Temperatuur gecontroleerd vaccin en insulinekoeler - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Koel blijven redt levens

In de derde wereld vormen vaccins de frontlinie van verdediging tegen gevaarlijke ziekten zoals ebola, griep, cholera, tuberculose en knokkelkoorts, om er maar een paar te noemen. Het vervoeren van vaccins en andere levensreddende materialen zoals insuline en bloed vereisen zorgvuldige temperatuurbeheersing.

Logistiek in de eerste wereld heeft de neiging om kapot te gaan wanneer voorraden worden vervoerd naar regio's met beperkte middelen. Veel medische klinieken op het platteland hebben niet de financiering of de energie voor gewone koelsystemen.

Insuline, menselijk bloed en veel gangbare vaccins moeten binnen een temperatuurbereik van 2-8 C worden bewaard. In het veld kan dit moeilijk te handhaven zijn omdat elektrische koeling te veel stroom vereist en passieve ijskoelers geen thermostaatregeling hebben.

Arduino te hulp

Dit project combineert het compacte koelvermogen van droogijs (vaste kooldioxide) met de precisie van digitale temperatuurregeling. Bij gebruik op zichzelf is droogijs te koud om vaccin, insuline of bloed te transporteren, omdat het gemakkelijk kan leiden tot bevriezing. Het koelerontwerp van dit project lost het probleem van bevriezing op door het droogijs in een aparte kamer onder de ladingkoeler te plaatsen. Een borstelloze pc-ventilator wordt gebruikt om indien nodig kleine doses supergekoelde lucht door het laadgedeelte te laten circuleren. Deze ventilator wordt bestuurd door een robuuste Arduino-microcontroller, die een nauwkeurige (PID) temperatuurregellus uitvoert. Omdat het Arduino-systeem op heel weinig stroom werkt, kan dit systeem mobiel zijn als een ijskast, maar temperatuurgeregeld als een plug-in koelkast.

Voor wie is dit project bedoeld?

Ik hoop dat, door dit systeem gratis en open source te maken, het humanitaire ingenieurs en hulpverleners zal inspireren om te zoeken naar manieren om nuttige technologieën te produceren in de buurt van het punt van nood.

Dit project is ontworpen om te worden gebouwd door studenten, ingenieurs en hulpverleners in of nabij gebieden met humanitaire uitdagingen. De materialen, onderdelen en benodigdheden zijn over het algemeen verkrijgbaar in de meeste steden ter wereld, zelfs in de armste landen. Door de plannen gratis beschikbaar te stellen via Instructables, bieden we technologie flexibiliteit in termen van kosten en schaalbaarheid. De gedecentraliseerde productie van deze arduino-ijskoelers kan een belangrijke optie zijn met het potentieel om levens te redden.

Afgewerkte specificaties van de koeler:

• Laadvolume: maximaal 6,6 gallon (25L), aanbevolen 5 gallon (19L) met bufferflessen.
• Maximale afmetingen vrachtvolume: =~14 in x 14 in x 8 in (35,6 cm x 35,6 x 20,3 cm)

Koelcapaciteit: handhaaft 5°C gedurende respectievelijk 10-7 dagen in een omgevingsomgeving van 20-30°C

Stroombron: droogijs en overstroomde 12 volt scheepscelbatterij

Over alle afmetingen: 24 in x 24 in x 32 in hoog (61 cm x 61 cm x 66,6 cm hoog)

Algehele gewicht: 33,3 lb (15,1 kg) leeg zonder ijs / 63 lb (28,6 kg) met vol ijs en lading

Temperatuurregeling: PID-regeling houdt 5°C +-0.5°C

Materialen: schuim met gesloten cellen van bouwkwaliteit en bouwlijmen met IR-reflecterende isolatiemantel

Stap 1: Installatie voor het project

Werkruimte:

Dit project vereist wat snijden en lijmen van styreenschuimisolatie. Dit kan wat stof produceren, vooral als u ervoor kiest om een zaag te gebruiken in plaats van een mes. Zorg ervoor dat u een stofmasker gebruikt. Het is ook erg handig om een winkelzuiger bij de hand te hebben om onderweg het stof op te ruimen

