Refrigerador d’insulina i vacunes controlades per temperatura: 9 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Mantenir-se fresc salva vides

Al món en desenvolupament, les vacunes són la primera línia de defensa contra malalties perilloses com l’Ebola, la grip, el còlera, la tuberculosi i el dengue, per citar algunes. El transport de vacunes i altres materials que salvin la vida, com ara insulina i sang, requereixen un control acurat de la temperatura.

La logística del primer món tendeix a trencar-se quan els subministraments es transporten a regions amb recursos limitats. Moltes clíniques mèdiques rurals no tenen finançament ni energia per als sistemes de refrigeració habituals.

La insulina, la sang humana i moltes vacunes habituals s’han de mantenir en un rang de temperatura de 2-8 ˚C. Al camp, pot ser difícil de mantenir perquè la refrigeració elèctrica requereix massa energia i els refrigeradors de gel passius no tenen control del termòstat.

Arduino al rescat

Aquest projecte combina la potència de refredament compacta del gel sec (diòxid de carboni sòlid) amb la precisió del control de temperatura digital. Quan s’utilitza per si sol, el gel sec és massa fred per transportar la vacuna, la insulina o la sang, ja que pot conduir fàcilment a la congelació. El disseny més fresc d’aquest projecte resol el problema de la congelació col·locant el gel sec en una cambra separada per sota del refrigerador de càrrega. Un ventilador de PC sense escombretes s’utilitza per fer circular petites dosis d’aire refrigerat per la secció de càrrega segons sigui necessari. Aquest ventilador està controlat per un robust microcontrolador Arduino que executa un bucle de control de temperatura de precisió (PID). Com que el sistema Arduino funciona amb molt poca energia elèctrica, aquest sistema pot ser mòbil com un cofre de gel, però regulat per la temperatura com una nevera endollable.

A qui va dirigit aquest projecte?

Espero que, fent que aquest sistema sigui lliure i de codi obert, s’inspirarà als enginyers humanitaris i als treballadors d’ajuda a buscar maneres de produir tecnologies útils a punt del necessari.

Aquest projecte està dissenyat per a ser construït per estudiants, enginyers i treballadors d’ajuda a zones properes a les quals s’enfronten a reptes humanitaris. Els materials, les peces i els subministraments solen estar disponibles a la majoria de ciutats del món, fins i tot als països més pobres. En fer que els plans estiguin disponibles de forma gratuïta mitjançant Instructables, proporcionem tecnologia amb flexibilitat en termes de costos i escalabilitat. La fabricació descentralitzada d’aquests refrigeradors de gel arduino pot ser una opció important amb el potencial de salvar vides.

Especificacions del refrigerador acabades:

• Volum de càrrega: màxim 6,6 galons (25L), recomanat 5 galons (19L) amb ampolles tampó.
• Dimensions màximes del volum de càrrega: = ~ 14 in x 14 in x 8 in (35,6 cm x 35,6 x 20,3 cm)

Capacitat de refrigeració: manté 5 ° C durant 10-7 dies en un ambient ambiental de 20-30 ° C respectivament

Font d’energia: gel sec i bateria de cèl·lules marines inundades de 12 volts

Més de totes les dimensions: 24 x 24 x 32 in (61 cm x 61 cm x 66,6 cm d'alçada)

Sobre tot el pes: 15,1 Kg (33,3 lliures) buit sense gel / 28,6 kg (63 lliures) amb gel ple i càrrega

Regulació de la temperatura: el control PID manté 5 ° C + -0,5 ° C

Materials: escuma de cèl·lules tancades de qualitat constructiva i adhesius de construcció amb revestiment d’aïllament reflectant IR

Pas 1: Configuració del projecte

Espai de treball:

Aquest projecte requereix una mica de tall i encolat d’aïllament d’escuma d’estirè. Això pot produir una mica de pols, sobretot si opteu per utilitzar una serra en lloc d’un ganivet. Assegureu-vos d’utilitzar una màscara antipols. A més, és molt útil tenir a mà una botiga per netejar la pols a mesura que vagi

