Vacina com temperatura controlada e refrigerador de insulina: 9 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Manter a calma salva vidas

No mundo em desenvolvimento, as vacinas são a linha de frente da defesa contra doenças perigosas como Ebola, Influenza, Cólera, Tuberculose e Dengue, para citar alguns. O transporte de vacinas e outros materiais que salvam vidas, como insulina e sangue, requerem um controle cuidadoso da temperatura.

A logística de primeiro mundo tende a quebrar quando os suprimentos são transportados para regiões com recursos limitados. Muitas clínicas médicas rurais não têm financiamento ou energia para sistemas de refrigeração comuns.

A insulina, o sangue humano e muitas vacinas comuns devem ser mantidos na faixa de temperatura de 2 a 8 ˚C. No campo, isso pode ser difícil de manter porque a refrigeração elétrica requer muita energia e os resfriadores de gelo passivos não têm controle do termostato.

Arduino para o resgate

Este projeto combina o poder de resfriamento compacto do gelo seco (dióxido de carbono sólido) com a precisão do controle digital de temperatura. Quando usado sozinho, o gelo seco é muito frio para transportar a vacina, a insulina ou o sangue, pois pode facilmente levar ao congelamento. O design do refrigerador deste projeto resolve o problema de congelamento, colocando o gelo seco em uma câmara separada abaixo do refrigerador de carga. Um ventilador de PC sem escova é usado para circular pequenas doses de ar super-resfriado pela seção de carga, conforme necessário. Este ventilador é controlado por um microcontrolador Arduino robusto, executando um loop de controle de temperatura de precisão (PID). Como o sistema Arduino funciona com muito pouca energia elétrica, esse sistema pode ser móvel como uma caixa de gelo, mas com temperatura regulada como uma geladeira.

Para quem é este projeto?

Tenho esperança de que, ao tornar este sistema gratuito e de código aberto, ele inspire engenheiros humanitários e trabalhadores humanitários a procurar maneiras de produzir tecnologias úteis perto do ponto de necessidade.

Este projeto foi projetado para ser construído por estudantes, engenheiros e trabalhadores humanitários em ou perto de áreas que enfrentam desafios humanitários. Os materiais, peças e suprimentos geralmente estão disponíveis na maioria das cidades do mundo, mesmo nos países mais pobres. Ao disponibilizar os planos gratuitamente através do Instructables, estamos disponibilizando tecnologia com flexibilidade em termos de custo e escalabilidade. A fabricação descentralizada desses refrigeradores de gelo arduino pode ser uma opção importante com potencial para salvar vidas.

Especificações do resfriador acabado:

• Volume de carga: máximo de 6,6 galões (25L), recomendado 5 galões (19L) com garrafas de tampão.
• Dimensões do volume máximo de carga: = ~ 14 pol. X 14 pol. X 8 pol. (35,6 cm x 35,6 x 20,3 cm)

Capacidade de resfriamento: Mantém 5 ° C por 10-7 dias em ambiente ambiente de 20-30 ° C, respectivamente

Fonte de alimentação: gelo seco e bateria de célula marinha de 12 volts inundada

Em todas as dimensões: 24 pol x 24 x 32 pol de altura (61 cm x 61 cm x 66,6 cm de altura)

Peso total: 33,3 lb (15,1 kg) vazio sem gelo / 63 lb (28,6 kg) com gelo cheio e carga

Regulação de temperatura: o controle PID mantém 5 ° C + -0,5 ° C

Materiais: espuma de célula fechada de grau de construção e adesivos de construção com revestimento de isolamento reflexivo IR

Etapa 1: configuração do projeto

Área de trabalho:

Este projeto requer algum corte e colagem de isolamento de espuma de estireno. Isso pode produzir um pouco de poeira, especialmente se você optar por usar uma serra em vez de uma faca. Certifique-se de usar uma máscara contra poeira. Além disso, é muito útil ter um aspirador à mão para limpar a poeira conforme você avança