Bouwlijm kan bij het drogen irriterende dampen afgeven. Zorg ervoor dat u de lijm- en afdichtingsstappen in een goed geventileerde ruimte voltooit

Voor het monteren van de arduino-add-on-componenten is het gebruik van een soldeerbout vereist. Gebruik waar mogelijk loodvrij soldeer en werk in een goed verlichte, goed geventileerde ruimte

Alle gereedschappen:

• Cirkelzaag of voorritsmes
• Accuboormachine met 1,75 inch gatzaagbit
• Soldeerbout & soldeer
• Aansteker of heteluchtpistool
• 4-voet rechte rand
• Sharpie-markering
• Ratelriemen
• Rolmaat
• Dispenser voor afdichtingsbuizen
• Draadknipper/Strippers
• Schroevendraaiers groot en klein phillips & regular

Alle benodigdheden:

Elektronica Benodigdheden

• Krimpkous 1/8 en 1/4 inch
• Pin-headers van printplaten (vrouwelijke stopcontacten en mannelijke pinnen)
• Elektrische kast van ABS-kunststof met doorzichtige afdekking, afmeting 7,9 "x 4,7" x 2,94 "(200 mm x 120 mm x 75 mm)
• Oplaadbare verzegelde loodaccu, 12V 20AH. NPP HR1280W of vergelijkbaar.
• Arduino Uno R3 microcontrollerkaart of vergelijkbaar
• Arduino stapelbaar prototype bord: Alloet mini breadboard prototype schild V.5 of vergelijkbaar.
• MOSFET-stuurprogrammamodule IRF520 of vergelijkbaar
• Digitale temperatuursensor DFRobot DS18B20 in waterdicht kabelpakket
• Borstelloze 12V pc-koelventilator: 40 mm x 10 mm 12 V 0,12 A
• Micro SD-kaartlezer: Adafruit ADA254
• Realtime klok: DIYmore DS3231, gebaseerd op DS1307 RTC
• Batterij voor realtime klok: LIR2032 knoopcel)
• 4.7 K-ohm weerstand
• 26 gauge gevlochten draadspoelen (rood, zwart, geel)
• Lengte van 2-aderige draad (3 ft of 1 m) 12 gauge gevlochten (accu-aansluitdraad)
• Automotive bladzekeringhouder en 3 ampère bladzekering (voor gebruik met accu)
• USB-printerkabel (type a male naar b male)
• Draadmoer (12 gauge)

Benodigdheden voor tapes en lijmen

• Gebruikstape met hoge kleefkracht 2 inch breed x 50 ft rol (Gorilla Tape of vergelijkbaar)
• Siliconenkit, één buis
• Constructielijm, 2 buizen. (Vloeibare Nagels of iets dergelijks)
• Aluminium oventape, 2 inch breed x 50 ft rol.
• Zelfklevende klittenbandstrips (1 inch breed x 12 inch totaal nodig)

Benodigdheden voor bouwmaterialen

• 2 x 4 voet x 8 voet x 2 inch dikke (1200 mm x 2400 mm x 150 mm) schuimisolatieplaten
• 2 ft x 25 ft rol dubbel reflecterende luchtrol ovenisolatie, zilveren bubbel.
• 2 x korte PVC-buizen, 1 1/2 inch binnendiameter x Sch 40. gesneden tot 13 inch lengtes.

Speciale benodigdheden

• Vaccinthermometer: 'Thomas traceerbare koelkast/vriezer Plus thermometer met vaccinflessonde' en traceerbaar kalibratiecertificaat of vergelijkbaar.
• 2 x Bloemstengelflessen voor het bufferen van de DS18B20 waterdichte temperatuurvoelers.

Stap 2: Knip de schuimdelen uit

Druk het snijpatroon af, dat een aantal rechthoeken laat zien om uit twee 4 ft x 8 ft x 2 in (1200 mm x 2400 mm x 150 mm) vellen stijve schuimisolatie met gesloten cellen te snijden.

