Enfriador de insulina y vacunas con temperatura controlada: 9 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Mantenerse fresco salva vidas

En el mundo en desarrollo, las vacunas son la primera línea de defensa contra enfermedades peligrosas como el ébola, la influenza, el cólera, la tuberculosis y el dengue, por nombrar algunas. El transporte de vacunas y otros materiales que salvan vidas, como la insulina y la sangre, requiere un control cuidadoso de la temperatura.

La logística del primer mundo tiende a fallar cuando los suministros se transportan a regiones con recursos limitados. Muchas clínicas médicas rurales carecen de los fondos o la energía para los sistemas de refrigeración ordinarios.

La insulina, la sangre humana y muchas vacunas comunes deben mantenerse en un rango de temperatura de 2-8 ˚C. En el campo, esto puede ser difícil de mantener porque la refrigeración eléctrica requiere demasiada energía y los enfriadores de hielo pasivos carecen de control por termostato.

Arduino al rescate

Este proyecto combina el poder de enfriamiento compacto del hielo seco (dióxido de carbono sólido) con la precisión del control de temperatura digital. Cuando se usa solo, el hielo seco está demasiado frío para transportar la vacuna, la insulina o la sangre, ya que puede congelar fácilmente. El diseño del enfriador de este proyecto resuelve el problema de la congelación al colocar el hielo seco en una cámara separada debajo del enfriador de carga. Se utiliza un ventilador de PC sin escobillas para hacer circular pequeñas dosis de aire súper frío a través de la sección de carga según sea necesario. Este ventilador está controlado por un robusto microcontrolador Arduino, que ejecuta un circuito de control de temperatura de precisión (PID). Debido a que el sistema Arduino funciona con muy poca energía eléctrica, este sistema puede ser móvil como una hielera, pero con temperatura regulada como un refrigerador enchufable.

¿Para quién es este proyecto?

Tengo la esperanza de que, al hacer que este sistema sea gratuito y de código abierto, inspire a los ingenieros humanitarios y a los trabajadores humanitarios a buscar formas de producir tecnologías útiles cerca del punto de necesidad.

Este proyecto está diseñado para ser construido por estudiantes, ingenieros y trabajadores humanitarios en o cerca de áreas que enfrentan desafíos humanitarios. Los materiales, piezas y suministros generalmente están disponibles en la mayoría de las ciudades del mundo, incluso en los países más pobres. Al hacer que los planes estén disponibles de forma gratuita a través de Instructables, estamos brindando tecnología con flexibilidad en términos de costo y escalabilidad. La fabricación descentralizada de estos enfriadores de hielo arduino puede ser una opción importante con el potencial de salvar vidas.

Especificaciones del enfriador terminado:

• Volumen de carga: máximo 6.6 galones (25L), recomendado 5 galones (19L) con botellas de almacenamiento.
• Dimensiones máximas del volumen de carga: = ~ 14 pulgadas x 14 pulgadas x 8 pulgadas (35,6 cm x 35,6 x 20,3 cm)

Capacidad de enfriamiento: Mantiene 5 ° C durante 10-7 días en un ambiente ambiental de 20-30 ° C respectivamente

Fuente de energía: hielo seco y batería de celda marina inundada de 12 voltios

En todas las dimensiones: 24 pulgadas x 24 pulgadas x 32 pulgadas de alto (61 cm x 61 cm x 66,6 cm de alto)

Peso total: 33,3 lb (15,1 kg) vacío sin hielo / 63 lb (28,6 kg) con hielo y carga llenos

Regulación de temperatura: el control PID mantiene 5 ° C + -0.5 ° C

Materiales: espuma de celda cerrada de grado de construcción y adhesivos de construcción con revestimiento de aislamiento reflectante de infrarrojos

Paso 1: configuración del proyecto

Espacio de trabajo:

Este proyecto requiere cortar y pegar un poco de aislamiento de espuma de estireno. Esto puede producir algo de polvo, especialmente si opta por utilizar una sierra en lugar de un cuchillo. Asegúrese de utilizar una mascarilla antipolvo. Además, es muy útil tener una aspiradora de taller a mano para limpiar el polvo sobre la marcha