O adesivo de construção pode liberar vapores irritantes durante a secagem. Certifique-se de concluir as etapas de colagem e calafetagem em uma área bem ventilada

A montagem dos componentes adicionais do arduino requer o uso de um ferro de solda. Use solda sem chumbo quando possível e certifique-se de trabalhar em um espaço bem iluminado e ventilado

Todas as ferramentas:

• Serra circular ou faca de corte
• Broca sem fio com broca copo de 1,75 polegadas
• Ferro de solda e solda
• Isqueiro ou pistola de calor
• Borda reta de 4 pés
• Marcador Sharpie
• Correias de catraca
• Fita métrica
• Dispensador de tubo de calafetagem
• Cortador de fio / decapantes
• Chaves de fenda grandes e pequenas phillips e regulares

Todos os suprimentos:

Suprimentos eletrônicos

• Tubulação retrátil de 1/8 e 1/4 de polegada
• Cabeçalhos de pinos da placa de circuito (soquetes fêmeas e pinos machos)
• Caixa elétrica de plástico ABS com tampa transparente, tamanho 7,9 "x4,7" x2,94 "(200 mm x 120 mm x 75 mm)
• Bateria de ácido de chumbo selada recarregável, 12V 20AH. NPP HR1280W ou semelhante.
• Placa de microcontrolador Arduino Uno R3 ou similar
• Placa de protótipo empilhável Arduino: Protótipo de protótipo de placa de ensaio mini Alloet V.5 ou similar.
• Módulo de driver MOSFET IRF520 ou similar
• Sensor de temperatura digital DFRobot DS18B20 em pacote de cabo à prova d'água
• Ventilador de resfriamento sem escova 12 V PC: 40 mm x 10 mm 12 V 0,12 A
• Leitor de cartão Micro SD: Adafruit ADA254
• Relógio em tempo real: DIYmore DS3231, baseado em DS1307 RTC
• Bateria para relógio em tempo real: célula tipo moeda LIR2032)
• Resistor de 4,7 K-ohm
• Carretéis de fio flexível de bitola 26 (vermelho, preto, amarelo)
• Comprimento do fio de 2 condutores (3 pés ou 1 m) trançado calibre 12 (fio de conexão da bateria)
• Porta-fusível da lâmina automotiva e fusível da lâmina de 3 A (para uso com bateria)
• Cabo de impressora USB (tipo a macho para b macho)
• Porca de fio (bitola 12)

Suprimentos para fitas e adesivos

• Fita utilitária de alta adesão, rolo de 2 polegadas de largura x 50 pés (Gorilla Tape ou similar)
• Calafetagem de silicone, um tubo
• Adesivo de construção, 2 tubos. (Unhas líquidas ou similar)
• Fita de alumínio para forno, rolo de 2 polegadas de largura x 50 pés.
• Tiras autoadesivas de velcro (necessário 1 polegada de largura x 12 polegadas no total)

Suprimentos de materiais de construção

• Folhas de isolamento de espuma de 2 x 4 pés x 8 pés x 2 polegadas de espessura (1200 mm x 2400 mm x 150 mm)
• Rolo de 2 pés x 25 pés de isolamento de forno de rolo de ar duplo reflexivo, bolha prateada.
• 2 x tubos de PVC curtos, diâmetro interno de 1 1/2 pol. X Sch 40. cortado em comprimentos de 13 pol.

Suprimentos Especiais

• Termômetro de vacina: 'Thomas Traceable Refrigerator / Freezer Plus Thermometer with Vaccine Bottle Probe' e certificado de calibração rastreável ou similar.
• 2 x frascos de haste de flor para tamponamento líquido das sondas de temperatura à prova d'água DS18B20.

Etapa 2: Corte as peças de espuma

Imprima o padrão de corte, que mostra vários retângulos para cortar de duas folhas de isolamento de espuma de célula fechada rígida de 4 pés x 8 pés x 2 pol. (1200 mm x 2.400 mm x 150 mm).