Gebruik een richtliniaal en markeerstift om zorgvuldig de lijnen te tekenen voor het snijden van de schuimplaten. Het schuim kan worden gesneden door het met een mes in te snijden, maar het is het gemakkelijkst om een cirkelzaag te gebruiken om het werk te doen. Bij het zagen van schuim met een zaag komt echter stof vrij dat niet ingeademd mag worden. Belangrijke voorzorgsmaatregelen moeten worden gevolgd:

• Draag een stofmasker.
• Gebruik een vacuümslang die aan de zaag is bevestigd om stof op te vangen.
• Snijd indien mogelijk buiten.

Stap 3: Monteer de koeler van schuimplaten

De meegeleverde dia's beschrijven hoe de complete koeler moet worden samengesteld uit vellen schuim en zilveren noppenfolie-isolatie. Het is belangrijk om de bouwlijm tussen een paar verschillende stappen te laten drogen, dus u moet plannen om ongeveer 3 dagen te besteden om al deze stappen te voltooien.

Stap 4: Monteer het controllersysteem

De volgende afbeeldingen laten zien hoe de elektronische componenten op het prototypebord worden gemonteerd om het temperatuurregelsysteem voor de koeler te creëren. De laatste afbeelding is een volledig systeemschema ter referentie.

Stap 5: Software instellen en testen

Probeer eerst deze setup-schets

De setup-schets doet twee dingen. Ten eerste kunt u de tijd en datum instellen in de Real Time Clock (RTC). Ten tweede test het alle randcomponenten van de koelercontroller en geeft het u een klein rapport via de seriële monitor.

Download hier de meest actuele setup-schets: CoolerSetupSketch van GitHub

Open de schets in de Arduino IDE. Scrol omlaag naar het codeblok met de opmerking 'Stel hier de tijd en datum in'. Vul de huidige tijd en datum in. Controleer nu of de volgende randapparatuur is ingesteld en gereed is voordat u de schets uploadt (zie bijgevoegde elektrische schematische afbeelding):

• Temperatuursonde aangesloten op een van de 3-pins header-aansluitingen
• Micro SD-kaart in de leesmodule geplaatst
• Knoopcelbatterij geplaatst in de real-time klok (RTC) module
• Sluit de draden aan die op de pc-ventilator zijn aangesloten
• Zekering in de zekeringhouder van de accudraad.
• Arduino aangesloten op de batterij (zeker weten dat het niet achteruit is bedraad! + naar VIN, - naar GND!)

Selecteer in de Arduino IDE Arduino UNO uit de lijst met borden en upload. Zodra het uploaden is voltooid, selecteert u in het vervolgkeuzemenu bovenaan Extra / Seriële monitor. Dit zou een klein systeemrapport moeten weergeven. Idealiter zou het zoiets als dit moeten lezen:

Cooler Setup Sketch - versie 190504START VAN SYSTEEMTEST ---------------------- TESTEN REAL-TIME KLOK: tijd[20:38] datum[1/6/2019] TESTTEMP. SENSOR: 22.25 C TEST SD-KAART: init klaar Schrijven naar dataLog.txt…dataLog.txt: Als u dit kunt lezen, werkt uw SD-kaart! VENTILATOR TESTEN: Gaat de ventilator aan en uit? EINDE SYSTEEMTEST ----------------------

Problemen met het systeem oplossen

Meestal gaat het bij mij nooit helemaal zoals gepland. Een of ander systeem werkte waarschijnlijk niet goed. De setup-schets zal hopelijk een aanwijzing geven - de klok? De SD-kaart? De meest voorkomende problemen bij elk microcontrollerproject hebben meestal te maken met een van de volgende:

• je bent vergeten een zekering in de accudraad te plaatsen, dus geen stroom
• je bent vergeten een micro SD-kaart in de lezer te plaatsen, dus het systeem hangt
• je bent vergeten een batterij in de realtimeklok (RTC) te plaatsen, dus het systeem hangt
• aangesloten sensoren zijn los, losgekoppeld of omgekeerd aangesloten
• draden voor componenten worden losgekoppeld of aangesloten op de verkeerde Arduino-pin (en)
• het verkeerde onderdeel is op de verkeerde pinnen aangesloten of is achterstevoren bedraad
• er is een draad verkeerd aangesloten die alles kortsluit

Installeer de controller-schets

Nadat je een succesvolle test hebt gehad met de CoolerSetupSketch, is het tijd om de volledige controllerschets te installeren.

