جهاز تبريد لقاح الأنسولين يتم التحكم في درجة حرارته: 9 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

الحفاظ على الهدوء ينقذ الأرواح

في العالم النامي ، تعتبر اللقاحات خط الدفاع الأول ضد الأمراض الخطيرة مثل الإيبولا والإنفلونزا والكوليرا والسل وحمى الضنك على سبيل المثال لا الحصر. يتطلب نقل اللقاحات والمواد الأخرى المنقذة للحياة مثل الأنسولين والدم تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة.

تميل لوجستيات العالم الأول إلى الانهيار عندما يتم نقل الإمدادات إلى مناطق ذات موارد محدودة. تفتقر العديد من العيادات الطبية الريفية إلى التمويل أو الطاقة اللازمة لأنظمة التبريد العادية.

يجب حفظ الأنسولين ودم الإنسان والعديد من اللقاحات الشائعة في نطاق درجة حرارة 2-8 درجة مئوية. في هذا المجال ، قد يكون من الصعب الحفاظ على هذا لأن التبريد الكهربائي يتطلب الكثير من الطاقة ، ومبردات الجليد السلبية تفتقر إلى التحكم في منظم الحرارة.

اردوينو للإنقاذ

يجمع هذا المشروع بين قوة التبريد المدمجة للجليد الجاف (ثاني أكسيد الكربون الصلب) ودقة التحكم الرقمي في درجة الحرارة. عند استخدامه بمفرده ، يكون الثلج الجاف باردًا جدًا بحيث لا يمكن نقل اللقاح أو الأنسولين أو الدم لأنه يمكن أن يؤدي بسهولة إلى التجمد. يحل تصميم المبرد الخاص بهذا المشروع مشكلة التجميد عن طريق وضع الثلج الجاف في غرفة منفصلة أسفل مبرد البضائع. تُستخدم مروحة PC بدون فرش لتوزيع جرعات صغيرة من الهواء شديد البرودة عبر قسم الشحن حسب الحاجة. يتم التحكم في هذه المروحة بواسطة متحكم دقيق قوي من Arduino ، يقوم بتشغيل حلقة تحكم في درجة الحرارة (PID) دقيقة. نظرًا لأن نظام Arduino يعمل بطاقة كهربائية قليلة جدًا ، يمكن أن يكون هذا النظام متحركًا مثل صندوق الثلج ، ولكن يتم تنظيم درجة حرارته مثل الثلاجة المدمجة.

لمن هذا المشروع؟

آمل ، من خلال جعل هذا النظام مجانيًا ومفتوحًا ، أن يلهم المهندسين الإنسانيين والعاملين في مجال الإغاثة للبحث عن طرق لإنتاج تقنيات مفيدة بالقرب من نقطة الحاجة.

تم تصميم هذا المشروع ليتم بناؤه من قبل الطلاب والمهندسين وعمال الإغاثة في أو بالقرب من المناطق التي تواجه تحديات إنسانية. تتوفر المواد والأجزاء والإمدادات بشكل عام في معظم مدن العالم حتى في أفقر البلدان. من خلال إتاحة الخطط مجانًا من خلال Instructables ، فإننا نقدم التكنولوجيا بمرونة من حيث التكلفة وقابلية التوسع. قد يكون التصنيع اللامركزي لمبردات اردوينو الجليدية خيارًا مهمًا مع إمكانية إنقاذ الأرواح.

مواصفات المبرد النهائي:

• حجم الحمولة: بحد أقصى 6.6 جالون (25 لترًا) ، موصى به 5 جالونات (19 لترًا) مع زجاجات عازلة.
• أبعاد حجم البضائع القصوى: = ~ 14 بوصة × 14 بوصة × 8 بوصة (35.6 سم × 35.6 × 20.3 سم)

قدرة التبريد: يحافظ على 5 درجات مئوية لمدة 10-7 أيام في بيئة محيطة تتراوح بين 20 و 30 درجة مئوية على التوالي

مصدر الطاقة: جليد جاف وبطارية خلوية بحرية 12 فولت مغمورة

على جميع الأبعاد: 24 بوصة × 24 بوصة × 32 بوصة (ارتفاع 61 سم × 61 سم × 66.6 سم)