Use uma régua e um marcador para desenhar cuidadosamente as linhas para cortar as folhas de espuma. A espuma pode ser cortada com uma faca, mas é mais fácil usar uma serra circular para fazer o trabalho. Cortar a espuma com uma serra, entretanto, produz poeira que não deve ser inalada. Precauções importantes devem ser seguidas:

• Use uma máscara anti-pó.
• Use uma mangueira de vácuo acoplada à serra para coleta de poeira.
• Faça o corte do lado de fora, se possível.

Etapa 3: montar o resfriador com folhas de espuma

Os slides incluídos detalham como montar o cooler completo com folhas de espuma e isolamento de plástico-bolha prateado. É importante deixar o adesivo de construção secar entre algumas etapas diferentes, portanto, você deve planejar gastar 3 ou mais dias para concluir todas essas etapas.

Etapa 4: montar o sistema do controlador

As imagens a seguir mostram como montar os componentes eletrônicos na placa de protótipo para criar o sistema de controle de temperatura para o resfriador. A última imagem incluída é um esquema completo do sistema para sua referência.

Etapa 5: configuração e teste de software

Primeiro tente este esboço de configuração

O esboço de configuração faz duas coisas. Em primeiro lugar, permite definir a hora e a data no Real Time Clock (RTC). Segundo, ele testa todos os componentes periféricos do controlador do cooler e fornece um pequeno relatório através do monitor serial.

Baixe o esboço de configuração mais atual aqui: CoolerSetupSketch do GitHub

Abra o esboço no IDE do Arduino. Role para baixo até o bloco de código comentado como "Defina a hora e a data aqui". Preencha a hora e a data atuais. Agora, verifique se os seguintes periféricos estão configurados e prontos antes de carregar o esboço (consulte a imagem esquemática elétrica incluída):

• Sonda de temperatura conectada a um dos soquetes do conector de 3 pinos
• Cartão Micro SD inserido no módulo leitor
• Bateria de célula tipo moeda inserida no módulo de relógio em tempo real (RTC)
• Prenda os fios conectados ao ventilador do PC
• Fusível no porta-fusível do fio da bateria.
• Arduino conectado à bateria (CERTIFIQUE-SE de que não está conectado ao contrário! + Para VIN, - para GND!)

No IDE do Arduino, selecione Arduino UNO na lista de placas e faça o upload. Assim que o upload for concluído, no menu suspenso na parte superior, selecione Ferramentas / Monitor serial. Isso deve exibir um pequeno relatório do sistema. Idealmente, deve ser algo assim:

Esquema de configuração do refrigerador - versão 190504 INÍCIO DO TESTE DO SISTEMA ---------------------- TESTE DO RELÓGIO EM TEMPO REAL: hora [20:38] data [1/6/2019] TESTE DE TEMP. SENSOR: 22.25 C TESTANDO CARTÃO SD: init done Gravando em dataLog.txt… dataLog.txt: Se você pode ler isto, então seu cartão SD está funcionando! TESTANDO O VENTILADOR: O ventilador está ligando e desligando? FIM DO TESTE DO SISTEMA ----------------------

Solucione o problema do sistema

Normalmente, para mim, as coisas nunca saem como planejado. Algum sistema provavelmente não funcionou direito. Esperançosamente, o esboço da configuração fornecerá uma pista - o relógio? O cartão SD? Os problemas mais comuns com qualquer projeto de microcontrolador geralmente têm a ver com um destes:

• você se esqueceu de colocar um fusível no fio da bateria, então sem energia
• você esqueceu de colocar um cartão micro SD no leitor, então o sistema está travando
• você esqueceu de colocar uma bateria no relógio de tempo real (RTC) então o sistema está travando
• os sensores conectados estão soltos, desconectados ou conectados ao contrário
• fios para componentes são deixados desconectados ou conectados ao (s) pino (s) Arduino errado (s)
• o componente errado está conectado aos pinos errados ou está conectado ao contrário
• há um fio conectado incorretamente que está causando um curto-circuito

Instale o esboço do controlador

Depois de ter um teste bem-sucedido com o CoolerSetupSketch, é hora de instalar o esboço do controlador completo.

