Vaccino a temperatura controllata e dispositivo di raffreddamento dell'insulina: 9 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Mantenere la calma salva la vita

Nei paesi in via di sviluppo, i vaccini sono la prima linea di difesa contro malattie pericolose come Ebola, Influenza, Colera, Tubercolosi e Dengue, per citarne alcune. Il trasporto di vaccini e altri materiali salvavita come insulina e sangue richiede un attento controllo della temperatura.

La logistica del primo mondo tende a non funzionare quando le forniture vengono trasportate in regioni con risorse limitate. Molte cliniche mediche rurali mancano dei fondi o dell'energia per i normali sistemi di refrigerazione.

L'insulina, il sangue umano e molti vaccini comuni devono essere mantenuti a una temperatura compresa tra 2-8 C. Sul campo, questo può essere difficile da mantenere perché la refrigerazione elettrica richiede troppa potenza e i refrigeratori di ghiaccio passivi non hanno il controllo del termostato.

Arduino in soccorso

Questo progetto combina la potenza di raffreddamento compatta del ghiaccio secco (anidride carbonica solida) con la precisione del controllo digitale della temperatura. Se usato da solo, il ghiaccio secco è troppo freddo per trasportare vaccino, insulina o sangue perché può facilmente portare al congelamento. Il design del dispositivo di raffreddamento di questo progetto risolve il problema del congelamento posizionando il ghiaccio secco in una camera separata sotto il dispositivo di raffreddamento del carico. Una ventola per PC senza spazzole viene utilizzata per far circolare piccole dosi di aria super-fredda attraverso la sezione di carico, se necessario. Questa ventola è controllata da un robusto microcontrollore Arduino, che esegue un circuito di controllo della temperatura di precisione (PID). Poiché il sistema Arduino funziona con pochissima energia elettrica, questo sistema può essere mobile come una ghiacciaia, ma termoregolato come un frigorifero plug-in.

Per chi è questo progetto?

La mia speranza è che, rendendo questo sistema gratuito e open source, ispiri gli ingegneri umanitari e gli operatori umanitari a cercare modi per produrre tecnologie utili vicino al momento del bisogno.

Questo progetto è progettato per essere realizzato da studenti, ingegneri e operatori umanitari all'interno o nelle vicinanze di aree che devono affrontare sfide umanitarie. I materiali, le parti e le forniture sono generalmente disponibili nella maggior parte delle città del mondo, anche nei paesi più poveri. Rendendo i piani disponibili gratuitamente tramite Instructables, stiamo fornendo tecnologia con flessibilità in termini di costi e scalabilità. La produzione decentralizzata di questi refrigeratori arduino-ice può essere un'opzione importante con il potenziale per salvare vite umane.

Specifiche del dispositivo di raffreddamento finito:

• Volume di carico: massimo 6,6 galloni (25L), consigliato 5 galloni (19L) con bottiglie tampone.
• Dimensioni massime del volume di carico: =~14 pollici x 14 pollici x 8 pollici (35,6 cm x 35,6 x 20,3 cm)

Capacità di raffreddamento: Mantiene 5°C per 10-7 giorni in un ambiente ambiente rispettivamente di 20-30°C

Alimentazione: ghiaccio secco e batteria a celle marine allagate da 12 volt

Dimensioni generali: 24 pollici x 24 pollici x 32 pollici di altezza (61 cm x 61 cm x 66,6 cm di altezza)

Peso complessivo: 33,3 libbre (15,1 kg) vuoto senza ghiaccio / 63 libbre (28,6 kg) con ghiaccio pieno e carico

Regolazione della temperatura: il controllo PID mantiene 5°C +-0,5°C

Materiali: schiuma a cellule chiuse di grado da costruzione e adesivi per costruzione con rivestimento isolante riflettente IR

Passaggio 1: impostazione per il progetto

Area di lavoro:

Questo progetto richiede il taglio e l'incollaggio dell'isolamento in schiuma di stirene. Questo può produrre un po' di polvere, soprattutto se scegli di usare una sega piuttosto che un coltello. Assicurati di usare una maschera antipolvere. Inoltre, è molto utile avere a portata di mano un aspirapolvere per pulire la polvere mentre si va