الوزن الكلي: 33.3 رطلاً (15.1 كجم) فارغًا بدون ثلج / 63 رطلاً (28.6 كجم) مع ثلج ممتلئ وحمولة

تنظيم درجة الحرارة: تحكم PID يثبت 5 ° C + -0.5 ° C

المواد: رغوة الخلايا المغلقة من فئة البناء ومواد البناء اللاصقة مع غلاف عازل للأشعة تحت الحمراء

الخطوة 1: الإعداد للمشروع

مساحة العمل:

يتطلب هذا المشروع بعض القطع واللصق لعزل رغوة الستايرين. يمكن أن ينتج عن ذلك بعض الغبار ، خاصة إذا اخترت استخدام المنشار بدلاً من السكين. تأكد من استخدام قناع الغبار. أيضًا ، من المفيد جدًا أن يكون لديك متجر لتنظيف الغبار أثناء التنقل

يمكن أن يطلق لاصق البناء أبخرة مزعجة عند التجفيف. تأكد من إكمال خطوات اللصق والسد في منطقة جيدة التهوية

يتطلب تجميع المكونات الإضافية لاردوينو استخدام مكواة لحام. استخدم اللحام الخالي من الرصاص عندما يكون ذلك ممكنًا ، وتأكد من العمل في مكان جيد الإضاءة وجيد التهوية

كل الأدوات:

• منشار دائري أو سكين التهديف
• مثقاب لاسلكي بفتحة 1.75 بوصة
• لحام الحديد ولحام
• ولاعة أو مسدس حراري
• 4 أقدام مستقيمة حافة
• علامة شربي
• أحزمة السقاطة
• شريط القياس
• موزع أنبوب السد
• قطع الأسلاك / المتعرية
• مفكات صليبة كبيرة وصغيرة وعادية

جميع المستلزمات:

لوازم الإلكترونيات

• تقليص الأنابيب 1/8 و 1/4 بوصة
• رؤوس دبوس لوحة الدائرة (مآخذ أنثى ودبابيس ذكر)
• صندوق كهربائي بلاستيك ABS مع غطاء شفاف ، مقاس 7.9 بوصة × 4.7 بوصة × 2.94 بوصة (200 ملم × 120 ملم × 75 ملم)
• بطارية حمض الرصاص المختومة القابلة لإعادة الشحن ، 12 فولت 20 أمبير. NPP HR1280W أو ما شابه ذلك.
• لوحة متحكم Arduino Uno R3 أو ما شابه ذلك
• لوحة النموذج الأولي القابلة للتكديس من Arduino: درع نموذج Alloet المصغر من اللوح V.5 أو ما شابه.
• وحدة تشغيل MOSFET IRF520 أو ما شابه ذلك
• مستشعر درجة الحرارة الرقمي DFRobot DS18B20 في حزمة كبل مقاوم للماء
• مروحة تبريد كمبيوتر 12 فولت بدون فرش: 40 مم × 10 مم 12 فولت 0.12 أمبير
• قارئ بطاقة Micro SD: Adafruit ADA254
• ساعة الوقت الفعلي: DIYmore DS3231 ، بناءً على DS1307 RTC
• بطارية لساعة الوقت الحقيقي: خلية عملة LIR2032)
• 4.7 كيلو أوم المقاوم
• بكرات أسلاك ربط مجدولة قياس 26 (أحمر ، أسود ، أصفر)
• طول السلك ثنائي الموصل (3 أقدام أو 1 متر) 12 مقياس تقطعت بهم السبل (سلك توصيل البطارية)
• حامل فيوز لشفرة السيارة و 3 شفرات أمبير (للاستخدام مع البطارية)
• كابل طابعة USB (اكتب ذكر إلى ذكر ب)
• صامولة سلكية (قياس 12)

مستلزمات الأشرطة والمواد اللاصقة

• شريط فائدة عالي الالتصاق بعرض 2 بوصة × لفة 50 قدم (شريط غوريلا أو ما شابه)
• يسد سيليكون ، أنبوب واحد
• لاصق البناء ، 2 أنبوب. (أظافر سائلة أو ما شابه)
• شريط فرن من الألومنيوم ، بعرض 2 بوصة × 50 قدم.
• شرائط ربط وحلقة ذاتية اللصق (مطلوب إجمالي 1 بوصة × 12 بوصة)

لوازم مواد البناء

• 2 × 4 أقدام × 8 أقدام × 2 بوصة سماكة (1200 مم × 2400 مم × 150 مم) ألواح عازلة من الفوم
• 2 قدم × 25 قدم لفة من لفة مزدوجة عازلة لفرن الهواء العاكسة ، فقاعة فضية.
• 2 × أنابيب PVC قصيرة ، قطر داخلي 1 1/2 بوصة × Sch 40. مقطوعة إلى أطوال 13 بوصة.