Baixe o esboço do controlador mais atual aqui: CoolerControllerSketch

Conecte o Arduino ao seu computador com um cabo USB e carregue o esboço com o IDE do Arduino. Agora você está pronto para instalar fisicamente todo o sistema no corpo do refrigerador.

Etapa 6: Instale o sistema Arduino

As etapas a seguir podem ser tratadas como uma lista de verificação ou instalação de todos os componentes eletrônicos. Para as etapas a seguir, consulte as fotos incluídas do projeto concluído. As imagens ajudam!

1. Conecte um par de fios de ventoinha ao módulo Arduino UNO.
2. Conecte um par de fios de alimentação de 12 volts ao módulo Arduino UNO.
3. Conecte os sensores de temperatura DS18B20 ao módulo Arduino UNO. Basta conectar o sensor em um dos soquetes de 3 pinos que instalamos na placa de protótipo. Preste atenção às cores dos fios, o vermelho vai para o positivo, o preto para o negativo e o amarelo ou branco vai para o terceiro pino de dados.
4. Conecte um cabo de impressora USB no conector USB do Arduino.
5. Use a serra copo de 1,75 "para fazer um grande orifício redondo na parte inferior da caixa de eletrônicos.
6. Anexe o módulo Arduino UNO à parte inferior da caixa de eletrônicos usando fitas autoadesivas de velcro.
7. Prenda o termômetro de vacina calibrado na parte inferior da tampa transparente da caixa com tiras de velcro. Conecte seu pequeno fio de sonda de garrafa com tampão líquido.

8. Passe os seguintes fios para fora da caixa através do orifício redondo na parte inferior:

   • Fios de alimentação de 12 volts (fio de alto-falante trançado de cobre com 2 condutores de calibre 12-18)
   • Sensor (es) de temperatura do Arduino (DS18B20 com conector macho de 3 pinos em cada)
   • Cabo de impressora USB (Tipo A Macho para Tipo B Macho)
   • Sonda de termômetro de vacinas (incluída com termômetro calibrado)
   • Fios do ventilador (par trançado de fio de conexão trançado calibre 26)
9. Abra a tampa do refrigerador e use uma faca ou furadeira para fazer um orifício de 2 cm na tampa próximo a um dos cantos traseiros. (Veja as fotos incluídas) Pique através da cobertura de plástico bolha de mylar.
10. Passe tudo menos o fio USB da caixa de controle para baixo através da tampa de cima. Coloque a caixa na tampa com o cabo USB pendurado para que possa ser acessado posteriormente. Fixe a caixa com fita adesiva de alta aderência.
11. Aparafuse a tampa transparente da caixa de eletrônicos na caixa.
12. Crie uma aba de isolamento de plástico bolha de mylar prateado adicional para cobrir a caixa e protegê-la da luz solar direta. (Veja as fotos incluídas.)
13. Dentro do refrigerador, coloque a bateria de 20AH de 12 volts perto da parte de trás do compartimento. A bateria permanecerá dentro da câmara ao lado da carga. Funcionará bem mesmo a 5˚C e servirá como um amortecedor térmico, semelhante a uma garrafa de água.
14. Prenda ambas as sondas de temperatura (a sonda de garrafa do termômetro e a sonda do Arduino) à base do tubo central usando fita adesiva.
15. Dentro do cooler, use fita de alumínio para prender o ventilador de forma que ele sopre para dentro do tubo de canto. Conecte seus fios aos fios do controlador. O ventilador sopra para baixo no tubo de canto e o super-resfriado jorra para a câmara de carga do tubo central.