L’adhesiu de construcció pot alliberar fums irritants en assecar-se. Assegureu-vos de completar els passos d’encolat i calafatatge en una zona ben ventilada

El muntatge dels components del complement arduino requereix l’ús d’un soldador. Utilitzeu soldadures sense plom quan sigui possible i assegureu-vos de treballar en un espai ben il·luminat i ben ventilat

Totes les eines:

• Serra circular o ganivet de tallar
• Trepant sense fil amb broca de serra de 1,75 polzades
• Soldador i soldador
• Encenedor o pistola de calor
• Vora recta de 4 peus
• Marcador Sharpie
• Corretges de trinquet
• Cinta mètrica
• Dispensador de tubs de calafatatge
• Tallador de filferro / Decapant
• Tornavisos Philips grans i petits i regulars

Tots els subministraments:

Subministraments electrònics

• Tubs retràctils de 1/8 i 1/4 de polzada
• Capçaleres de pins de placa de circuit (endolls femella i pins masculins)
• Caixa elèctrica de plàstic ABS amb tapa transparent, mida 7.9 "x4.7" x2.94 "(200mmx120mmx75mm)
• Bateria recarregable de plom àcid segellada, 12V 20AH. NPP HR1280W o similar.
• Placa de microcontrolador Arduino Uno R3 o similar
• Tauler de prototips apilables Arduino: mini prototip de protecció Alloet V.5 o similar.
• Mòdul de controlador MOSFET IRF520 o similar
• Sensor digital de temperatura DFRobot DS18B20 en paquet de cable impermeable
• Ventilador de refrigeració de PC de 12V sense escombretes: 40mm x 10mm 12V 0.12A
• Lector de targetes Micro SD: Adafruit ADA254
• Rellotge en temps real: DIYmore DS3231, basat en DS1307 RTC
• Bateria per al rellotge en temps real: cèl·lula de moneda LIR2032)
• Resistència de 4,7 K-ohm
• Bobines de filferro connectades de calibre 26 (vermell, negre, groc)
• Longitud del cable de 2 conductors (3 peus o 1 m) de calibre 12 (cable de connexió de la bateria)
• Portafusibles de fulla per a automoció i fusible de fulla de 3 amperis (per utilitzar amb bateria)
• Cable de la impressora USB (escriviu un mascle a un mascle b)
• Femella de filferro (calibre 12)

Subministraments de cintes i adhesius

• Cinta de gran adherència de 2 polzades d'ample x rotllo de 50 peus (cinta Gorilla o similar)
• Calafat de silicona, un tub
• Adhesiu de construcció, 2 tubs. (Ungles líquides o similars)
• Cinta de forn d'alumini, rotlle de 2 polzades d'ample x 50 peus.
• Tires de ganxo i llaç autoadhesives (es necessiten 1 polzada d'ample per 12 polzades en total)

Subministraments de materials de construcció

• Fulls d’aïllament d’escuma de 2 x 4 peus x 8 peus x 2 polzades de gruix (1200 mm x 2400 mm x 150 mm)
• Rotlle de 2 peus x 25 peus d’aïllament del forn de doble rotlle reflectant, bombolla platejada.
• 2 tubs de PVC curts, 1 1/2 polzada de diàmetre interior x Sch 40. tallats a 13 polzades de longitud.

Subministraments especials

• Termòmetre de vacuna: "Termòmetre refrigerador / congelador més traçable Thomas amb sonda d'ampolla de vacuna" i certificat de calibratge traçable o similar.
• 2 ampolles de tija de flors per amortiguar líquids les sondes de temperatura impermeables DS18B20.

Pas 2: Retalleu les parts d'escuma

Imprimiu el patró de tall, que mostra una sèrie de rectangles per tallar a partir de dues làmines d’aïllament rígid d’escuma de cèl·lules tancades de 1200 m x 2400 mm x 150 mm.