اللوازم المتخصصة

• مقياس حرارة اللقاح: "ثلاجة Thomas Traceable / Freezer Plus Thermometer مع مسبار زجاجة اللقاح" وشهادة معايرة يمكن تتبعها أو ما شابه ذلك.
• 2 × قارورة من جذوع الزهور للتخزين المؤقت للسائل DS18B20 تحقيقات درجة الحرارة المقاومة للماء.

الخطوة 2: قطع الأجزاء الرغوية

اطبع نمط القطع ، الذي يُظهر عددًا من المستطيلات المراد قطعها من صفحتين مقاس 4 أقدام × 8 أقدام × 2 بوصة (1200 مم × 2400 مم × 150 مم) من عزل رغوة الخلية الصلبة الصلبة.

استخدم حافة مستقيمة وعلامة لرسم الخطوط بعناية لقطع ألواح الرغوة. يمكن قطع الرغوة عن طريق تسجيلها بسكين متعدد الاستخدامات ، ولكن من الأسهل استخدام منشار دائري للقيام بالمهمة. ومع ذلك ، فإن قطع الرغوة بالمنشار ينتج عنه غبار لا ينبغي استنشاقه. يجب اتباع الاحتياطات الهامة:

• ارتدي قناع الغبار.
• استخدم خرطوم تفريغ متصل بالمنشار لجمع الغبار.
• قم بالقطع بالخارج إن أمكن.

الخطوة 3: قم بتجميع المبرد من ألواح الرغوة

توضح الشرائح المضمنة بالتفصيل كيفية تجميع المبرد الكامل من صفائح الفوم وعزل الفقاعات الفضية. من المهم ترك لاصق البناء يجف بين بضع خطوات مختلفة ، لذلك يجب أن تخطط لقضاء 3 أيام أو نحو ذلك لإكمال كل هذه الخطوات.

الخطوة 4: قم بتجميع نظام التحكم

توضح الصور التالية كيفية تجميع المكونات الإلكترونية على لوحة النموذج الأولي لإنشاء نظام التحكم في درجة الحرارة للمبرد. الصورة الأخيرة المضمنة هي مخطط نظام كامل للرجوع إليها.

الخطوة 5: إعداد البرنامج والاختبار

جرب أولاً رسم الإعداد هذا

رسم الإعداد يفعل شيئين. أولاً ، يتيح لك ضبط الوقت والتاريخ في ساعة الوقت الحقيقي (RTC). ثانيًا ، يختبر جميع المكونات الطرفية لوحدة التحكم في البرودة ويمنحك تقريرًا صغيرًا من خلال الشاشة التسلسلية.

قم بتنزيل أحدث رسم تخطيطي للإعداد من هنا: CoolerSetupSketch من GitHub

افتح الرسم التخطيطي في Arduino IDE. قم بالتمرير لأسفل إلى كتلة التعليمات البرمجية التي تم التعليق عليها كـ "تعيين الوقت والتاريخ هنا." أدخل الوقت والتاريخ الحاليين. الآن ، تحقق جيدًا من إعداد الأجهزة الطرفية التالية وجاهزة قبل تحميل الرسم التخطيطي (انظر الصورة التخطيطية الكهربائية المضمنة):

• مجس درجة الحرارة متصل بأحد مقابس الرأس ذات الثلاثة أسنان
• يتم إدخال بطاقة Micro SD في وحدة القارئ
• يتم إدخال بطارية خلية العملة المعدنية في وحدة ساعة الوقت الحقيقي (RTC)
• قم بتوصيل الأسلاك المتصلة بمروحة الكمبيوتر الشخصي
• الصمامات في حامل المصهر الخاص بسلك البطارية.
• Arduino متصل بالبطارية (تأكد من أنه ليس سلكيًا للخلف! + إلى VIN ، - إلى GND!)