L'adesivo da costruzione può rilasciare fumi irritanti durante l'asciugatura. Assicurati di completare i passaggi di incollaggio e calafataggio in un'area ben ventilata

L'assemblaggio dei componenti aggiuntivi di Arduino richiede l'uso di un saldatore. Usa saldature senza piombo quando possibile e assicurati di lavorare in uno spazio ben illuminato e ben ventilato

Tutti gli strumenti:

• Sega circolare o incisore
• Trapano a batteria con punta per sega a tazza da 1,75 pollici
• Saldatore e saldatore
• Accendino o pistola termica
• Bordo diritto da 4 piedi
• Pennarello pennarello
• Cinghie a cricchetto
• Metro A nastro
• Dispenser per tubi per calafataggio
• Tagliafili/spelafili
• Cacciaviti grandi e piccoli Phillips e normali

Tutte le forniture:

Forniture elettroniche

• Guaina termoretraibile da 1/8 e 1/4 di pollice
• Intestazioni dei pin del circuito stampato (prese femmina e pin maschio)
• Scatola elettrica in plastica ABS con coperchio trasparente, dimensioni 7,9 "x4,7" x2,94" (200 mm x 120 mm x 75 mm)
• Batteria ricaricabile al piombo sigillata, 12V 20AH. NPP HR1280W o simile.
• Scheda microcontrollore Arduino Uno R3 o simile
• Scheda prototipo impilabile Arduino: Alloet mini breadboard prototipo shield V.5 o simile.
• Modulo driver MOSFET IRF520 o simile
• Sensore di temperatura digitale DFRobot DS18B20 in confezione di cavi impermeabile
• Ventola di raffreddamento per PC senza spazzole da 12 V: 40 mm x 10 mm 12 V 0,12 A
• Lettore di schede Micro SD: Adafruit ADA254
• Orologio in tempo reale: DIYmore DS3231, basato su DS1307 RTC
• Batteria per orologio in tempo reale: cella a bottone LIR2032)
• Resistenza da 4,7 K-ohm
• Bobine di filo di collegamento intrecciato calibro 26 (rosso, nero, giallo)
• Lunghezza del cavo a 2 conduttori (3 piedi o 1 m) a trefoli calibro 12 (cavo di collegamento della batteria)
• Portafusibili a lama per autoveicoli e fusibile a lama da 3 A (per l'uso con la batteria)
• Cavo stampante USB (da tipo a maschio a b maschio)
• Dado filo (calibro 12)

Forniture per nastri e adesivi

• Nastro multiuso ad alta aderenza in rotolo da 2 pollici di larghezza x 50 piedi (nastro Gorilla o simile)
• Sigillante siliconico, un tubo
• Colla da costruzione, 2 tubi. (Chiodi Liquidi o simili)
• Nastro da forno in alluminio, rotolo da 2 pollici di larghezza x 50 piedi.
• Strisce autoadesive a strappo (1 pollice di larghezza x 12 pollici totali necessari)

Forniture per materiali da costruzione

• 2 x 4 piedi x 8 piedi x 2 pollici di spessore (1200 mm x 2400 mm x 150 mm) fogli isolanti in schiuma
• Rotolo da 2 piedi x 25 piedi di isolamento del forno a doppio rullo d'aria riflettente, bolla d'argento.
• 2 x tubi corti in PVC, diametro interno 1 1/2 pollici x Sch 40. tagliati a lunghezze di 13 pollici.

Forniture speciali

• Termometro per vaccini: "Termometro per frigorifero/congelatore tracciabile Thomas Plus con sonda per bottiglia di vaccino" e certificato di calibrazione tracciabile o simile.
• 2 x flaconi a stelo floreale per tamponare i liquidi delle sonde di temperatura impermeabili DS18B20.

Passaggio 2: ritaglia le parti in schiuma

Stampare il modello di taglio, che mostra un numero di rettangoli da tagliare da due fogli da 1200 mm x 2400 mm x 150 mm (4 piedi x 8 piedi x 2 pollici) di isolamento in schiuma rigida a cellule chiuse.

