Temperaturgesteuerter Impfstoff- und Insulinkühler - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Cool bleiben rettet Leben

In den Entwicklungsländern sind Impfstoffe die vorderste Verteidigungslinie gegen gefährliche Krankheiten wie Ebola, Influenza, Cholera, Tuberkulose und Dengue, um nur einige zu nennen. Der Transport von Impfstoffen und anderen lebensrettenden Materialien wie Insulin und Blut erfordert eine sorgfältige Temperaturkontrolle.

Die Logistik der Ersten Welt bricht zusammen, wenn Vorräte in Regionen mit begrenzten Ressourcen transportiert werden. Vielen ländlichen medizinischen Kliniken fehlt die Finanzierung oder die Energie für gewöhnliche Kühlsysteme.

Insulin, menschliches Blut und viele gängige Impfstoffe müssen im Temperaturbereich von 2-8 °C aufbewahrt werden. Im Feld kann dies schwierig aufrechtzuerhalten sein, da die elektrische Kühlung zu viel Strom benötigt und passiven Eiskühlern keine Thermostatsteuerung fehlt.

Arduino zur Rettung

Dieses Projekt kombiniert die kompakte Kühlleistung von Trockeneis (festes Kohlendioxid) mit der Präzision digitaler Temperaturregelung. Bei alleiniger Anwendung ist Trockeneis zu kalt, um Impfstoff, Insulin oder Blut zu transportieren, da es leicht zum Einfrieren führen kann. Das Kühlerdesign dieses Projekts löst das Problem des Einfrierens, indem das Trockeneis in einer separaten Kammer unter dem Frachtkühler platziert wird. Ein bürstenloser PC-Lüfter wird verwendet, um bei Bedarf kleine Dosen supergekühlter Luft durch den Laderaum zu zirkulieren. Dieser Lüfter wird von einem robusten Arduino-Mikrocontroller gesteuert, der eine präzise (PID) Temperaturregelschleife betreibt. Da das Arduino-System mit sehr wenig Strom betrieben wird, kann dieses System mobil wie ein Eisschrank sein, aber temperaturgeregelt wie ein Plug-in-Kühlschrank.

Für wen ist dieses Projekt?

Ich hoffe, dass dieses System, indem es frei und quelloffen gemacht wird, humanitäre Ingenieure und Helfer dazu inspiriert, nach Wegen zu suchen, um nützliche Technologien bedarfsgerecht zu produzieren.

Dieses Projekt soll von Studenten, Ingenieuren und Helfern in oder in der Nähe von Gebieten mit humanitären Herausforderungen gebaut werden. Die Materialien, Teile und Verbrauchsmaterialien sind im Allgemeinen in den meisten Städten der Welt selbst in den ärmsten Ländern erhältlich. Indem wir die Pläne kostenlos über Instructables zur Verfügung stellen, bieten wir Technologie mit Flexibilität in Bezug auf Kosten und Skalierbarkeit. Die dezentrale Herstellung dieser Arduino-Eiskühler kann eine wichtige Option mit dem Potenzial sein, Leben zu retten.

Fertige Kühlerspezifikationen:

• Ladevolumen: maximal 6,6 Gallonen (25L), empfohlen 5 Gallonen (19L) mit Pufferflaschen.
• Maximale Abmessungen des Ladevolumens: = ~ 14 Zoll x 14 Zoll x 8 Zoll (35,6 cm x 35,6 x 20,3 cm)

Kühlkapazität: Hält 5 °C für 10-7 Tage in einer Umgebung von 20-30 °C bzw

Stromquelle: Trockeneis und geflutete 12-Volt-Marinezellenbatterie

Über alle Abmessungen: 61 cm x 61 cm x 66,6 cm hoch

Gesamtgewicht: 33,3 lb (15,1 kg) leer ohne Eis / 63 lb (28,6 kg) mit vollem Eis und Ladung