في Arduino IDE ، حدد Arduino UNO من قائمة اللوحات ، وقم بتحميله. بمجرد الانتهاء من التحميل ، من القائمة المنسدلة في الأعلى ، حدد Tools / Serial Monitor. يجب أن يعرض هذا تقريرًا صغيرًا عن النظام. من الناحية المثالية ، يجب أن تقرأ شيئًا مثل هذا:

رسم تخطيطي لإعداد Cooler - الإصدار 190504 بدء اختبار النظام ---------------------- اختبار الوقت الفعلي للساعة: الوقت [20:38] التاريخ [1/6/2019] اختبار TEMP. المستشعر: 22.25 C C TESTING SD CARD: init تم الكتابة إلى dataLog.txt… dataLog.txt: إذا كنت تستطيع قراءة هذا ، فإن بطاقة SD الخاصة بك تعمل! مروحة الاختبار: هل المروحة تنبض وتتوقف عن التشغيل؟ اختبار نهاية النظام ----------------------

مشكلة في إطلاق النار على النظام

عادة بالنسبة لي ، لا تسير الأمور كما هو مخطط لها. ربما لم يعمل نظام ما بشكل صحيح. نأمل أن يوفر رسم الإعداد فكرة - الساعة؟ بطاقة SD؟ عادةً ما تتعلق المشكلات الأكثر شيوعًا مع أي مشروع متحكم بأحد هذه المشكلات:

• لقد نسيت وضع فتيل في سلك البطارية ، لذلك لا توجد طاقة
• لقد نسيت وضع بطاقة micro SD في القارئ ، وبالتالي فإن النظام معلق
• لقد نسيت وضع البطارية في ساعة الوقت الحقيقي (RTC) حتى يتوقف النظام
• أجهزة الاستشعار المتصلة مفكوكة أو غير متصلة أو متصلة في الاتجاه المعاكس
• تُترك أسلاك المكونات غير متصلة أو متصلة بدبوس (دبابيس) Arduino الخطأ
• تم توصيل المكون الخطأ في المسامير الخاطئة أو تم توصيله للخلف
• هناك سلك متصل بشكل غير صحيح يقوم بتقصير كل شيء

قم بتثبيت رسم وحدة التحكم

بمجرد إجراء اختبار ناجح باستخدام CoolerSetupSketch ، حان الوقت لتثبيت رسم وحدة التحكم بالكامل.

قم بتنزيل أحدث رسم تخطيطي لوحدة التحكم هنا: CoolerControllerSketch

قم بتوصيل Arduino بجهاز الكمبيوتر الخاص بك باستخدام كابل USB وقم بتحميل الرسم باستخدام Arduino IDE. أنت الآن جاهز لتركيب النظام بالكامل فعليًا في جسم المبرد.

الخطوة 6: قم بتثبيت نظام Arduino

يمكن التعامل مع الخطوات التالية كقائمة مراجعة أو تثبيت جميع الأجهزة الإلكترونية. للخطوات التالية ، راجع الصور المضمنة للمشروع المكتمل. تساعد الصور!

1. قم بتوصيل زوج من أسلاك المروحة بوحدة Arduino UNO.
2. قم بتوصيل زوج من أسلاك الطاقة بجهد 12 فولت بوحدة Arduino UNO.
3. قم بتوصيل مستشعرات درجة الحرارة DS18B20 بوحدة Arduino UNO. ما عليك سوى توصيل المستشعر بأحد المقبس (المقبس) ذي الثلاثة سنون الذي قمنا بتثبيته في لوحة النموذج الأولي. انتبه إلى ألوان الأسلاك ، فالأحمر ينتقل إلى الموجب ، والأسود إلى السالب ، والأصفر أو الأبيض ينتقل إلى دبوس البيانات الثالث.
4. قم بتوصيل كبل طابعة USB بموصل USB الخاص بـ Arduino.
5. استخدم منشار الثقب مقاس 1.75 بوصة لحفر ثقب دائري كبير في الجزء السفلي من صندوق الإلكترونيات.
6. قم بتوصيل وحدة Arduino UNO بأسفل صندوق الإلكترونيات باستخدام شرائط تثبيت ذاتية اللصق وخطاف وحلقة.
7. قم بتوصيل مقياس حرارة اللقاح المعاير بالجانب السفلي من الغطاء الشفاف للصندوق باستخدام شرائط التثبيت ذات الخطاف والحلقة. قم بتوصيل سلك مسبار الزجاجة الصغيرة المخزنة بالسائل.