Utilitzeu una vora recta i un marcador per dibuixar amb cura les línies per tallar les làmines d’escuma. Es pot tallar l’escuma marcant-la amb un ganivet utilitzat, però és més fàcil utilitzar una serra circular per fer la feina. Tallar escuma amb una serra, però, produeix pols que no s’ha d’inhalar. Cal seguir precaucions importants:

• Porteu una màscara antipols.
• Utilitzeu una mànega de buit connectada a la serra per recollir la pols.
• Feu el tall a l’exterior si és possible.

Pas 3: munteu el refrigerador de fulls d’escuma

Les diapositives incloses detallen com muntar el refrigerador complet a partir de làmines d’escuma i aïllament de bombolles de plata. És important deixar assecar l'adhesiu de construcció entre uns quants passos diferents, de manera que hauríeu de planificar passar uns tres dies aproximadament per completar tots aquests passos.

Pas 4: munteu el sistema de control

Les imatges següents mostren com muntar els components electrònics en una placa prototip per crear el sistema de control de temperatura per al refrigerador. La darrera imatge inclosa és un esquema complet del sistema per a la vostra referència.

Pas 5: Configuració i proves de programari

Primer proveu aquest esbós de configuració

L’esbós de configuració fa dues coses. En primer lloc, us permet definir l’hora i la data al rellotge en temps real (RTC). En segon lloc, prova tots els components perifèrics del controlador més fresc i us proporciona un petit informe a través del monitor sèrie.

Descarregueu l’esbós de configuració més recent aquí: CoolerSetupSketch de GitHub

Obriu l'esbós a l'IDE Arduino. Desplaceu-vos cap avall fins al bloc de codi comentat com a "Estableix la data i l'hora aquí". Empleneu l’hora i la data actuals. Ara, comproveu que els perifèrics següents estiguin configurats i preparats abans de penjar l'esbós (vegeu la imatge esquemàtica elèctrica inclosa):

• Sonda de temperatura connectada a una de les preses de capçal de 3 pins
• Targeta micro SD inserida al mòdul lector
• Bateria de cèl·lula de moneda inserida al mòdul de rellotge en temps real (RTC)
• Connecteu els cables connectats al ventilador del PC
• Fusible al portafusibles del fil de la bateria.
• Arduino connectat a la bateria (segur que no està connectat cap enrere! + A VIN, - a GND!)

A l’IDE Arduino, seleccioneu Arduino UNO de la llista de taulers i pengeu-lo. Un cop feta la càrrega, al menú desplegable de la part superior, seleccioneu Eines / Monitor de sèrie. Això hauria de mostrar un petit informe del sistema. Idealment, hauria de llegir alguna cosa així:

Esbós de configuració del refrigerador - versió 190504 INICI DE LA PROVA DEL SISTEMA ---------------------- PROVES DE RELLOTGE EN TEMPS REAL: hora [20:38] data [1/6/2019] TEMP DE PROVA. SENSOR: 22.25 C PROVACIÓ DE LA TARGETA SD: init fet Escrivint a dataLog.txt … dataLog.txt: Si podeu llegir això, la vostra targeta SD funciona. VENTILADOR DE PROVA: el ventilador està activat i apagat? FI DE LA PROVA DEL SISTEMA ----------------------

Resolució de problemes del sistema

Normalment, per a mi, les coses mai no surten del tot com estava previst. Alguns sistemes probablement no funcionaven bé. Esperem que l’esbós de configuració aporti una pista: el rellotge? La targeta SD? Els problemes més habituals amb qualsevol projecte de microcontrolador solen tenir relació amb un d’aquests:

• s’ha oblidat de posar un fusible al fil de la bateria, de manera que no hi ha alimentació
• has oblidat posar una targeta micro SD al lector, de manera que el sistema està penjat
• heu oblidat posar una bateria al rellotge de temps real (RTC) perquè el sistema estigui penjat
• els sensors connectats estan solts, desconnectats o connectats al revés
• els cables dels components es deixen desconnectats o es connecten als pins Arduino incorrectes
• el component incorrecte està connectat als pins equivocats o es connecta cap enrere
• hi ha un cable que no s’adjunta de manera incorrecta i que ho està reduint en curt

Instal·leu l'esbós del controlador

Un cop hàgiu realitzat una prova amb èxit amb el CoolerSetupSketch, és hora d’instal·lar l’esbós complet del controlador.

