x 35,6 x 20,3 cm)

Wydajność chłodnicza: Utrzymuje 5°C przez 10-7 dni odpowiednio w 20-30°C otoczenia

Źródło zasilania: suchy lód i zalana bateria morska 12 V

Wszystkie wymiary: 24 cale x 24 cale x 32 cale wysokości (61 cm x 61 cm x 66,6 cm wysokości)

Masa całkowita: 33,3 funta (15,1 kg) pusty bez lodu / 63 funty (28,6 kg) z pełnym lodem i ładunkiem

Regulacja temperatury: regulacja PID utrzymuje 5°C +-0,5°C

Materiały: pianka budowlana o zamkniętych komórkach i kleje budowlane z płaszczem izolacyjnym odbijającym promieniowanie IR

Krok 1: Konfiguracja projektu

Przestrzeń robocza:

Ten projekt wymaga cięcia i klejenia izolacji styropianowej. Może to powodować powstawanie kurzu, zwłaszcza jeśli zdecydujesz się użyć piły zamiast noża. Pamiętaj, aby używać maski przeciwpyłowej. Ponadto bardzo przydatne jest posiadanie pod ręką odkurzacza sklepowego do usuwania kurzu w trakcie podróży

Klej budowlany może wydzielać drażniące opary podczas wysychania. Upewnij się, że wszystkie etapy klejenia i uszczelniania zostały wykonane w dobrze wentylowanym miejscu

Złożenie dodatkowych komponentów arduino wymaga użycia lutownicy. Jeśli to możliwe, używaj lutu bezołowiowego i upewnij się, że pracujesz w dobrze oświetlonym, dobrze wentylowanym pomieszczeniu

Wszystkie narzędzia:

• Piła tarczowa lub nóż podcinający
• Wiertarka akumulatorowa z otwornicą 1,75 cala
• Lutownica i lutownica
• Zapalniczka lub opalarka
• 4 stopy prosta krawędź
• Marker Sharpie
• Paski z grzechotką
• Taśma miernicza
• Dozownik tubki uszczelniającej
• Przecinak do drutu / narzędzia do ściągania izolacji
• Wkrętaki duże i małe krzyżakowe i zwykłe

Wszystkie dostawy:

Materiały elektroniczne

• Rurki termokurczliwe 1/8 i 1/4 cala
• Listwy stykowe do płytek drukowanych (gniazda żeńskie i styki męskie)
• Skrzynka elektryczna z tworzywa ABS z przezroczystą pokrywą, wymiary 200mmx120mmx75mm 7,9"x4,7"x2,94"
• Szczelny akumulator kwasowo-ołowiowy, 12V 20AH. NPP HR1280W lub podobny.
• Płytka mikrokontrolera Arduino Uno R3 lub podobna
• Płytka prototypowa Arduino do układania w stos: Prototypowa mini płytka prototypowa Alloet V.5 lub podobna.
• Moduł sterownika MOSFET IRF520 lub podobny
• Cyfrowy czujnik temperatury DFRobot DS18B20 w wodoszczelnym opakowaniu kablowym
• Bezszczotkowy wentylator chłodzący PC 12 V: 40 mm x 10 mm 12 V 0,12 A
• Czytnik kart Micro SD: Adafruit ADA254
• Zegar czasu rzeczywistego: DIYmore DS3231, oparty na DS1307 RTC
• Bateria do zegara czasu rzeczywistego: LIR2032)
• Rezystor 4,7 k-omów
• 26 szpuli drutu przyłączeniowego z linką (czerwony, czarny, żółty)
• Długość przewodu 2-żyłowego (3 stopy lub 1 m) linka o rozmiarze 12 (przewód do podłączenia akumulatora)
• Uchwyt bezpiecznika samochodowego i bezpiecznik ostrza 3 A (do użytku z akumulatorem)
• Kabel USB drukarki (typ a męski na b męski)
• Nakrętka druciana (rozmiar 12)

Materiały eksploatacyjne do taśm i klejów

• Taśma użytkowa o wysokiej przyczepności, szerokość 2 cale x 50 stóp, rolka (taśma Gorilla lub podobna)
• Uszczelniacz silikonowy, jedna rurka
• Klej konstrukcyjny, 2 tubki. (Gwoździe w płynie lub podobne)
• Aluminiowa taśma piecowa, rolka 2 cale x 50 stóp.
• Samoprzylepne paski na rzepy (potrzebne 1 cal szerokości x 12 cali)

Dostawy materiałów budowlanych

• Arkusze izolacyjne z pianki o grubości 2 x 4 stopy x 8 stóp x 2 cale (1200 mm x 2400 mm x 150 mm)
• Rolka 2 ft x 25 ft podwójnej odblaskowej izolacji pieca rolkowego z powietrzem, srebrna bańka.
• 2 x krótkie rury PVC, średnica wewnętrzna 1 1/2 cala x Sch 40. przycięte do długości 13 cali.