8. قم بتمرير الأسلاك التالية من الصندوق عبر الفتحة المستديرة في الأسفل:

   • أسلاك طاقة بجهد 12 فولت (سلك مكبر صوت من النحاس المجدول بقياس 12-18)
   • مستشعر (مستشعرات) درجات حرارة Arduino (DS18B20 مع موصل رأس 3 سنون ذكر على كل منهما)
   • كابل طابعة USB (النوع أ ذكر إلى النوع ب ذكر)
   • مسبار ميزان حرارة اللقاح (مشمول مع ميزان حرارة معاير)
   • أسلاك المروحة (زوج مجدول من سلك ربط قياس 26 تقطعت بهم السبل)
9. افتح غطاء المبرد واستخدم سكينًا أو مثقابًا لعمل ثقب بطول 3/4 بوصة (2 سم) من خلال الغطاء بالقرب من إحدى الزوايا الخلفية. (انظر الصور المرفقة) كزة من خلال غطاء التفاف الفقاعة مايلر.
10. قم بتغذية الكل باستثناء سلك USB من صندوق التحكم لأسفل عبر الغطاء من الأعلى. ضع الصندوق على الغطاء مع تعليق كابل USB حتى يمكن الوصول إليه لاحقًا. قم بتأمين الصندوق بشريط لاصق عالي.
11. اربط الغطاء الشفاف لصندوق الإلكترونيات على الصندوق.
12. قم بإنشاء رفرف من غلاف الفقاعات الفضي الإضافي العازل لتغطية الصندوق وحمايته من أشعة الشمس المباشرة. (انظر الصور المضمنة.)
13. داخل المبرد ، ضع بطارية 12 فولت 20 أمبير بالقرب من الجزء الخلفي من المقصورة. ستبقى البطارية داخل الحجرة بجانب الحمولة. ستعمل بشكل جيد حتى عند درجة حرارة 5 درجات مئوية ، وستكون بمثابة بعض التخزين المؤقت الحراري ، على غرار زجاجة الماء.
14. قم بتوصيل مجسات درجة الحرارة (مسبار زجاجة مقياس الحرارة ومسبار Arduino) بقاعدة الأنبوب المركزي باستخدام شريط لاصق عالي.
15. داخل المبرد ، استخدم شريطًا من الألومنيوم لتوصيل المروحة بحيث تنفجر في أنبوب الزاوية. قم بتوصيل أسلاكه بالأسلاك من جهاز التحكم. تنفخ المروحة أسفل أنبوب الزاوية ، وسوف ينبع التبريد الفائق إلى غرفة الشحن من الأنبوب المركزي.