Temperaturregelung: PID-Regelung hält 5°C +-0,5°C

Materialien: geschlossenzelliger Schaumstoff in Bauqualität und Bauklebstoffe mit IR-reflektierender Isolierummantelung

Schritt 1: Einrichtung für das Projekt

Arbeitsplatz:

Dieses Projekt erfordert etwas Schneiden und Kleben der Styrolschaumisolierung. Dies kann etwas Staub produzieren, insbesondere wenn Sie sich dafür entscheiden, eine Säge anstelle eines Messers zu verwenden. Verwenden Sie unbedingt eine Staubmaske. Außerdem ist es sehr nützlich, einen Shop-Vac zur Hand zu haben, um den Staub unterwegs zu entfernen

Baukleber kann beim Trocknen reizende Dämpfe freisetzen. Stellen Sie sicher, dass die Klebe- und Verstemmungsschritte in einem gut belüfteten Bereich durchgeführt werden

Die Montage der Arduino-Zusatzkomponenten erfordert die Verwendung eines Lötkolbens. Verwenden Sie nach Möglichkeit bleifreies Lot und achten Sie darauf, in einem gut beleuchteten, gut belüfteten Raum zu arbeiten

Alle Werkzeuge:

• Kreissäge oder Vorritzmesser
• Akku-Bohrschrauber mit 1,75-Zoll-Lochsägeneinsatz
• Lötkolben & Lötzinn
• Feuerzeug oder Heißluftpistole
• 4 Fuß gerade Kante
• Sharpie-Marker
• Ratschengurte
• Maßband
• Abdichtschlauchspender
• Drahtschneider/Abisolierer
• Schraubendreher große und kleine Phillips & Regular

Alle Lieferungen:

Elektronikbedarf

• Schrumpfschlauch 1/8 und 1/4 Zoll
• Leiterplatten-Stiftleisten (Buchsen und Stifte)
• ABS-Kunststoff-Schaltkasten mit durchsichtiger Abdeckung, Größe 200 mm x 120 mm x 75 mm
• Wiederaufladbare versiegelte Blei-Säure-Batterie, 12V 20AH. KKW HR1280W oder ähnlich.
• Arduino Uno R3 Mikrocontroller-Board oder ähnlich
• Stapelbare Arduino-Prototypplatine: Alloet Mini-Steckbrett-Prototyp-Schild V.5 oder ähnlich.
• MOSFET-Treibermodul IRF520 oder ähnlich
• Digitaler Temperatursensor DFRobot DS18B20 im wasserdichten Kabelpaket
• Bürstenloser 12V PC-Lüfter: 40mm x 10mm 12V 0.12A
• Micro-SD-Kartenleser: Adafruit ADA254
• Echtzeituhr: DIYmore DS3231, basierend auf DS1307 RTC
• Batterie für Echtzeituhr: LIR2032-Knopfzelle)
• 4,7 kOhm Widerstand
• 26 Gauge verseilte Spulen (Rot, Schwarz, Gelb)
• Länge des 2-adrigen Kabels (3 ft oder 1 m) 12 Gauge Litze (Batterieanschlusskabel)
• Kfz-Flachsicherungshalter und 3-A-Flachsicherung (zur Verwendung mit Batterie)
• USB-Druckerkabel (Typ A-Stecker auf B-Stecker)
• Drahtmutter (12 Gauge)

Bänder & Klebstoffe Zubehör

• Klebeband mit hoher Haftung 2 Zoll breit x 50 Fuß Rolle (Gorilla Tape oder ähnlich)
• Silikonabdichtung, eine Tube
• Baukleber, 2 Tuben. (Flüssige Nägel oder ähnliches)
• Ofenband aus Aluminium, 2 Zoll breit x 50 Fuß Rolle.
• Selbstklebende Klettstreifen (1 Zoll breit x 12 Zoll insgesamt benötigt)

Baumaterialbedarf

• 2 x 4 Fuß x 8 Fuß x 2 Zoll dicke (1200 mm x 2400 mm x 150 mm) Schaumstoff-Isolierplatten
• 2 ft x 25 ft Rolle doppelter reflektierender Luftrollenofenisolierung, silberne Blase.
• 2 x kurze PVC-Rohre, 1 1/2 Zoll Innendurchmesser x Sch 40. auf 13 Zoll Länge geschnitten.