Zaopatrzenie specjalistyczne

• Termometr szczepionkowy: „Termometr Thomas Traceable Lodówka/Zamrażarka Plus z sondą do butelek na szczepionki” i identyfikowalny certyfikat kalibracji lub podobny.
• 2 x butelki z łodygami kwiatowymi do buforowania cieczą wodoodpornych sond temperatury DS18B20.

Krok 2: Wytnij części z pianki

Wydrukuj wzór cięcia, który przedstawia liczbę prostokątów do wycięcia z dwóch arkuszy o wymiarach 4 ft x 8 ft x 2 in (1200 mm x 2400 mm x 150 mm) sztywnej izolacji z pianki o zamkniętych komórkach.

Użyj prostej krawędzi i markera, aby ostrożnie narysować linie cięcia arkuszy pianki. Piankę można ciąć, nacinając ją nożem, ale najłatwiej jest do tego użyć piły tarczowej. Jednak cięcie pianki piłą powoduje powstawanie pyłu, którego nie należy wdychać. Należy przestrzegać ważnych środków ostrożności:

• Nosić maskę przeciwpyłową.
• Do zbierania kurzu użyj węża podciśnieniowego podłączonego do piły.
• Jeśli to możliwe, wykonaj cięcie na zewnątrz.

Krok 3: Złóż chłodnicę z arkuszy piankowych

Dołączone slajdy szczegółowo opisują sposób montażu kompletnej chłodnicy z arkuszy pianki i izolacji ze srebrnej folii bąbelkowej. Ważne jest, aby klej budowlany wysechł między kilkoma różnymi krokami, więc powinieneś zaplanować spędzenie około 3 dni na wykonanie wszystkich tych kroków.

Krok 4: Złóż system kontrolera

Poniższe obrazy pokazują, jak zmontować elementy elektroniczne na płytce prototypowej, aby stworzyć system kontroli temperatury dla chłodnicy. Ostatni dołączony obraz to pełny schemat systemu w celach informacyjnych.

Krok 5: Konfiguracja i testowanie oprogramowania

Najpierw wypróbuj ten szkic konfiguracji

Szkic instalacyjny robi dwie rzeczy. Po pierwsze, pozwala ustawić czas i datę w zegarze czasu rzeczywistego (RTC). Po drugie, testuje wszystkie elementy peryferyjne kontrolera chłodniejszego i daje mały raport przez monitor szeregowy.

Pobierz najnowszy szkic konfiguracji tutaj: CoolerSetupSketch z GitHub

Otwórz szkic w Arduino IDE. Przewiń w dół do bloku kodu z komentarzem „Ustaw tutaj godzinę i datę”. Wpisz aktualną godzinę i datę. Teraz sprawdź dokładnie, czy następujące urządzenia peryferyjne są skonfigurowane i gotowe przed przesłaniem szkicu (patrz dołączony obraz schematu elektrycznego):

• Sonda temperatury podłączona do jednego z 3-pinowych gniazd listwowych
• Karta Micro SD włożona do modułu czytnika
• Bateria pastylkowa włożona do modułu zegara czasu rzeczywistego (RTC)
• Podłącz przewody podłączone do wentylatora komputera
• Bezpiecznik w uchwycie bezpiecznika przewodu akumulatora.
• Arduino podłączone do akumulatora (mam pewność, że nie jest podłączone do tyłu! + do VIN, - do GND!)

W Arduino IDE wybierz Arduino UNO z listy płyt i prześlij. Po zakończeniu przesyłania z menu rozwijanego u góry wybierz Narzędzia / Monitor szeregowy. Powinno to wyświetlić mały raport systemowy. Idealnie powinno brzmieć mniej więcej tak:

Szkic konfiguracji chłodnicy - wersja 190504POCZĄTEK TESTU SYSTEMU ---------------------- TESTOWANIE ZEGARA CZASU RZECZYWISTEGO: czas[20:38] data[1.6.2019] TEMP. TEST. CZUJNIK: 22.25 C TESTOWANIE KARTY SD: init done Zapis do dataLog.txt…dataLog.txt: Jeśli możesz to odczytać, Twoja karta SD działa! TESTOWANIE WENTYLATORA: Czy wentylator włącza się i wyłącza? KONIEC TESTU SYSTEMU -----------------------

Rozwiązywanie problemów z systemem

Zwykle dla mnie sprawy nigdy nie idą zgodnie z planem. Jakiś system prawdopodobnie nie działał poprawnie. Miejmy nadzieję, że szkic konfiguracji dostarczy wskazówki - zegar? Karta SD? Najczęstsze problemy z każdym projektem mikrokontrolera zwykle dotyczą jednego z poniższych:

• zapomniałeś włożyć bezpiecznik do przewodu akumulatora, więc brak zasilania
• zapomniałeś włożyć kartę micro SD do czytnika, więc system się zawiesza
• zapomniałeś włożyć baterię do zegara czasu rzeczywistego (RTC), więc system się zawiesza
• podłączone czujniki są luźne, odłączone lub podłączone odwrotnie
• przewody komponentów są pozostawione odłączone lub podłączone do niewłaściwych pinów Arduino
• niewłaściwy komponent jest podłączony do niewłaściwych pinów lub jest podłączony do tyłu
• jest źle podłączony przewód, który wszystko zwiera

Zainstaluj szkic kontrolera

Po pomyślnym przeprowadzeniu testu z CoolerSetupSketch nadszedł czas na zainstalowanie pełnego szkicu kontrolera.

Pobierz najnowszy szkic kontrolera tutaj: CoolerControllerSketch

Podłącz Arduino do komputera kablem USB i wgraj szkic za pomocą Arduino IDE. Jesteś teraz gotowy do fizycznego zainstalowania całego systemu w obudowie lodówki.

Krok 6: Zainstaluj system Arduino

Poniższe kroki można potraktować jako listę kontrolną lub instalację całej elektroniki. Aby zapoznać się z poniższymi krokami, zapoznaj się z załączonymi zdjęciami gotowego projektu. Zdjęcia pomagają!

1. Podłącz parę przewodów wentylatora do modułu Arduino UNO.
2. Podłącz parę przewodów zasilających 12 V do modułu Arduino UNO.
3. Podłącz czujniki temperatury DS18B20 do modułu Arduino UNO. Wystarczy podłączyć czujnik do jednego z 3-pinowych gniazd, które zainstalowaliśmy na płytce prototypowej. Zwróć uwagę na kolory przewodów, czerwony przechodzi do dodatniego, czarny do ujemnego, a żółty lub biały przechodzi do trzeciego pinu danych.
4. Podłącz kabel USB drukarki do złącza USB Arduino.
5. Użyj otwornicy 1,75", aby wywiercić duży okrągły otwór w dolnej części skrzynki z elektroniką.
6. Przymocuj moduł Arduino UNO do dolnej części skrzynki z elektroniką za pomocą samoprzylepnych pasków z rzepami.
7. Przymocuj skalibrowany termometr do szczepionek do spodu przezroczystego wieczka pudełka za pomocą pasków zapinanych na rzepy. Podłącz mały przewód sondy butelkowej buforowanej cieczą.

8. Wyciągnij następujące przewody z puszki przez okrągły otwór na dole:

   • Przewody zasilające 12 V (dwużyłowy przewód głośnikowy z miedzi o przekroju 12-18)
   • Czujnik(i) temperatury Arduino (DS18B20 z męskim 3-pinowym złączem na każdym)
   • Kabel USB drukarki (typ A męski na typ B męski)
   • Sonda termometru szczepionkowego (w zestawie ze skalibrowanym termometrem)
   • Przewody wentylatora (skręcona para skręconych przewodów połączeniowych o rozmiarze 26)
9. Otwórz pokrywę lodówki i użyj noża lub wiertarki, aby wywiercić otwór 3/4 cala (2 cm) w pokrywie w pobliżu jednego z tylnych rogów. (Patrz załączone zdjęcia) Przebij się przez folię bąbelkową z mylaru.
10. Przeprowadź wszystko oprócz przewodu USB ze skrzynki kontrolnej przez pokrywę od góry. Umieść pudełko na pokrywie z wywieszonym kablem USB, aby można było uzyskać do niego później dostęp. Zabezpiecz pudełko taśmą o wysokiej przyczepności.
11. Przykręć przezroczystą pokrywę puszki z elektroniką do puszki.
12. Utwórz płat dodatkowej izolacji bąbelkowej ze srebrnego mylaru, aby zakryć pudełko i chronić je przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych. (Patrz załączone zdjęcia.)
13. Wewnątrz chłodnicy umieść akumulator 12 V 20AH z tyłu komory. Akumulator pozostanie w komorze obok ładunku. Sprawdzi się nawet w 5˚C i posłuży jako pewne buforowanie termiczne, podobnie jak bidon.
14. Przymocuj obie sondy temperatury (sonda butelkowa termometru i sonda Arduino) do podstawy rury środkowej za pomocą taśmy samoprzylepnej.
15. Wewnątrz chłodnicy użyj taśmy aluminiowej, aby przymocować wentylator tak, aby dmuchał do rury narożnej. Podłącz jego przewody do przewodów ze sterownika. Wentylator wydmuchuje rurę narożną, a super schłodzony spłynie do komory ładunkowej z rury środkowej.