Download hier de meest actuele controllerschets: CoolerControllerSketch

Sluit de Arduino met een USB-kabel aan op je computer en upload de schets met de Arduino IDE. U bent nu klaar om het hele systeem fysiek in de behuizing van de koeler te installeren.

Stap 6: Installeer het Arduino-systeem

De volgende stappen kunnen worden beschouwd als een checklist of het installeren van alle elektronica. Raadpleeg voor de volgende stappen de bijgevoegde foto's van het voltooide project. Foto's helpen!

1. Bevestig een paar ventilatordraden aan de Arduino UNO-module.
2. Bevestig een paar 12-volt voedingsdraden aan de Arduino UNO-module.
3. Bevestig de DS18B20 temperatuursensoren aan de Arduino UNO-module. Sluit de sensor gewoon aan op een van de 3-pins socket(s) die we in het prototypebord hebben geïnstalleerd. Let op de draadkleuren, rood gaat naar positief, zwart naar negatief en geel of wit gaat naar de 3e datapin.
4. Steek een USB-printerkabel in de USB-connector van de Arduino.
5. Gebruik de 1,75" gatenzaag om een groot rond gat in de bodem van de elektronicabox te boren.
6. Bevestig de Arduino UNO-module aan de onderkant van de elektronicabox met behulp van zelfklevende klittenbandstrips.
7. Bevestig de gekalibreerde vaccinthermometer aan de onderkant van het doorzichtige deksel van de doos met klittenbandstrips. Sluit de kleine sondedraad van de fles met vloeistofbuffer aan.

8. Haal de volgende draden uit de doos door het ronde gat in de bodem:

   • 12-volt voedingsdraden (12-18 gauge gevlochten koperen 2-aderige luidsprekerkabel)
   • Arduino temperatuursensor(en) (DS18B20 met mannelijke 3-pins header connector op elk)
   • USB-printerkabel (Type A Male naar Type B Male)
   • Vaccin Thermometersonde (meegeleverd met gekalibreerde thermometer)
   • Ventilatordraden (getwist paar gevlochten 26 gauge aansluitdraad)
9. Open het deksel van de koeler en boor met een mes of boor een gat van 2 cm door het deksel bij een van de achterste hoeken. (Zie bijgevoegde foto's) Steek omhoog door de mylar noppenfolie.
10. Voer alles behalve de USB-draad van de schakelkast naar beneden door het deksel vanaf de bovenkant. Plaats de doos op het deksel met de USB-kabel naar buiten, zodat deze later toegankelijk is. Zet de doos vast met plakband met hoge hechting.
11. Schroef het doorzichtige deksel van de elektronicadoos op de doos.
12. Maak een flap van extra zilver mylar noppenfolie isolatie om de doos te bedekken en te beschermen tegen direct zonlicht. (Zie bijgevoegde foto's.)
13. Plaats in de koeler de 12 volt 20AH-batterij aan de achterkant van het compartiment. De batterij blijft in de kamer naast de lading. Het zal zelfs bij 5˚C goed werken en zal dienen als enige thermische buffering, vergelijkbaar met een waterfles.
14. Bevestig beide temperatuursondes (de flessonde van de thermometer en de Arduino-sonde) aan de basis van de middelste buis met behulp van plakband.
15. Gebruik aluminiumtape om de ventilator aan de binnenkant van de koeler te bevestigen, zodat deze in de hoekpijp naar beneden blaast. Sluit de draden aan op de draden van de controller. De ventilator blaast door de hoekpijp en supergekoeld zal vanuit de middenpijp in de laadruimte stromen.