El adhesivo de construcción puede liberar vapores irritantes al secarse. Asegúrese de completar los pasos de pegado y calafateo en un área bien ventilada

El ensamblaje de los componentes adicionales de arduino requiere el uso de un soldador. Utilice soldadura sin plomo cuando sea posible y asegúrese de trabajar en un espacio bien iluminado y ventilado

Todas las herramientas:

• Sierra circular o cuchillo de incisión
• Taladro inalámbrico con broca de sierra perforadora de 1,75 pulgadas
• Soldador y soldadura
• Encendedor o pistola de calor
• Borde recto de 4 pies
• Marcador Sharpie
• Correas de trinquete
• Cinta métrica
• Dispensador de tubos de calafateo
• Cortador de alambre / pelacables
• Destornilladores Phillips grandes y pequeños y regulares

Todos los suministros:

Suministros electrónicos

• Tubo retráctil de 1/8 y 1/4 de pulgada
• Encabezados de clavijas de la placa de circuito (enchufes hembra y clavijas macho)
• Caja eléctrica de plástico ABS con tapa transparente, tamaño 7,9 "x4,7" x2,94 "(200 mm x 120 mm x 75 mm)
• Batería de plomo ácido sellada recargable, 12V 20AH. NPP HR1280W o similar.
• Placa de microcontrolador Arduino Uno R3 o similar
• Placa prototipo apilable Arduino: Mini placa prototipo de placa de pruebas Alloet V.5 o similar.
• Módulo controlador MOSFET IRF520 o similar
• Sensor de temperatura digital DFRobot DS18B20 en paquete de cable impermeable
• Ventilador de enfriamiento de PC de 12V sin escobillas: 40 mm x 10 mm 12V 0.12A
• Lector de tarjetas micro SD: Adafruit ADA254
• Reloj en tiempo real: DIYmore DS3231, basado en DS1307 RTC
• Batería para reloj en tiempo real: celda de moneda LIR2032)
• Resistencia de 4,7 K-ohmios
• Carretes de alambre trenzado de calibre 26 (rojo, negro, amarillo)
• Longitud del cable de 2 conductores (3 pies o 1 m) trenzado de calibre 12 (cable de conexión de la batería)
• Portafusibles de cuchilla para automóvil y fusible de cuchilla de 3 amperios (para usar con batería)
• Cable de impresora USB (tipo a macho ab macho)
• Tuerca para cable (calibre 12)

Suministros de cintas y adhesivos

• Cinta utilitaria de alta adherencia de 2 pulgadas de ancho x 50 pies en rollo (Gorilla Tape o similar)
• Masilla de silicona, un tubo
• Adhesivo de construcción, 2 tubos. (Liquid Nails o similar)
• Cinta de aluminio para horno, rollo de 2 pulgadas de ancho x 50 pies.
• Tiras autoadhesivas de velcro (se necesitan 1 pulgada de ancho x 12 pulgadas en total)

Suministros de materiales de construcción

• 2 x 4 pies x 8 pies x 2 pulgadas de espesor (1200 mm x 2400 mm x 150 mm) láminas de aislamiento de espuma
• Rollo de 2 pies x 25 pies de aislamiento de horno de rollo de aire reflectante doble, burbuja plateada.
• 2 x tubos cortos de PVC, 1 1/2 pulgada de diámetro interior x Sch 40. cortados a longitudes de 13 pulgadas.

Suministros especiales

• Termómetro de vacunas: 'Thomas Traceable Refrigerator / Freezer Plus Thermometer with Vaccine Bottle Probe' y certificado de calibración trazable o similar.
• 2 x Botellas con tallo de flor para almacenar líquido en las sondas de temperatura impermeables DS18B20.

Paso 2: corte las piezas de espuma

Imprima el patrón de corte, que muestra varios rectángulos para cortar de dos hojas de 1200 mm x 2400 mm x 150 mm (4 pies x 8 pies x 2 pulgadas) de aislamiento de espuma rígida de celda cerrada.