Descarregueu l’esbós del controlador més recent aquí: CoolerControllerSketch

Connecteu l'Arduino a l'ordinador amb un cable USB i pengeu l'esbós amb l'IDE Arduino. Ara esteu preparats per instal·lar físicament tot el sistema al cos del refrigerador.

Pas 6: Instal·leu el sistema Arduino

Els passos següents es poden tractar com una llista de comprovació o com instal·lar tots els aparells electrònics. Per als passos següents, consulteu les fotos incloses del projecte acabat. Les imatges ajuden!

1. Connecteu un parell de cables de ventilador al mòdul Arduino UNO.
2. Connecteu un parell de cables de potència de 12 volts al mòdul Arduino UNO.
3. Connecteu els sensors de temperatura DS18B20 al mòdul Arduino UNO. Només cal que connecteu el sensor a un dels connectors de 3 pins que hem instal·lat a la placa prototip. Presteu atenció als colors del filferro, el vermell passa a positiu, el negre a negatiu i el groc o blanc al tercer pin de dades.
4. Connecteu un cable d’impressora USB al connector USB de l’Arduino.
5. Utilitzeu la serra de 1,75 "per perforar un gran forat rodó a la part inferior de la caixa electrònica.
6. Connecteu el mòdul Arduino UNO a la part inferior de la caixa electrònica mitjançant tires de fixació autoadhesives.
7. Col·loqueu el termòmetre de vacuna calibrat a la part inferior de la tapa transparent de la caixa amb tires de fixació de ganxo i llaç. Connecteu el cable petit de la sonda d’ampolla amb amortiment de líquid.

8. Passeu els cables següents de la caixa pel forat rodó de la part inferior:

   • Cables d'alimentació de 12 volts (filferro d'altaveus de 2 conductors de coure varat de calibre 12-18)
   • Sensor (s) de temperatura Arduino (DS18B20 amb connector de capçal masculí de 3 pins a cadascun)
   • Cable d'impressora USB (tipus A mascle a tipus B mascle)
   • Sonda termòmetre de vacunes (inclosa amb un termòmetre calibrat)
   • Filferros del ventilador (parell trenat de filferro connectat de calibre 26)
9. Obriu la tapa del refrigerador i utilitzeu un ganivet o un trepant per perforar un forat de 2 cm de 3/4 polzades a través de la tapa a prop d’una de les cantonades posteriors. (Vegeu les imatges incloses) Passeu-vos per la coberta de paper bombolla de mylar.
10. Introduïu tots els cables excepte el cable USB des de la caixa de control cap avall per la tapa de la part superior. Col·loqueu la caixa a la tapa amb el cable USB penjat perquè pugueu accedir-hi més tard. Assegureu la caixa amb cinta adhesiva.
11. Cargoleu la tapa transparent de la caixa electrònica a la caixa.
12. Creeu una solapa d’aïllament de bombolles de mylar platejat addicional per cobrir la caixa i protegir-la de la llum solar directa. (Veure imatges incloses.)
13. Dins del refrigerador, col·loqueu la bateria de 12 volts 20AH a la part posterior del compartiment. La bateria romandrà dins de la cambra al costat de la càrrega. Funcionarà bé fins i tot a 5˚C i servirà com a amortidor tèrmic, similar a una ampolla d’aigua.
14. Connecteu les dues sondes de temperatura (la sonda per ampolla del termòmetre i la sonda Arduino) a la base del tub central mitjançant cinta adhesiva alta.
15. Dins del refrigerador, utilitzeu cinta d’alumini per fixar el ventilador de manera que bufi cap a la canonada de la cantonada. Connecteu els seus cables als cables del controlador. El ventilador fa caure la canonada de la cantonada i la font súper freda sortirà a la cambra de càrrega des de la canonada central.