الخطوة 7: تبريد وتشغيل

1. قم بتهيئة بطاقة Micro SD - سيتم تسجيل درجة الحرارة في هذه الشريحة
2. اشحن البطارية 12 فولت
3. قم بشراء كتلة 25 رطلاً (11.34 كجم) من الثلج الجاف ، مقطعة إلى أبعاد 8 × 8 × 5 بوصات (20 سم × 20 سم × 13 سم).
4. قم بتثبيت كتلة الثلج عن طريق وضع الكتلة المسطحة أولاً على منشفة على منضدة. حرك بطانة مايلر الفضية فوق الكتلة بحيث يكون السطح السفلي مكشوفًا فقط. الآن ارفع الكتلة بأكملها ، اقلبها بحيث يكون الجليد العاري متجهًا لأعلى ، ثم حرك الكتلة بأكملها في حجرة الثلج الجافة أسفل الأرضية المبردة.
5. استبدل أرضية المبرد. استخدم شريط الألمنيوم للتثبيت حول الحافة الخارجية للأرضية.
6. ضع بطارية 12 فولت في جسم المبرد. قد ترغب في تثبيته على جدار المبرد بشرائط من شريط لاصق عالي.
7. قم بتوصيل سلك طاقة جهاز التحكم بالبطارية.
8. تحقق لترى أن مجسات درجات الحرارة مسجلة بإحكام.
9. قم بتحميل زجاجات المياه في مقصورة الشحن لملء كل المساحة تقريبًا. هذه سوف تقلل درجة الحرارة.
10. اضبط المبرد في مكان ما بعيدًا عن ضوء الشمس المباشر واتركه لمدة 3-5 ساعات حتى تستقر درجة الحرارة عند 5 درجات مئوية.
11. بمجرد استقرار درجات الحرارة ، يمكن إضافة العناصر الحساسة لدرجة الحرارة عن طريق إزالة زجاجات المياه وملء هذا الحجم بالبضائع.
12. سيحافظ هذا المبرد المزود بشحنة جديدة من الثلج والطاقة على درجة 5 مئوية متحكم بها لمدة تصل إلى 10 أيام دون أي طاقة إضافية أو ثلج. يكون الأداء أفضل إذا تم إبعاد المبرد عن أشعة الشمس المباشرة. يمكن تحريك المبرد وهو مقاوم للصدمات في معظم النواحي ؛ ومع ذلك ، يجب أن تبقى في وضع مستقيم. إذا تم قلبه ، فقم ببساطة بوضعه احتياطيًا ، ولن يحدث أي ضرر.
13. يمكن قياس الطاقة الكهربائية المتبقية في البطارية مباشرة بمقياس فولت صغير. يتطلب النظام ما لا يقل عن 9 فولت ليعمل بشكل صحيح.
14. يمكن قياس الجليد المتبقي مباشرةً باستخدام شريط قياس معدني عن طريق قياس فتحة الأنبوب المركزية حتى الحافة العلوية للأنبوب PVC. انظر الجدول المرفق لقياسات وزن الجليد المتبقي.
15. يمكن تنزيل بيانات تسجيل درجة الحرارة عن طريق توصيل سلك USB بجهاز كمبيوتر محمول يقوم بتشغيل Arduino IDE. قم بتوصيل وافتح Serial Monitor. سيتم إعادة تشغيل Arduino تلقائيًا وقراءة تسجيل الخروج الكامل من خلال الشاشة التسلسلية. سيستمر المبرد في العمل دون انقطاع.
16. يمكن تنزيل البيانات من بطاقة MicroSD المرفقة ، ولكن يجب إيقاف تشغيل النظام قبل سحب الشريحة الصغيرة!

الخطوة 8: الملاحظات والبيانات

تم تصميم هذا المبرد ليكون توازنًا مناسبًا في الحجم والوزن والسعة ووقت التبريد. يمكن اعتبار الأبعاد الدقيقة الموضحة في الخطط نقطة انطلاق افتراضية. يمكن تعديلها لتناسب احتياجاتك بشكل أفضل. على سبيل المثال ، إذا كنت تحتاج إلى وقت تبريد أطول ، فيمكن بناء حجرة الثلج الجاف بحجم أطول لمزيد من الثلج. وبالمثل ، يمكن بناء حجرة الشحن على نطاق أوسع أو أطول. ومع ذلك ، يجب توخي الحذر لإثبات أي تغييرات في التصميم تجريها بشكل تجريبي. يمكن أن يكون للتغييرات الصغيرة تأثير كبير على أداء النظام بشكل عام.

الوثائق المرفقة تتضمن بيانات تجريبية مسجلة من خلال تطوير المبرد. كما يتم تضمين قائمة أجزاء شاملة لشراء جميع المستلزمات. بالإضافة إلى ذلك ، أرفقت إصدارات العمل من رسومات Arduino ، على الرغم من أن تنزيلات GitHub أعلاه ستكون على الأرجح أكثر حداثة.

الخطوة 9: روابط لمصادر على الإنترنت

يمكن تنزيل نسخة PDF من كتاب التعليمات هذا بالكامل ، انظر الملف المضمن لهذا القسم.

قم بزيارة مستودع GitHub لهذا المشروع:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

الجائزة الثانية في مسابقة Arduino 2019