Usa una riga e un pennarello per tracciare con cura le linee per tagliare i fogli di schiuma. La schiuma può essere tagliata incidendola con un taglierino, ma è più semplice usare una sega circolare per eseguire il lavoro. Tagliare la schiuma con una sega, tuttavia, produce polvere che non deve essere inalata. Devono essere seguite importanti precauzioni:

• Indossa una maschera antipolvere.
• Utilizzare un tubo di aspirazione collegato alla sega per la raccolta della polvere.
• Se possibile, esegui il taglio all'esterno.

Passaggio 3: assemblare il dispositivo di raffreddamento da fogli di schiuma

Le diapositive incluse descrivono in dettaglio come assemblare il dispositivo di raffreddamento completo da fogli di schiuma e isolamento a bolle d'argento. È importante lasciare asciugare l'adesivo da costruzione tra alcuni passaggi diversi, quindi dovresti pianificare di impiegare circa 3 giorni per completare tutti questi passaggi.

Passaggio 4: assemblare il sistema di controllo

Le immagini seguenti mostrano come assemblare i componenti elettronici sulla scheda prototipo per creare il sistema di controllo della temperatura per il refrigeratore. L'ultima immagine inclusa è uno schema completo del sistema per riferimento.

Passaggio 5: installazione e test del software

Per prima cosa prova questo schizzo di installazione

Lo schizzo di installazione fa due cose. Innanzitutto, consente di impostare l'ora e la data nell'orologio in tempo reale (RTC). In secondo luogo, verifica tutti i componenti periferici del controller del dispositivo di raffreddamento e fornisce un piccolo report tramite il monitor seriale.

Scarica lo schizzo di installazione più recente qui: CoolerSetupSketch da GitHub

Apri lo schizzo nell'IDE di Arduino. Scorri verso il basso fino al blocco di codice commentato come "Imposta qui l'ora e la data". Inserire l'ora e la data correnti. Ora, ricontrolla che le seguenti periferiche siano configurate e pronte prima di caricare lo schizzo (vedi l'immagine dello schema elettrico inclusa):

• Sonda di temperatura collegata a una delle prese dell'intestazione a 3 pin
• Scheda Micro SD inserita nel modulo lettore
• Batteria a bottone inserita nel modulo dell'orologio in tempo reale (RTC)
• Collegare i cavi collegati alla ventola del PC
• Fusibile nel portafusibile del cavo della batteria.
• Arduino collegato alla batteria (essere SICURO che non sia cablato all'indietro! + a VIN, - a GND!)

Nell'IDE di Arduino, seleziona Arduino UNO dall'elenco delle schede e carica. Una volta effettuato il caricamento, dal menu a tendina in alto, seleziona Strumenti/Serial Monitor. Questo dovrebbe mostrare un piccolo report di sistema. Idealmente, dovrebbe leggere qualcosa del genere:

Schizzo di installazione del dispositivo di raffreddamento - versione 190504 INIZIO DEL TEST DEL SISTEMA ---------------------- TEST DELL'OROLOGIO IN TEMPO REALE: ora[20:38] data[1/6/2019] PROVA TEMP. SENSORE: 22.25 C TEST SCHEDA SD: init done Scrittura su dataLog.txt…dataLog.txt: Se riesci a leggere questo, allora la tua scheda SD funziona! TEST VENTOLA: la ventola si accende e si spegne? FINE COLLAUDO SISTEMA ----------------------

Risolvere i problemi del sistema

Di solito per me le cose non vanno mai come previsto. Alcuni sistemi probabilmente non hanno funzionato correttamente. Si spera che lo schizzo di installazione fornisca un indizio: l'orologio? La scheda SD? I problemi più comuni con qualsiasi progetto di microcontrollore di solito hanno a che fare con uno di questi:

• hai dimenticato di mettere un fusibile nel cavo della batteria, quindi niente alimentazione
• hai dimenticato di inserire una scheda micro SD nel lettore, quindi il sistema si blocca
• hai dimenticato di inserire una batteria nell'orologio in tempo reale (RTC) quindi il sistema è sospeso
• i sensori collegati sono allentati, scollegati o collegati al contrario
• i fili per i componenti vengono lasciati scollegati o collegati ai pin Arduino sbagliati
• il componente sbagliato è inserito nei pin sbagliati o è cablato al contrario
• c'è un filo collegato in modo errato che sta mandando tutto in cortocircuito

Installa lo schizzo del controller

Dopo aver superato con successo il test con CoolerSetupSketch, è il momento di installare lo sketch completo del controller.

