专利名称：带自动零点校准的二氧化碳培养箱的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及带自动零点校准的二氧化碳培养箱，可用于各类细胞的生长培养研究以及生命科学的研究领域，属于二氧化碳培养箱技术领域。
背景技术：
二氧化碳培箱是用于各类细胞的生长培养研究以及生命科学的研究，其中使用CO2气体传感器测量和保持CO2的浓度是二氧化碳培养箱的关键技术。
根据不同气体热传导率不同的特点而制作的传感器，我们称作为导热式气体传感器，称作为TCD。
CO2气体传感器也是根据CO2气体热传导率的特点制造，其结构相当简单，它有两对CO2气体敏感元件组成，将其中的一对CO2气体敏感元件封入标准气体中，作为温度补偿用，我们称作为参考臂，简称TCDR；将另一对CO2气体敏感元件与被测气体相接触，作为测量CO2气体浓度用，我们称作为测量臂，简称TCDM；为了保证二对CO2气体敏感元件组成的CO2气体传感器温度一致、保持均衡，将两对CO2气体敏感元件安装在一块导热性能较好的金属材料中。
如图1所示，为CO2气体传感器的示意图，其中TCDR是封装在标准气体中的一对CO2气体敏感元件，作为温度补偿用；其中TCDM是封装在与被测气体相接触的一对CO2气体敏感元件，作为CO2气体浓度测量用。
导热式CO2气体传感器的特点是受到温度T、湿度RH、CO2气体浓度的变化而变化，所以其函数关系表示为f(T、RH、CO2)；当被测气体(CO2)温度T、湿度RH稳定时，导热式CO2气体传感器的特性只受到CO2浓度的变化，其函数关系表示为f(Tt、RHt、CO2)，此时的变化量只与CO2浓度有关，传统应用的方法就是基于这种原理。
如图2所示，为CO2气体传感器的传统应用电路，测量臂TCDM的二个引线与运算放大器A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1组成的比例放大器连接，将测量臂TCDM的阻抗变化转换成电压的变化，由于测量臂TCDM封装时与被测气体相接触，其输出电压VM1的函数为K1(T、RH、CO2)，表示其输出电压VM1与温度T、湿度RH、CO2浓度有关；将参考臂TCDR的二个引线与运算放大器A2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C2组成的比例放大器连接，将测量臂TCDM的阻抗变化转换成电压的变化，由于参考臂TCDR封装在标准空气中，其输出电压VR1的函数为K2(T)，表示其输出电压VR1与温度T有关；运算放大器A3、电阻R7、电阻R8、D电位器W1组成射极跟随器，调节W1，使得运算放大器A4的输出电压VAD为某一值；运算放大器A4、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3组成差分放大器，输出电压VAD的函数为K4(VR1、VM1、VAJ)；IC5、IC6使用精密基准电压，构成A/D转换器的上、下基准电压，ADVREF-为1.250V，ADVREF+为4.096V；IC3使用集成A/D转换器，用于对VAD值的数据采集，然后经微处理器进行数据运算后，送入显示电路或其他控制电路。
其工作过程如下当被测气体的腔体加热或保温至某一温度T时，腔体内的温度T、湿度RH稳定时，腔体内CO2浓度为零时，调节W1使VAD的值为1.950V，然后对腔体内通入CO2气体时，随着CO2浓度的增加，VR1基本不变，VM1随着CO2浓度的增加而减小，经过运算放大器A4的差分放大，VAD值随CO2浓度的增加而增大，其值为1.950V+ΔV，ΔV的数值就是CO2浓度的变化量；当被测气体的腔体温度改变至另一温度T+t时，腔体内再次达到平衡时的温度为T+t、湿度稳定为RH+Δrh时，腔体内CO2浓度为零时，输出电压VAD的值不再稳定在1.950V，从图1可知，输出电压VAD的函数关系为VAD＝(VR1*R12/(R9*R10(R11+R12)))*(R9*R13+R10*R13+R9*R10)-(1/R9*R10)*(R9*R13*VM1+R10*R13*VM1+R10*R13*VAJ)，如果将电阻取值为R11＝R10＝R9，R13＝R13，那么VAD＝(VR1*R12/(R9*(R9+R12))-VAJ*R12/R9+(R12/R9)*(VR1-VM1)；因为电压VAJ不受温度T的影响，VR1、VM1电压是温度的函数，所以VAD的电压值是受到腔体温度T的影响；当被测气体的腔体温度改变至另一温度T+t时，腔体内再次达到平衡时的温度为T+t、湿度稳定为RH+Δrh时，腔体内CO2浓度为零时，如果VAD小于VADREF-时，那么造成A/D转换器负向溢出，此时再通入CO2气体进行CO2浓度测量时，测出数值误差很大；
如果VAD增大，但小于VADREF+时，如果此时不调节W1使VAD的值为1.950V，那么轻则造成A/D转换器采样范围减小，严重时造成A/D转换器采样精度降低；如果VAD增大至接近或超过VADREF+时，如果此时不调节W1使VAD的值为1.950V，那么造成A/D转换器正向溢出，造成A/D转换器采样精度降低；如果增加工作电压，同时增大A/D转换器基准电压的范围，由于TCD传感器的输出电压信号很小，一般为几个mv，引起噪声干扰，结果降低测量精度，作为一个控制系统的组成部分，整机的适用温度范围为+10℃～+50℃，电位器W1安装在内部的PCB板上，每次调节W1既不现实也不可能，这就使该系统温度湿度适用范围大大减小，而且CO2浓度的测量范围和精度在整个使用温度范围差异大，并且一致性差；该电路存在的缺点1.该二氧化碳浓度测量校准系统在某一具体温度湿度时，使用效果较好；在宽温度湿度范围内使用时，其测量范围减小和测量精度误差增大，校准范围相对减少；2.该二氧化碳浓度测量校准系统因受温湿度的变化影响较大，其适用环境范围受到很大的限制；3.如果增加工作电压和增大A/D转换器基准电压的范围，势必引起很大的噪声干扰，结果降低测量精度；4.根据不同用户的使用要求，我们必须为其专门设定检测范围，因此增加了生产、安装、维修保养人员的工作量。