Etapa 7: inicialização e operação do refrigerador

1. Formate o cartão Micro SD - a temperatura será registrada neste chip
2. Recarregue a bateria de 12 volts
3. Compre um bloco de 25 lb (11,34 kg) de gelo seco, cortado nas dimensões de 8 pol. X 8 pol. X 5 pol. (20 cm x 20 cm x 13 cm).
4. Instale o bloco de gelo colocando primeiro o bloco plano em uma toalha sobre uma mesa. Deslize o revestimento Mylar prateado sobre o bloco de forma que apenas a superfície inferior fique exposta. Agora levante o bloco inteiro, vire de modo que o gelo nu fique voltado para cima e deslize o bloco inteiro para a câmara de gelo seco abaixo do piso mais frio.
5. Substitua o piso mais frio. Use fita de alumínio para prender a borda externa do piso.
6. Coloque a bateria de 12 volts no corpo do refrigerador. Você pode querer prendê-lo na parede mais fria com tiras de fita adesiva alta.
7. Conecte o fio de alimentação do controlador à bateria.
8. Verifique se as sondas de temperatura estão bem fixadas.
9. Coloque garrafas de água no compartimento de carga para preencher quase todo o espaço. Eles irão amortecer a temperatura.
10. Defina o refrigerador em algum lugar fora da luz solar direta e aguarde de 3 a 5 horas para que a temperatura se estabilize em 5 ° C.
11. Assim que as temperaturas se estabilizarem, itens sensíveis à temperatura podem ser adicionados removendo garrafas de água e enchendo esse volume com carga.
12. Este refrigerador com uma nova carga de gelo e energia manterá um 5C controlado por até 10 dias sem qualquer energia ou gelo adicional. O desempenho é melhor se o refrigerador for mantido fora da luz solar direta. O refrigerador pode ser movido e é resistente a choques na maioria dos aspectos; deve, no entanto, ser mantido na posição vertical. Se tombar, simplesmente coloque-o de pé, sem danos.
13. A energia elétrica restante na bateria pode ser medida diretamente com um pequeno voltímetro. O sistema requer um mínimo de 9 volts para funcionar corretamente.
14. O gelo restante pode ser medido diretamente com uma fita métrica de metal medindo-se desde o orifício central do tubo até a borda superior do tubo de PVC. Consulte a tabela em anexo para obter as medidas do peso de gelo restante.
15. Os dados de registro de temperatura podem ser baixados conectando o cabo USB a um laptop executando o IDE Arduino. Conecte-se e abra o Monitor Serial. O Arduino irá reiniciar automaticamente e ler o logout completo por meio do monitor serial. O refrigerador continuará a funcionar sem interrupção.
16. Os dados podem ser baixados do cartão MicroSD incluso, mas o sistema deve ser desligado antes de retirar o minúsculo chip!

Etapa 8: notas e dados

Este cooler foi projetado para ter um equilíbrio decente de tamanho, peso, capacidade e tempo de resfriamento. As dimensões exatas descritas nos planos podem ser consideradas um ponto de partida padrão. Eles podem ser modificados para melhor atender às suas necessidades. Se, por exemplo, você precisar de um tempo de resfriamento mais longo, a câmara de gelo seco pode ser construída com um volume maior para mais gelo. Da mesma forma, a câmara de carga pode ser construída mais larga ou mais alta. No entanto, deve-se tomar cuidado para provar experimentalmente todas as alterações de design que você fizer. Pequenas mudanças podem ter um grande impacto no desempenho geral do sistema.

Os documentos anexos incluem dados experimentais registrados durante o desenvolvimento do refrigerador. Também está incluída uma lista abrangente de peças para a compra de todos os suprimentos. Além disso, anexei versões funcionais dos esboços do Arduino, embora os downloads do GitHub acima provavelmente sejam mais atuais.

Etapa 9: Links para recursos online

Uma versão em PDF deste livro de instruções pode ser baixada na íntegra, consulte o arquivo incluído para esta seção.

Visite o repositório GitHub para este projeto:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

Segundo prêmio no Arduino Contest 2019