Scarica lo schizzo del controller più recente qui: CoolerControllerSketch

Collega Arduino al computer con un cavo USB e carica lo schizzo con l'IDE Arduino. Ora sei pronto per installare fisicamente l'intero sistema nel corpo del refrigeratore.

Passaggio 6: installa il sistema Arduino

I seguenti passaggi possono essere trattati come una lista di controllo o come installazione di tutta l'elettronica. Per i seguenti passaggi, fare riferimento alle foto incluse del progetto finito. Le immagini aiutano!

1. Collega una coppia di fili della ventola al modulo Arduino UNO.
2. Collega una coppia di cavi di alimentazione da 12 volt al modulo Arduino UNO.
3. Collega i sensori di temperatura DS18B20 al modulo Arduino UNO. Basta collegare il sensore a una delle prese a 3 pin che abbiamo installato nella scheda prototipo. Prestare attenzione ai colori dei fili, il rosso va al positivo, il nero al negativo e il giallo o il bianco vanno al 3° pin dati.
4. Collega il cavo USB della stampante al connettore USB di Arduino.
5. Usa la sega a tazza da 1,75 pollici per praticare un grande foro rotondo nella parte inferiore della scatola dell'elettronica.
6. Attacca il modulo Arduino UNO alla parte inferiore della scatola dell'elettronica utilizzando strisce di fissaggio autoadesive a strappo.
7. Fissare il termometro per vaccini calibrato alla parte inferiore del coperchio trasparente della scatola con strisce di fissaggio a strappo. Collegare il filo della sonda del flacone tamponato con liquido.

8. Passare i seguenti fili fuori dalla scatola attraverso il foro rotondo nella parte inferiore:

   • Cavi di alimentazione da 12 volt (cavo per altoparlanti a 2 conduttori in rame intrecciato di 12-18 gauge)
   • Sensori di temperatura Arduino (DS18B20 con connettore maschio a 3 pin su ciascuno)
   • Cavo stampante USB (da tipo A maschio a tipo B maschio)
   • Sonda termometro vaccino (inclusa con il termometro calibrato)
   • Cavi della ventola (doppino intrecciato di cavi di collegamento a trefoli calibro 26)
9. Apri il coperchio del frigorifero e usa un coltello o un trapano per praticare un foro di 2 cm (2 cm) attraverso il coperchio vicino a uno degli angoli posteriori. (Vedi immagini incluse) Colpisci attraverso il rivestimento in pluriball di mylar.
10. Fai passare tutto tranne il cavo USB dalla scatola di controllo verso il basso attraverso il coperchio dall'alto. Posiziona la scatola sul coperchio con il cavo USB appeso in modo che sia possibile accedervi in seguito. Fissare la scatola con nastro ad alta adesione.
11. Avvitare il coperchio trasparente della scatola dell'elettronica sulla scatola.
12. Crea un lembo di ulteriore isolamento a bolle d'argento mylar per coprire la scatola e proteggerla dalla luce solare diretta. (Vedi immagini incluse.)
13. All'interno del frigorifero, posizionare la batteria da 12 volt 20AH vicino al retro del vano. La batteria rimarrà all'interno della camera a fianco del carico. Funzionerà bene anche a 5˚C e fungerà da tampone termico, simile a una bottiglia d'acqua.
14. Attacca entrambe le sonde di temperatura (la sonda a bottiglia del termometro e la sonda Arduino) alla base del tubo centrale usando del nastro adesivo.
15. All'interno del dispositivo di raffreddamento, utilizzare del nastro di alluminio per fissare la ventola in modo che soffi nel tubo d'angolo. Collegare i suoi fili ai fili dal controller. La ventola soffia nel tubo d'angolo e super raffreddata si riverserà nella camera di carico dal tubo centrale.