Spezialbedarf

• Impfstoff-Thermometer: "Thomas Traceable Kühlschrank/Gefrierschrank Plus Thermometer mit Impfstoffflaschensonde" und rückführbarem Kalibrierzertifikat oder ähnlichem.
• 2 x Blütenstielflaschen zum Puffern der wasserdichten Temperaturfühler DS18B20.

Schritt 2: Schneiden Sie die Schaumstoffteile aus

Drucken Sie das Schnittmuster aus, das eine Reihe von Rechtecken zeigt, die aus zwei 1200 mm x 2400 mm x 150 mm dicken Platten aus geschlossenzelligem Hartschaumstoff zu schneiden sind.

Verwenden Sie ein Lineal und einen Marker, um die Linien zum Schneiden der Schaumstoffplatten vorsichtig zu zeichnen. Der Schaumstoff kann durch Einritzen mit einem Cuttermesser geschnitten werden, aber am einfachsten ist es, eine Kreissäge zu verwenden, um die Arbeit zu erledigen. Beim Schneiden von Schaumstoff mit einer Säge entsteht jedoch Staub, der nicht eingeatmet werden sollte. Wichtige Vorsichtsmaßnahmen sollten beachtet werden:

• Tragen Sie eine Staubmaske.
• Verwenden Sie zum Sammeln von Staub einen an der Säge angebrachten Saugschlauch.
• Schneiden Sie nach Möglichkeit im Freien.

Schritt 3: Montieren Sie den Kühler aus Schaumstoffplatten

Die mitgelieferten Folien zeigen, wie der komplette Kühler aus Schaumstoffplatten und einer silbernen Luftpolsterfolie zusammengebaut wird. Es ist wichtig, den Konstruktionsklebstoff zwischen einigen verschiedenen Schritten trocknen zu lassen. Planen Sie daher etwa 3 Tage ein, um alle diese Schritte durchzuführen.

Schritt 4: Montieren Sie das Controller-System

Die folgenden Bilder zeigen, wie die Elektronikkomponenten auf einer Prototypenplatine montiert werden, um das Temperaturregelsystem für den Kühler zu erstellen. Das letzte enthaltene Bild ist ein vollständiges Systemschema als Referenz.

Schritt 5: Software-Setup und -Tests

Versuchen Sie zuerst diese Setup-Skizze

Die Setup-Skizze macht zwei Dinge. Erstens können Sie die Uhrzeit und das Datum in der Echtzeituhr (RTC) einstellen. Zweitens testet es alle Peripheriekomponenten des Kühlercontrollers und gibt Ihnen einen kleinen Bericht über den seriellen Monitor.

Laden Sie hier die aktuellste Setup-Skizze herunter: CoolerSetupSketch von GitHub

Öffnen Sie die Skizze in der Arduino-IDE. Scrollen Sie nach unten zu dem Codeblock mit dem Kommentar "Set the Time and Date Here". Geben Sie die aktuelle Uhrzeit und das Datum ein. Überprüfen Sie nun, ob die folgenden Peripheriegeräte eingerichtet und bereit sind, bevor Sie die Skizze hochladen (siehe mitgeliefertes elektrisches Schaltbild):

• Temperaturfühler in eine der 3-poligen Stiftleisten eingesteckt
• Micro-SD-Karte in das Lesemodul eingesteckt
• Knopfzellenbatterie in das Echtzeituhrmodul (RTC) eingesetzt
• An den PC-Lüfter angeschlossene Kabel anschließen
• Sicherung im Sicherungshalter des Batteriekabels.
• Arduino mit der Batterie verbunden (dabei ist sicher, dass es nicht rückwärts verdrahtet ist! + zu VIN, - zu GND!)

