Точный термостатируемый контейнер для перевозки образцов с датчиком PT-100 и Arduino UNO

Компоненты и материалы

• Датчик температуры PT100 (RTD) — 1 шт.
• Arduino UNO — 1 шт.
• Литий-ионный аккумулятор 10400 мАч (3,7 В) — 1 шт.
• Полистироловый короб (250×250×250 мм, стенки 45 мм) — 1 шт. (вторичная упаковка UN3373)
• Два медных блока (80×50×10 мм) под радиаторы и тепловые трубы — 1 компл.
• Регулируемый понижающий DC-DC преобразователь PTN78020W — 1 шт.
• Тепловые трубы (heat pipes) — 1 компл.
• Цифровой потенциометр MCP41100 (100 кОм) — 1 шт.
• Термопроводящий гель (Magic Gel) — 1 шт.
• DC-DC повышающий преобразователь XL6019 — 1 шт.
• Пелтье-элемент (TEC) — 1 шт. (3,9 А, 7,6 В макс.)
• Конденсатор 3,3 мкФ — 1 шт.
• Блок питания от сети 12 В — 1 шт.
• Разъемы DC (разъем питания, сплиттер) — 1 компл.
• Экран Adafruit RGB LCD Shield 16×2 — 1 шт.
• Нагревательный коврик — 1 шт.
• Клеммники 3 и 5pin — по 1 шт.
• Переключатели: 4-полюсный двухпозиционный, 1-полюсный двухпозиционный — по 1 шт.
• Пластиковые корпуса для электроники (внутренний и внешний) — по 1 шт.
• Двусторонняя липучка DualLock — 1 шт.
• Adafruit Proto-ScrewShield — 1 шт.
• Зарядное устройство Adafruit Li-ion USB — 1 шт.
• Усилитель PT100 Adafruit MAX31865 — 1 шт.

Инструменты

• Паяльник
• Дремель 4000
• Шуруп
• Дрель
• Инструмент для стрижки кабелей, плоскогубцы, кусачки
• Ручная фрезерка (для обработки меди)

Программное обеспечение и библиотеки

• Arduino IDE
• GitHub: библиотека MCP41100 (sleemanj), библиотеки Adafruit для MAX31865, RGB LCD Shield, MCP23017

О проекте: Mr ThermoParcel

Цель: создание контейнера для безопасной перевозки температурно-чувствительных биологических образцов (крови, клеток, ферментов) обычной почтовой службой. Рабочий диапазон: 4–37 °C. Питание: сеть 12 В, встроенный аккумулятор или автомобильная зарядка (сигаретная зажигалка).

История проекта

Проблема: доставка редких образцов крови для исследования малярии. Заморозка повреждает образцы, курьерские службы дороги и ненадежны (задержки на складе). Решение — автономный термостатируемый контейнер.

Концепция

Полистироловый короб с внутренним пластиковым блоком (два фалькона 50 мл как вторичная упаковка). Охлаждение — Пелтье-элемент: холодная сторона контактирует с медной пластиной внутри камеры, горячая — через тепловые трубы с внешним радиатором (CPU cooler). Нагрев — нагревательный коврик внутри камеры. Температура контролируется PT100-датчиком в контакте с образцами. PID-регулятор на Arduino управляет мощностью Пелтье/нагрева через цифровой потенциометр, задающий опорное напряжение на PTN78020W.

Реализация

Конструкция контейнера

Внутренний корпус 125×70×40 мм вмещает два фалькона 50 мл с пробирками Эппендорфа 2 мл. Образцы разделены впитывающим материалом. Для улучшения термоконтакта и равномерности температуры пространство заполнено твердеющим диэлектрическим гелем.

Система охлаждения и нагрева

PT100 в 4-проводной схеме подключен к MAX31865. Пелтье управляется через PTN78020W: выходное напряжение (2,5–12,6 В) задается сопротивлением между пинами регулирования. MCP41100 (SPI) меняет это сопротивление по команде Arduino. Нагревательный коврик — просто резистивная нагрузка, питание которой регулируется тем же способом. Переключение режима охлаждение/нагрев — механическим тумблером.

Электроника и питание

• От сети: 12 В → PTN78020W → Пелтье/нагреватель. Arduino питание от Vin (12 В).
• От аккумулятора: 3,7 В → XL6019 (boost до 10–12 В) → PTN78020W. Arduino питание от выхода XL6019 через джек.
• Цифровой потенциометр MCP41100 подключен по SPI (CS=10). MAX31865 — по программному SPI (CS=2, DI=3, DO=4, CLK=5). LCD Shield — по I2C.

Программное обеспечение

PID-регулятор с только P-составляющей (kp=500). I и D исключены из-за большой теплоемкости системы (скорость изменения ~0,02 °C/с). Уставка задается кнопками LCD Shield. Режим питания (батарея/сеть) и режим работы (охлаждение/нагрев) переключаются кнопками LEFT/RIGHT в меню редактирования (SELECT). В батарейном режиме PID ограничен 120 из 255 для защиты аккумулятора от перетока.