Stap 7: Opstarten en bedienen van de koeler

1. Formatteer de Micro SD-kaart - de temperatuur wordt vastgelegd op deze chip
2. Laad de 12 volt batterij op
3. Koop een blok droogijs van 11,34 kg van 25 lb, gesneden tot de afmetingen 8 in x 8 in x 5 in (20 cm x 20 cm x 13 cm).
4. Installeer het ijsblok door het blok eerst plat op een handdoek op een tafel te leggen. Schuif de zilveren Mylar-voering over het blok zodat alleen het onderste oppervlak zichtbaar is. Til nu het hele blok op, draai om zodat het kale ijs naar boven wijst en schuif het hele blok in de droogijskamer onder de koelere vloer.
5. Vervang de koelvloer. Gebruik aluminiumtape om de buitenrand van de vloer af te plakken.
6. Plaats de 12 volt batterij in het lichaam van de koeler. Misschien wilt u het aan de koelere muur bevestigen met stroken hoogklevend plakband.
7. Sluit de voedingskabel van de controller aan op de batterij.
8. Controleer of de temperatuursondes stevig zijn vastgeplakt.
9. Laad waterflessen in de bagageruimte om bijna alle ruimte te vullen. Deze bufferen de temperatuur.
10. Zet de koeler ergens buiten direct zonlicht en laat 3-5 uur de temperatuur stabiliseren op 5C.
11. Zodra de temperaturen zijn gestabiliseerd, kunnen temperatuurgevoelige items worden toegevoegd door waterflessen te verwijderen en dat volume met lading te vullen.
12. Deze koeler met een verse lading ijs en stroom zal tot 10 dagen een gecontroleerde 5C aanhouden zonder extra stroom of ijs. De prestaties zijn beter als de koeler uit direct zonlicht wordt gehouden. De koeler is verplaatsbaar en in de meeste opzichten bestand tegen schokken; het moet echter rechtop worden gehouden. Als het omvalt, zet het dan gewoon weer rechtop, geen kwaad.
13. Het resterende elektrische vermogen in de batterij kan direct worden gemeten met een kleine voltmeter. Het systeem heeft minimaal 9 volt nodig om goed te kunnen functioneren.
14. Het resterende ijs kan direct worden gemeten met een metalen meetlint door het middelste buisgat tot aan de bovenrand van de PVC-buis te meten. Zie de bijgevoegde tabel voor metingen tot het resterende ijsgewicht.
15. Temperatuurregistratiegegevens kunnen worden gedownload door de USB-kabel aan te sluiten op een laptop met Arduino IDE. Maak verbinding en open de seriële monitor. De Arduino zal automatisch opnieuw opstarten en het volledige uitloggen lezen via de seriële monitor. De koeler blijft zonder onderbreking functioneren.
16. De gegevens kunnen worden gedownload van de bijgevoegde MicroSD-kaart, maar het systeem moet worden uitgeschakeld voordat de kleine chip wordt verwijderd!

Stap 8: notities en gegevens

Deze koeler is ontworpen om een fatsoenlijke balans te bieden tussen grootte, gewicht, capaciteit en koeltijd. De exacte afmetingen zoals beschreven in de plannen kunnen worden beschouwd als een standaard uitgangspunt. Ze kunnen worden aangepast om beter aan uw behoeften te voldoen. Als u bijvoorbeeld een langere koeltijd nodig heeft, kan de droogijskamer met een groter volume worden gebouwd voor meer ijs. Evenzo kan de laadkamer breder of hoger worden gebouwd. Er moet echter voor worden gezorgd dat eventuele ontwerpwijzigingen die u aanbrengt experimenteel worden bewezen. Kleine wijzigingen kunnen een grote impact hebben op de algehele systeemprestaties.

De bijgevoegde documenten bevatten experimentele gegevens die zijn vastgelegd tijdens de ontwikkeling van de koeler. Ook inbegrepen is een uitgebreide onderdelenlijst voor de aankoop van alle benodigdheden. Bovendien heb ik werkende versies van de Arduino-schetsen bijgevoegd, hoewel de GitHub-downloads hierboven hoogstwaarschijnlijk actueler zullen zijn.

Stap 9: Links naar online bronnen

Een PDF-versie van dit instructieboek kan volledig worden gedownload, zie het bijgevoegde bestand voor deze sectie.

Bezoek de GitHub-repository voor dit project:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

Tweede prijs in de Arduino-wedstrijd 2019