Wählen Sie in der Arduino IDE Arduino UNO aus der Liste der Boards aus und laden Sie es hoch. Sobald der Upload abgeschlossen ist, wählen Sie aus dem Dropdown-Menü oben Tools / Serial Monitor. Dies sollte einen kleinen Systembericht anzeigen. Idealerweise sollte es so lauten:

Kühler-Setup-Skizze - Version 190504START DES SYSTEMTESTS ---------------------- TESTEN DER ECHTZEITUHR: Zeit[20:38] Datum[1/6/2019] PRÜFTEMP. SENSOR: 22.25 C TESTEN SD-KARTE: init done Schreiben in dataLog.txt…dataLog.txt: Wenn Sie dies lesen können, dann funktioniert Ihre SD-Karte! LÜFTER TESTEN: Pulsiert der Lüfter ein und aus? ENDE DES SYSTEMTESTS ----------------------

Systemfehler beheben

Normalerweise läuft bei mir nie alles nach Plan. Irgendein System hat wahrscheinlich nicht richtig funktioniert. Die Setup-Skizze gibt hoffentlich einen Anhaltspunkt - die Uhr? Die SD-Karte? Die häufigsten Probleme bei jedem Mikrocontroller-Projekt haben normalerweise mit einem der folgenden Probleme zu tun:

• Sie haben vergessen, eine Sicherung in das Batteriekabel zu stecken, also kein Strom
• Sie haben vergessen, eine Micro-SD-Karte in das Lesegerät einzulegen, also hängt das System
• Sie haben vergessen, eine Batterie in die Echtzeituhr (RTC) einzulegen, damit das System hängt
• angeschlossene Sensoren sind lose, getrennt oder verkehrt herum angeschlossen
• Drähte für Komponenten bleiben getrennt oder sind mit den falschen Arduino-Pins verbunden
• das falsche Bauteil ist an den falschen Pins gesteckt oder ist verkehrt herum verdrahtet
• es ist ein Kabel falsch angeschlossen, das alles kurzschließt

Installieren Sie die Controller-Skizze

Nach einem erfolgreichen Test mit dem CoolerSetupSketch ist es an der Zeit, die vollständige Controller-Skizze zu installieren.

Laden Sie hier die aktuellste Controller-Skizze herunter: CoolerControllerSketch

Verbinden Sie das Arduino mit einem USB-Kabel mit Ihrem Computer und laden Sie die Skizze mit der Arduino IDE hoch. Jetzt können Sie das gesamte System physisch im Gehäuse des Kühlers installieren.

Schritt 6: Installieren Sie das Arduino-System

Die folgenden Schritte können als Checkliste oder Installation der gesamten Elektronik behandelt werden. Für die folgenden Schritte beziehen Sie sich auf die mitgelieferten Fotos des fertigen Projekts. Bilder helfen!

1. Schließen Sie ein Paar Lüfterdrähte an das Arduino UNO-Modul an.
2. Schließen Sie ein Paar 12-Volt-Stromkabel an das Arduino UNO-Modul an.
3. Befestigen Sie die DS18B20-Temperatursensoren am Arduino UNO-Modul. Stecken Sie den Sensor einfach in eine der 3-poligen Buchse(n), die wir in der Prototypenplatine installiert haben. Achten Sie auf die Kabelfarben, Rot geht auf Plus, Schwarz auf Minus und Gelb oder Weiß geht auf den 3. Datenpin.
4. Stecken Sie ein USB-Druckerkabel in den USB-Anschluss des Arduino.
5. Verwenden Sie die 1,75-Zoll-Lochsäge, um ein großes rundes Loch in den Boden der Elektronikbox zu bohren.
6. Befestigen Sie das Arduino UNO-Modul mit selbstklebenden Klettverschlussstreifen an der Unterseite der Elektronikbox.
7. Befestigen Sie das kalibrierte Impfstoffthermometer mit Klettverschlussstreifen an der Unterseite des durchsichtigen Deckels der Dose. Schließen Sie den kleinen flüssigkeitsgepufferten Flaschensondendraht an.