Krok 7: Uruchomienie i działanie chłodnicy

1. Sformatuj kartę Micro SD - temperatura będzie rejestrowana na tym chipie
2. Naładuj akumulator 12 V
3. Kup blok suchego lodu o wadze 25 funtów (11,34 kg), przycięty do wymiarów 8 cali x 8 cali x 5 cali (20 cm x 20 cm x 13 cm).
4. Zainstaluj blok lodu, umieszczając go najpierw płasko na ręczniku na stole. Nasuń srebrną wkładkę Mylar na blok tak, aby odsłonięta była tylko dolna powierzchnia. Teraz podnieś cały blok, odwróć go tak, aby goły lód był skierowany do góry, i wsuń cały blok do komory suchego lodu poniżej chłodniejszej podłogi.
5. Wymień chłodniejszą podłogę. Użyj taśmy aluminiowej do oklejenia zewnętrznej krawędzi podłogi.
6. Umieść baterię 12 V w obudowie lodówki. Możesz przymocować go do chłodniejszej ściany za pomocą pasków wysokiej taśmy klejącej.
7. Podłącz przewód zasilający kontrolera do akumulatora.
8. Sprawdź, czy sondy temperatury są dobrze przymocowane taśmą.
9. Załaduj butelki z wodą do bagażnika, aby wypełnić prawie całą przestrzeń. Będą one buforować temperaturę.
10. Ustaw lodówkę w miejscu niedostępnym dla bezpośredniego światła słonecznego i odczekaj 3-5 godzin, aby temperatura ustabilizowała się na poziomie 5C.
11. Gdy temperatura się ustabilizuje, można dodać elementy wrażliwe na temperaturę, wyjmując butelki z wodą i napełniając tę objętość ładunkiem.
12. Ta lodówka ze świeżym lodem i mocą utrzyma kontrolowaną temperaturę 5C przez nawet 10 dni bez dodatkowej mocy lub lodu. Wydajność jest lepsza, jeśli chłodnica jest chroniona przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych. Lodówka jest ruchoma i pod wieloma względami odporna na wstrząsy; powinien jednak być trzymany w pozycji pionowej. Jeśli się przewróci, po prostu postaw go z powrotem, nic się nie stanie.
13. Pozostałą moc elektryczną w akumulatorze można zmierzyć bezpośrednio za pomocą małego woltomierza. Do prawidłowego działania system wymaga co najmniej 9 woltów.
14. Pozostały lód można zmierzyć bezpośrednio za pomocą metalowej taśmy mierniczej, mierząc środkowy otwór na rurę do górnej krawędzi rury PVC. Zobacz załączoną tabelę dla pomiarów pozostałej masy lodu.
15. Dane rejestrowania temperatury można pobrać, podłączając przewód USB do laptopa z systemem Arduino IDE. Połącz i otwórz Monitor szeregowy. Arduino automatycznie uruchomi się ponownie i odczyta pełne wylogowanie przez monitor szeregowy. Lodówka będzie nadal działać bez przerwy.
16. Dane można pobrać z dołączonej karty MicroSD, ale system musi zostać wyłączony przed wyjęciem małego chipa!

Krok 8: Notatki i dane

Ta lodówka została zaprojektowana tak, aby zapewniać przyzwoitą równowagę między rozmiarami, wagą, pojemnością i czasem chłodzenia. Dokładne wymiary opisane w planach można uznać za domyślny punkt wyjścia. Można je modyfikować, aby lepiej odpowiadały Twoim potrzebom. Jeśli, na przykład, potrzebujesz dłuższego czasu chłodzenia, komorę suchego lodu można zbudować z większą objętością, aby uzyskać więcej lodu. Podobnie komora ładunkowa może być szersza lub wyższa. Należy jednak zachować ostrożność, aby eksperymentalnie udowodnić wszelkie wprowadzone zmiany w projekcie. Małe zmiany mogą mieć duży wpływ na ogólną wydajność systemu.

Załączone dokumenty zawierają dane eksperymentalne zarejestrowane podczas rozwoju chłodnicy. Dołączona jest również pełna lista części do zakupu wszystkich materiałów eksploatacyjnych. Dodatkowo załączyłem działające wersje szkiców Arduino, chociaż powyższe pliki do pobrania GitHub będą najprawdopodobniej bardziej aktualne.

Krok 9: Linki do zasobów internetowych

Wersję PDF tej instrukcji obsługi można pobrać w całości, patrz dołączony plik do tej sekcji.

Odwiedź repozytorium GitHub dla tego projektu:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

II nagroda w konkursie Arduino 2019