Utilice una regla y un marcador para dibujar con cuidado las líneas para cortar las láminas de espuma. La espuma se puede cortar marcándola con un cuchillo, pero es más fácil usar una sierra circular para hacer el trabajo. Sin embargo, cortar espuma con una sierra produce polvo que no debe inhalarse. Deben seguirse precauciones importantes:

• Use una mascarilla antipolvo.
• Utilice una manguera de aspiración conectada a la sierra para recoger el polvo.
• Haga el corte al aire libre si es posible.

Paso 3: ensamble el enfriador con láminas de espuma

Las diapositivas incluidas detallan cómo ensamblar el enfriador completo a partir de láminas de espuma y aislamiento de plástico de burbujas plateado. Es importante dejar que el adhesivo de construcción se seque entre unos pocos pasos diferentes, por lo que debe planificar pasar unos 3 días para completar todos estos pasos.

Paso 4: Ensamble el sistema del controlador

Las siguientes imágenes muestran cómo ensamblar los componentes electrónicos en una placa prototipo para crear el sistema de control de temperatura para el enfriador. La última imagen incluida es un esquema completo del sistema para su referencia.

Paso 5: configuración y prueba del software

Primero prueba este esquema de configuración

El boceto de configuración hace dos cosas. Primero, le permite configurar la hora y la fecha en el reloj de tiempo real (RTC). En segundo lugar, prueba todos los componentes periféricos del controlador del enfriador y le brinda un pequeño informe a través del monitor en serie.

Descargue el boceto de configuración más actual aquí: CoolerSetupSketch de GitHub

Abra el boceto en el IDE de Arduino. Desplácese hacia abajo hasta el bloque de código comentado como "Establecer aquí la fecha y la hora". Complete la fecha y la hora actuales. Ahora, verifique que los siguientes periféricos estén configurados y listos antes de cargar el boceto (vea la imagen esquemática eléctrica incluida):

• Sonda de temperatura enchufada en uno de los enchufes del cabezal de 3 clavijas
• Tarjeta micro SD insertada en el módulo lector
• Batería de celda de moneda insertada en el módulo de reloj en tiempo real (RTC)
• Conecte los cables conectados al ventilador de la PC
• Fusible en el portafusibles del cable de la batería.
• Arduino conectado a la batería (¡asegurándose de que no está cableado al revés! + A VIN, - ¡a GND!)

En el IDE de Arduino, seleccione Arduino UNO de la lista de placas y cárguelo. Una vez que se realiza la carga, en el menú desplegable en la parte superior, seleccione Herramientas / Monitor de serie. Esto debería mostrar un pequeño informe del sistema. Idealmente, debería leer algo como esto:

Cooler Setup Sketch - versión 190504 INICIO DE LA PRUEBA DEL SISTEMA ---------------------- PRUEBA DEL RELOJ EN TIEMPO REAL: hora [20:38] fecha [1/6/2019] PRUEBA TEMP. SENSOR: 22.25 C PROBANDO TARJETA SD: init hecho Escritura en dataLog.txt… dataLog.txt: Si puede leer esto, ¡su tarjeta SD está funcionando! PRUEBA DEL VENTILADOR: ¿El ventilador se enciende y apaga? FIN DE PRUEBA DEL SISTEMA ----------------------

Solución de problemas del sistema

Por lo general, para mí, las cosas nunca salen según lo planeado. Probablemente algún sistema no funcionó bien. Es de esperar que el boceto de configuración proporcione una pista: ¿el reloj? ¿La tarjeta SD? Los problemas más comunes con cualquier proyecto de microcontroladores suelen tener que ver con alguno de estos:

• olvidó poner un fusible en el cable de la batería, por lo que no hay energía
• olvidó poner una tarjeta micro SD en el lector, por lo que el sistema está colgando
• olvidó poner una batería en el reloj de tiempo real (RTC) para que el sistema se cuelgue
• los sensores conectados están sueltos, desconectados o conectados al revés
• los cables de los componentes se dejan desconectados o conectados a los pines de Arduino incorrectos
• el componente incorrecto está conectado a los pines incorrectos o está cableado al revés
• hay un cable mal conectado que está cortocircuitando todo

Instale el boceto del controlador

Una vez que haya tenido una prueba exitosa con CoolerSetupSketch, es hora de instalar el boceto completo del controlador.