8. Führen Sie die folgenden Drähte aus der Box durch das runde Loch im Boden:

   • 12-Volt-Stromkabel (12-18 Gauge verseiltes Kupfer-2-Leiter-Lautsprecherkabel)
   • Arduino-Temperatursensor(en) (DS18B20 mit jeweils einem 3-poligen Stiftleistenstecker)
   • USB-Druckerkabel (Typ-A-Stecker auf Typ-B-Stecker)
   • Impfstoff-Thermometersonde (im Lieferumfang des kalibrierten Thermometers enthalten)
   • Lüfterdrähte (verdrilltes Paar verseilter 26-Gauge-Anschlussdrähte)
9. Öffnen Sie den Deckel des Kühlers und bohren Sie mit einem Messer oder einem Bohrer ein 2 cm großes Loch durch den Deckel in der Nähe einer der hinteren Ecken. (Siehe enthaltene Bilder) Durch die Mylar-Luftpolsterfolie stecken.
10. Führen Sie alles außer dem USB-Kabel von der Steuerbox nach unten durch den Deckel von oben. Setzen Sie die Box mit heraushängendem USB-Kabel auf den Deckel, damit Sie später darauf zugreifen können. Sichern Sie die Box mit stark haftendem Klebeband.
11. Schrauben Sie den durchsichtigen Deckel der Elektronikbox auf die Box.
12. Erstellen Sie eine Klappe mit zusätzlicher silberner Mylar-Luftpolsterfolie, um die Box abzudecken und vor direkter Sonneneinstrahlung zu schützen. (Siehe beiliegende Bilder.)
13. Legen Sie die 12-Volt-20-AH-Batterie in den Kühler in der Nähe der Rückseite des Fachs. Die Batterie verbleibt neben der Ladung in der Kammer. Es funktioniert auch bei 5°C gut und dient als Wärmepuffer, ähnlich wie eine Wasserflasche.
14. Befestigen Sie beide Temperatursonden (die Flaschensonde des Thermometers und die Arduino-Sonde) mit hochklebendem Klebeband an der Basis des Mittelrohrs.
15. Verwenden Sie im Kühler Aluminiumband, um den Lüfter so zu befestigen, dass er in das Eckrohr bläst. Verbinden Sie die Drähte mit den Drähten des Controllers. Der Ventilator bläst das Eckrohr herunter, und super gekühlt wird aus dem Mittelrohr in die Ladekammer strömen.