Результаты

• От сети: охлаждение до 4 °C за ~1 ч (20 °C за 20 мин), нагрев до 37 °C за ~10 мин. Стабильность ±0,5 °C.
• От аккумулятора: мин. ~10 °C за 1,5–2 ч, нагрев до 37 °C за 40–60 мин. Ограничение по току разряда (7 А макс. на 3,7 В).

Перспективы

Замена активного радиатора на пассивный, 95 кПа упаковка для авиаперевозок, логирование температуры (SD/GSM), GPS-трекинг.

Код (PID_LCD_controller_v03)

#include <Adafruit_MAX31865.h>
#include <MCP41_Simple.h>
#include <Adafruit_RGBLCDShield.h>
#include <utility/Adafruit_MCP23017.h>
#include <Wire.h>

MCP41_Simple digitalPotentiometer;
const uint8_t digitalPotentiometer_CS = 10;
Adafruit_MAX31865 PT100amplifier = Adafruit_MAX31865(2, 3, 4, 5);
#define RREF 430.0
#define RNOMINAL 100.0
Adafruit_RGBLCDShield LCD_shield = Adafruit_RGBLCDShield();

int powerMode = 1; // 1=батарея, -1=сеть
int operationMode = 1; // 1=охлаждение, -1=нагрев
float PT100ratio;
uint8_t buttonsPressed = 0;
float kp = 500.0;
float PID_p = 0.0;
float Tmeasured = -1.0;
float Tsetpoint = 22.0;
float PID_error = 5;
float PID_value = 0;
static char TsetpointString[3];
static char TmeasuredString[4];

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Mr ThermoParcel, starting operation...");
  PT100amplifier.begin(MAX31865_4WIRE);
  digitalPotentiometer.begin(digitalPotentiometer_CS);
  digitalPotentiometer.setWiper(200);
  LCD_shield.begin(16, 2);
  LCD_shield.print("Tsetpoint: C");
  LCD_shield.setCursor(0, 1);
  LCD_shield.print("Tsample: C");
}

void print_Tsetpoint(int T) {
  LCD_shield.setCursor(10, 0);
  dtostrf(T, 3, 0, TsetpointString);
  LCD_shield.print(TsetpointString);
}
void print_Tmeasured(float T) {
  LCD_shield.setCursor(8, 1);
  dtostrf(T, 5, 1, TmeasuredString);
  LCD_shield.print(TmeasuredString);
}
void print_powerMode() {
  LCD_shield.setCursor(15, 0);
  LCD_shield.print(powerMode == 1 ? "B" : "M");
}
void print_operationMode() {
  LCD_shield.setCursor(15, 1);
  LCD_shield.print(operationMode == 1 ? "C" : "H");
}

void loop() {
  uint16_t rtd = PT100amplifier.readRTD();
  PT100ratio = rtd / 32768.0;
  Tmeasured = PT100amplifier.temperature(RNOMINAL, RREF);
  PID_error = Tmeasured - Tsetpoint;
  PID_p = operationMode * kp * PID_error;
  PID_value = (int)PID_p;

  if (powerMode == 1) {
    PID_value = constrain(PID_value, 0, 120);
  } else {
    PID_value = constrain(PID_value, 0, 255);
  }
  digitalPotentiometer.setWiper(255 - (int)PID_value);

  print_Tsetpoint((int)Tsetpoint);
  print_Tmeasured(Tmeasured);
  print_powerMode();
  print_operationMode();

  delay(1000);
  buttonsPressed = LCD_shield.readButtons();
  if (buttonsPressed & BUTTON_SELECT) {
    LCD_shield.setCursor(14, 0);
    LCD_shield.blink();
    delay(1000);
    buttonsPressed = 0;
    while (!(buttonsPressed & BUTTON_SELECT)) {
      buttonsPressed = LCD_shield.readButtons();
      if (buttonsPressed & BUTTON_UP) Tsetpoint += 1;
      if (buttonsPressed & BUTTON_DOWN) Tsetpoint -= 1;
      if (buttonsPressed & BUTTON_RIGHT) { powerMode *= -1; print_powerMode(); }
      if (buttonsPressed & BUTTON_LEFT) { operationMode *= -1; print_operationMode(); }
      print_Tsetpoint((int)Tsetpoint);
      LCD_shield.setCursor(14, 0);
      delay(500);
    }
    LCD_shield.noBlink();
    buttonsPressed = 0;
  }
  Serial.println();
}

Схемы

Основная принципиальная схема и разводка проводов (две фотографии) доступны в разделе Schematics оригинала. Вторая схема — «рабочая» разводка, может быть полезна для понимания реальных соединений.