Descargue el boceto del controlador más actual aquí: CoolerControllerSketch

Conecte el Arduino a su computadora con un cable USB y cargue el boceto con el IDE de Arduino. Ahora está listo para instalar físicamente todo el sistema en el cuerpo del enfriador.

Paso 6: instala el sistema Arduino

Los siguientes pasos pueden tratarse como una lista de verificación o como instalar todos los componentes electrónicos. Para los siguientes pasos, consulte las fotos incluidas del proyecto terminado. ¡Las imágenes ayudan!

1. Conecte un par de cables de ventilador al módulo Arduino UNO.
2. Conecte un par de cables de alimentación de 12 voltios al módulo Arduino UNO.
3. Conecte los sensores de temperatura DS18B20 al módulo Arduino UNO. Simplemente conecte el sensor en uno de los zócalos de 3 pines que instalamos en la placa prototipo. Preste atención a los colores de los cables, el rojo va al positivo, el negro al negativo y el amarillo o el blanco al tercer pin de datos.
4. Enchufe un cable de impresora USB en el conector USB de Arduino.
5. Utilice la sierra de corona de 1,75 "para perforar un agujero redondo grande en la parte inferior de la caja de la electrónica.
6. Conecte el módulo Arduino UNO a la parte inferior de la caja de la electrónica con tiras de cierre autoadhesivas de velcro.
7. Coloque el termómetro de vacunas calibrado en la parte inferior de la tapa transparente de la caja con tiras de cierre de velcro. Conecte su pequeño cable de sonda de botella con tampón líquido.

8. Pase los siguientes cables fuera de la caja a través del orificio redondo en la parte inferior:

   • Cables de alimentación de 12 voltios (cable trenzado de cobre de 2 conductores de altavoz de calibre 12-18)
   • Sensor (es) de temperatura Arduino (DS18B20 con conector de cabezal macho de 3 pines en cada uno)
   • Cable de impresora USB (tipo A macho a tipo B macho)
   • Sonda de termómetro de vacuna (incluida con termómetro calibrado)
   • Cables de ventilador (par trenzado de cable de conexión trenzado calibre 26)
9. Abra la tapa de la hielera y use un cuchillo o un taladro para hacer un agujero de 3/4 de pulgada (2 cm) a través de la tapa cerca de una de las esquinas traseras. (Ver imágenes incluidas) Empuje hacia arriba a través de la cubierta de plástico de burbujas de mylar.
10. Pase todo menos el cable USB desde la caja de control hacia abajo a través de la tapa desde la parte superior. Coloque la caja sobre la tapa con el cable USB colgando para poder acceder a él más tarde. Asegure la caja con cinta adhesiva de alta adherencia.
11. Atornille la tapa transparente de la caja de la electrónica en la caja.
12. Cree una solapa de aislamiento de plástico de burbujas de mylar plateado adicional para cubrir la caja y protegerla de la luz solar directa. (Vea las imágenes incluidas).
13. Dentro del enfriador, coloque la batería de 12 voltios 20AH cerca de la parte posterior del compartimiento. La batería permanecerá dentro de la cámara junto a la carga. Funcionará bien incluso a 5˚C y servirá como amortiguador térmico, similar a una botella de agua.
14. Conecte ambas sondas de temperatura (la sonda de la botella del termómetro y la sonda Arduino) a la base del tubo central con cinta adhesiva alta.
15. Dentro del enfriador, use cinta de aluminio para sujetar el ventilador de manera que sople hacia el tubo de la esquina. Conecte sus cables a los cables del controlador. El ventilador sopla por el tubo de la esquina y el tubo central sube a la cámara de carga desde el tubo central.