Pas 7: Arrencada i funcionament del refrigerador

1. Formateu la targeta Micro SD: la temperatura es registrarà en aquest xip
2. Recarregueu la bateria de 12 volts
3. Compreu un bloc de gel sec de 25 lliures (11,34 kg), tallat a unes dimensions de 20 cm x 20 cm x 13 cm (20 x 20 cm x 13 cm).
4. Instal·leu el bloc de gel col·locant primer el bloc pla sobre una tovallola sobre una taula. Feu lliscar el revestiment Mylar platejat sobre el bloc de manera que només quedi exposada la superfície inferior. Ara aixequeu tot el bloc, doneu la volta perquè el gel nu quedi cap amunt i feu lliscar tot el bloc cap a la cambra de gel sec sota el terra més fresc.
5. Substituïu el terra més fresc. Feu servir cinta d’alumini per fer cinta al voltant de la vora exterior del terra.
6. Col·loqueu la bateria de 12 volts al cos del refrigerador. És possible que vulgueu fixar-lo a la paret més freda amb tires de cinta adhesiva alta.
7. Connecteu el cable d'alimentació del controlador a la bateria.
8. Comproveu que les sondes de temperatura estan ben fixades.
9. Carregueu ampolles d’aigua al compartiment de càrrega per omplir gairebé tot l’espai. Això amortitzarà la temperatura.
10. Col·loqueu el refrigerador en algun lloc fora de la llum solar directa i deixeu 3-5 hores perquè la temperatura s’estabilitzi a 5 ° C.
11. Un cop estabilitzades les temperatures, es poden afegir articles sensibles a la temperatura traient les ampolles d’aigua i omplint aquest volum de càrrega.
12. Aquest refrigerador amb una nova càrrega de gel i potència mantindrà una temperatura controlada de 5 ° C fins a 10 dies sense necessitat de poder ni gel addicional. El rendiment és millor si el refrigerador es manté fora de la llum solar directa. El refrigerador es pot moure i és resistent als cops en molts aspectes; s'ha de mantenir, però, en posició vertical. Si es capgira, simplement poseu-lo de nou, sense fer mal.
13. La potència elèctrica restant de la bateria es pot mesurar directament amb un voltímetre petit. El sistema requereix un mínim de 9 volts per funcionar correctament.
14. El gel restant es pot mesurar directament amb una cinta mètrica mesurant el forat central de la canonada fins a la vora superior de la canonada de PVC. Consulteu la taula adjunta per mesurar el pes restant del gel.
15. Les dades de registre de temperatura es poden descarregar connectant el cable USB a un ordinador portàtil que tingui Arduino IDE. Connecteu-vos i obriu el monitor de sèrie. L'Arduino es reiniciarà automàticament i llegirà la sessió completa a través del monitor sèrie. El refrigerador continuarà funcionant sense interrupcions.
16. Les dades es poden descarregar de la targeta MicroSD adjunta, però cal desconnectar el sistema abans de treure el petit xip.

Pas 8: notes i dades

Aquest refrigerador va ser dissenyat per ser un equilibri decent de mida, pes, capacitat i temps de refrigeració. Les dimensions exactes descrites als plans es poden considerar un punt de partida predeterminat. Es poden modificar per adaptar-se millor a les vostres necessitats. Si, per exemple, necessiteu un temps de refredament més llarg, la cambra de gel sec es pot construir amb un volum més alt per obtenir més gel. De la mateixa manera, la cambra de càrrega es pot construir més ampla o alta. Tanmateix, s’ha de procurar provar experimentalment qualsevol canvi de disseny que feu. Els petits canvis poden tenir un gran impacte en el rendiment general del sistema.

Els documents adjunts inclouen dades experimentals registrades mitjançant el desenvolupament del refrigerador. També s’inclou una llista completa de peces per comprar tots els subministraments. A més, he adjuntat versions de treball dels esbossos d'Arduino, tot i que les descàrregues de GitHub anteriors probablement seran més actuals.

Pas 9: enllaços a recursos en línia

Es pot descarregar completament una versió PDF d’aquest llibre d’instruccions; vegeu el fitxer inclòs d’aquesta secció.

Visiteu el dipòsit de GitHub per a aquest projecte:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

Accèssit al Concurs Arduino 2019