Schritt 7: Inbetriebnahme und Betrieb des Kühlers

1. Formatieren Sie die Micro-SD-Karte - die Temperatur wird auf diesem Chip protokolliert
2. Laden Sie die 12-Volt-Batterie auf
3. Kaufen Sie einen 25 lb (11,34 kg) großen Trockeneisblock, der auf die Maße 20 cm x 20 cm x 13 cm (8 Zoll x 8 Zoll x 5 Zoll) zugeschnitten ist.
4. Installieren Sie den Eisblock, indem Sie den Block zuerst flach auf ein Handtuch auf einen Tisch legen. Schieben Sie den silbernen Mylar-Liner über den Block, sodass nur die Unterseite freiliegt. Heben Sie nun den gesamten Block an, drehen Sie ihn um, sodass das blanke Eis nach oben zeigt, und schieben Sie den gesamten Block in die Trockeneiskammer unter dem kühleren Boden.
5. Ersetzen Sie den kühleren Boden. Verwenden Sie Aluminiumband, um die Außenkante des Bodens zu kleben.
6. Setzen Sie die 12-Volt-Batterie in das Gehäuse des Kühlers ein. Vielleicht möchten Sie es mit Streifen aus hohem Klebeband an der Kühlerwand befestigen.
7. Verbinden Sie das Stromkabel des Controllers mit der Batterie.
8. Überprüfen Sie, ob die Temperaturfühler fest mit Klebeband verbunden sind.
9. Laden Sie Wasserflaschen in den Laderaum, um fast den gesamten Platz zu füllen. Diese puffern die Temperatur.
10. Stellen Sie den Kühler an einen Ort ohne direkte Sonneneinstrahlung und warten Sie 3-5 Stunden, bis sich die Temperatur bei 5 ° C stabilisiert hat.
11. Sobald sich die Temperaturen stabilisiert haben, können temperaturempfindliche Gegenstände hinzugefügt werden, indem Wasserflaschen entfernt und dieses Volumen mit Fracht gefüllt werden.
12. Dieser Kühler mit einer frischen Ladung Eis und Leistung hält kontrollierte 5 ° C für bis zu 10 Tage ohne zusätzliche Leistung oder Eis. Die Leistung ist besser, wenn der Kühler vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt ist. Der Kühler kann bewegt werden und ist in den meisten Punkten stoßfest; es sollte jedoch aufrecht gehalten werden. Wenn es umgekippt ist, stellen Sie es einfach wieder auf, kein Schaden.
13. Die verbleibende elektrische Leistung in der Batterie kann direkt mit einem kleinen Voltmeter gemessen werden. Das System benötigt mindestens 9 Volt, um richtig zu funktionieren.
14. Das verbleibende Eis kann direkt mit einem Metallbandmaß gemessen werden, indem das mittlere Rohrloch bis zur Oberkante des PVC-Rohrs gemessen wird. Die Maße für das verbleibende Eisgewicht finden Sie in der beigefügten Tabelle.
15. Temperaturprotokollierungsdaten können heruntergeladen werden, indem das USB-Kabel an einen Laptop angeschlossen wird, auf dem die Arduino IDE ausgeführt wird. Verbinden und öffnen Sie den seriellen Monitor. Der Arduino startet automatisch neu und liest die vollständige Abmeldung über den seriellen Monitor. Der Kühler funktioniert ohne Unterbrechung weiter.
16. Die Daten können von der beiliegenden MicroSD-Karte heruntergeladen werden, allerdings muss das System vor dem Herausziehen des winzigen Chips ausgeschaltet werden!

Schritt 8: Notizen und Daten

Dieser Kühler wurde entwickelt, um eine anständige Balance zwischen Größe, Gewicht, Kapazität und Kühlzeit zu bieten. Die genauen Abmessungen, die in den Plänen beschrieben sind, können als Standardausgangspunkt angesehen werden. Sie können an Ihre Bedürfnisse angepasst werden. Benötigen Sie beispielsweise eine längere Kühlzeit, kann die Trockeneiskammer mit einem höheren Volumen für mehr Eis gebaut werden. Ebenso kann der Laderaum breiter oder höher gebaut werden. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, alle von Ihnen vorgenommenen Designänderungen experimentell nachzuweisen. Kleine Änderungen können einen großen Einfluss auf die Gesamtsystemleistung haben.

Die beigefügten Dokumente enthalten experimentelle Daten, die während der Entwicklung des Kühlers aufgezeichnet wurden. Ebenfalls enthalten ist eine umfassende Teileliste für den Kauf aller Verbrauchsmaterialien. Außerdem habe ich funktionierende Versionen der Arduino-Skizzen beigefügt, obwohl die obigen GitHub-Downloads höchstwahrscheinlich aktueller sein werden.

Schritt 9: Links zu Online-Ressourcen

Eine PDF-Version dieser Anleitung kann vollständig heruntergeladen werden, siehe beiliegende Datei für diesen Abschnitt.

Besuchen Sie das GitHub-Repository für dieses Projekt:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

Zweiter Preis beim Arduino Contest 2019