Passaggio 7: avvio e funzionamento del dispositivo di raffreddamento

1. Formatta la scheda Micro SD: la temperatura verrà registrata su questo chip
2. Ricaricare la batteria da 12 volt
3. Acquista un blocco di ghiaccio secco da 25 libbre (11,34 kg), tagliato alle dimensioni di 20 cm x 20 cm x 13 cm (8 pollici x 8 pollici x 5 pollici).
4. Installa il blocco di ghiaccio posizionando prima il blocco su un asciugamano su un tavolo. Fai scorrere il rivestimento in Mylar argentato sul blocco in modo che sia esposta solo la superficie inferiore. Ora solleva l'intero blocco, capovolgilo in modo che il ghiaccio nudo sia rivolto verso l'alto e fai scorrere l'intero blocco nella camera del ghiaccio secco sotto il pavimento più fresco.
5. Sostituire il pavimento più freddo. Usa del nastro di alluminio per fissare il bordo esterno del pavimento.
6. Posizionare la batteria da 12 volt nel corpo del frigorifero. Potresti volerlo fissare alla parete più fresca con strisce di nastro adesivo alto.
7. Collegare il cavo di alimentazione del controller alla batteria.
8. Verificare che le sonde di temperatura siano fissate saldamente.
9. Carica le bottiglie d'acqua nel vano di carico per riempire quasi tutto lo spazio. Questi tampono la temperatura.
10. Posiziona il frigorifero da qualche parte al riparo dalla luce solare diretta e attendi 3-5 ore affinché la temperatura si stabilizzi a 5C.
11. Una volta che le temperature si sono stabilizzate, è possibile aggiungere articoli sensibili alla temperatura rimuovendo le bottiglie d'acqua e riempiendo quel volume con il carico.
12. Questo dispositivo di raffreddamento con una nuova carica di ghiaccio e potenza manterrà una temperatura controllata di 5 °C per un massimo di 10 giorni senza alcuna potenza o ghiaccio aggiuntivi. Le prestazioni sono migliori se il dispositivo di raffreddamento è tenuto lontano dalla luce solare diretta. Il dispositivo di raffreddamento può essere spostato ed è resistente agli urti sotto molti aspetti; dovrebbe, tuttavia, essere mantenuto in posizione verticale. In caso di ribaltamento, rialzarlo semplicemente, nessun danno.
13. La potenza elettrica residua nella batteria può essere misurata direttamente con un piccolo voltmetro. Il sistema richiede un minimo di 9 volt per funzionare correttamente.
14. Il ghiaccio rimanente può essere misurato direttamente con un metro a nastro metallico misurando lungo il foro centrale del tubo fino al bordo superiore del tubo in PVC. Vedere la tabella allegata per le misurazioni del peso residuo del ghiaccio.
15. I dati di registrazione della temperatura possono essere scaricati collegando il cavo USB a un laptop che esegue l'IDE Arduino. Connetti e apri il monitor seriale. L'Arduino si riavvierà automaticamente e leggerà il logout completo attraverso il monitor seriale. Il frigorifero continuerà a funzionare senza interruzioni.
16. I dati possono essere scaricati dalla scheda MicroSD allegata, ma il sistema deve essere spento prima di estrarre il minuscolo chip!

Passaggio 8: note e dati

Questo dispositivo di raffreddamento è stato progettato per essere un buon equilibrio tra dimensioni, peso, capacità e tempo di raffreddamento. Le dimensioni esatte descritte nelle planimetrie possono essere considerate un punto di partenza predefinito. Possono essere modificati per adattarsi meglio alle tue esigenze. Se, ad esempio, è necessario un tempo di raffreddamento più lungo, la camera del ghiaccio secco può essere costruita con un volume più alto per più ghiaccio. Allo stesso modo, la camera di carico può essere costruita più larga o più alta. Tuttavia, è necessario prestare attenzione per dimostrare sperimentalmente qualsiasi modifica al design apportata. Piccole modifiche possono avere un grande impatto sulle prestazioni complessive del sistema.

I documenti allegati includono i dati sperimentali registrati durante lo sviluppo del refrigeratore. È incluso anche un elenco completo delle parti per l'acquisto di tutti i materiali di consumo. Inoltre, ho allegato versioni funzionanti degli schizzi di Arduino, anche se i download di GitHub sopra saranno molto probabilmente più aggiornati.

Passaggio 9: collegamenti a risorse online

Una versione PDF di questo manuale di istruzioni può essere scaricata integralmente, vedere il file incluso per questa sezione.

Visita il repository GitHub per questo progetto:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

Secondo Premio al Concorso Arduino 2019