Paso 7: puesta en marcha y funcionamiento del enfriador

1. Formatee la tarjeta Micro SD: la temperatura se registrará en este chip
2. Recargue la batería de 12 voltios
3. Compre un bloque de hielo seco de 25 libras (11,34 kg), cortado en dimensiones de 8 x 8 x 5 pulgadas (20 cm x 20 cm x 13 cm).
4. Instale el bloque de hielo colocando primero el bloque sobre una toalla sobre una mesa. Deslice el revestimiento de Mylar plateado sobre el bloque de modo que solo quede expuesta la superficie inferior. Ahora levante todo el bloque, déle la vuelta para que el hielo desnudo mire hacia arriba y deslice todo el bloque en la cámara de hielo seco debajo del piso más frío.
5. Reemplace el piso más frío. Use cinta de aluminio para pegar alrededor del borde exterior del piso.
6. Coloque la batería de 12 voltios en el cuerpo del enfriador. Es posible que desee fijarlo a la pared más fría con tiras de cinta adhesiva alta.
7. Conecte el cable de alimentación del controlador a la batería.
8. Verifique que las sondas de temperatura estén bien pegadas.
9. Cargue botellas de agua en el compartimento de carga para llenar casi todo el espacio. Estos amortiguarán la temperatura.
10. Coloque la hielera en algún lugar alejado de la luz solar directa y espere de 3 a 5 horas para que la temperatura se estabilice a 5 ° C.
11. Una vez que las temperaturas se han estabilizado, se pueden agregar artículos sensibles a la temperatura quitando las botellas de agua y llenando ese volumen con carga.
12. Este enfriador con una nueva carga de hielo y energía mantendrá una temperatura controlada de 5C por hasta 10 días sin energía o hielo adicional. El rendimiento es mejor si el enfriador se mantiene alejado de la luz solar directa. El enfriador se puede mover y es resistente a los golpes en la mayoría de los aspectos; sin embargo, debe mantenerse en posición vertical. Si se vuelca, simplemente levántelo, no le hará daño.
13. La energía eléctrica restante en la batería se puede medir directamente con un voltímetro pequeño. El sistema requiere un mínimo de 9 voltios para funcionar correctamente.
14. El hielo restante se puede medir directamente con una cinta métrica de metal midiendo desde el orificio de la tubería central hasta el borde superior de la tubería de PVC. Consulte la tabla adjunta para conocer las medidas del peso restante del hielo.
15. Los datos de registro de temperatura se pueden descargar conectando el cable USB a una computadora portátil que ejecute Arduino IDE. Conéctese y abra Serial Monitor. El Arduino se reiniciará automáticamente y leerá el cierre de sesión completo a través del monitor en serie. El enfriador seguirá funcionando sin interrupciones.
16. Los datos se pueden descargar desde la tarjeta MicroSD adjunta, ¡pero el sistema debe estar apagado antes de sacar el pequeño chip!

Paso 8: Notas y datos

Este enfriador fue diseñado para tener un equilibrio decente de tamaño, peso, capacidad y tiempo de enfriamiento. Las dimensiones exactas descritas en los planos pueden considerarse un punto de partida predeterminado. Pueden modificarse para adaptarse mejor a sus necesidades. Si, por ejemplo, necesita un tiempo de enfriamiento más largo, la cámara de hielo seco se puede construir con un volumen más alto para obtener más hielo. Asimismo, la cámara de carga se puede construir más ancha o más alta. Sin embargo, se debe tener cuidado de probar experimentalmente cualquier cambio de diseño que realice. Los pequeños cambios pueden tener un gran impacto en el rendimiento general del sistema.

Los documentos adjuntos incluyen datos experimentales registrados durante el desarrollo del enfriador. También se incluye una lista completa de piezas para comprar todos los suministros. Además, he adjuntado versiones de trabajo de los bocetos de Arduino, aunque lo más probable es que las descargas de GitHub anteriores estén más actualizadas.

Paso 9: enlaces a recursos en línea

Se puede descargar una versión en PDF de este manual de instrucciones completo; consulte el archivo incluido para esta sección.

Visite el repositorio de GitHub para este proyecto:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

Segundo premio en el concurso Arduino 2019