发明内容
本实用新型的目的是发明一种使CO2浓度在较大量程和较大的环境温度湿度变化范围内保持高精度的带自动零点校准的二氧化碳培养箱。
为实现以上目的，本实用新型的技术方案是提供一种带自动零点校准的二氧化碳培养箱，它由外门、大玻璃门、三扇小玻璃门、内胆、风机、电器安装板、隔板、箱体、传感器组成，内胆置于箱体内，由隔板隔成三层，三扇小玻璃门关上成为独立的三个空间，大玻璃门置于三扇小玻璃门外，外门连接箱体的一侧，关在大玻璃门外，风机置于箱体的后侧，传感器置于内胆后壁，电器安装板置于风机的下面，CO2气体传感器的应用电路置于电器安装板上，其特点在于，所述的CO2气体传感器的应用电路由17个金属膜电阻R1-R17、5个电容C1-C5、7个集成块IC1-IC7、5个运算放大器A1-A5及软件组成，CO2传感器中TCDM的TCD_M1、TCD_M2为测量臂信号引出线，CO2传感器中TCDR的TCD_R1、TCD_R2为参考臂信号引出线，测量臂TCDM的二个引线与运算放大器A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1组成的比例放大器连接，将测量臂TCDM的阻抗变化转换成电压的变化；参考臂TCDR的二个引线与运算放大器A2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C2组成的比例放大器连接，将测量臂TCDR的阻抗变化转换成电压的变化；运算放大器A3、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C3组成减法电路，将VM1、VDAM的差值转换为VM2；运算放大器A4、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C4组成减法电路，将VR1、VDAR的差值转换为VR2；运算放大器A5、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C5组成全差分放大电路，将VR2、VM2的差值转换放大为VAD，IC4使用高精度低温漂的基准电压集成电路，构成D/A转换器的参考基准电压；IC1、IC2选用串行接口D/A转换器，其控制线由微处理器MCU控制，其输出电压VDAM、VDAR分别用于转换VM1、VR1的电压；IC3选用多通道串行接口的A/D转换器，分别用于采样VAD、VR2、VM2的电压值；IC5、IC6选用高精度低温漂的基准电压集成电路，构成A/D转换器的参考基准电压，IC5构成A/D转换器的正端基准电压ADVREF+(4.096V±0.100V)、IC6构成A/D转换器的负端基准电压ADVREF-(1.000V±0.100V)，电路的工作电压为+5V。
本实用新型重新设计了一种CO2传感器的应用电路，使CO2传感器在宽范围的温度、湿度变化环境下，该测量校准电路具有更好的分辨率和测量精度。
改进应用电路的主要特点1.使用单电源+5V供电，使电路更简单，由于有自动校零软件，所以使用单电源可以达到使用双电源相同的性能；2.增加一级双路减法器，将VR1、VM1的电压控制在希望规定的某个数值，二个减法器的输入端，由D/A转换器的输出控制；3.增加二路电压A/D采样接口，分别控制检测VR2、VM2的电压，VR2、VM2分别为VR1、VM1的电压转换后的电压；4.目的是不管VR1、VM1的电压随温度湿度变化，其电压的数值为多少，只要在运算放大器的线性工作范围，通过D/A转换器的输出电压和减法电路的运算，以及A/D转换器的采样检测，控制VR2、VM2的差异数值，使VAD的输出电压始终稳定在希望固定的数值，确保A/D转换器的采样范围和采样精度在任何时间、地点、环境下保持不变。
本实用新型的优点是1.使用方便不用人为进行“零位”调整，完全由系统自动进行校零；2.使用精度高、测量范围宽由于保证VAD的“零位”电压为1.250V±0.100V，A/D转换器的采样范围为VADREF+-VAD(“零位”)＝4.096V-1.250V＝2.746V，由于零位被校准在运算放大器线性放大区低端，并且固定所以充分利用运算放大器线性放大区和A/D转换器的分辨率，同以前的使用方法相比，在相同的环境条件变化下，将具有更高的测量精度和更大的CO2测量范围；3.适用温度湿度范围宽由于使用自动“零位”调整，在整个适用温度湿度范围内，保证CO2气体浓度测量范围达到0％～20％，同以前的方法比较，在相同的CO2测量范围内，有更宽的使用温度及湿度范围；4.实用性强该电路使仪器使用非常方便，根据不同用户的使用环境，只要用户根据要求设置好使用条件，交给系统自动进行“零位”调整即系统功能菜单为“AUTOSTART”，系统执行完“AUTOSTART”即可投入使用；5.更方便生产、调试在制作CO2传感器时，降低了二对CO2气体敏感元件的配对选用要求，保证生产一致性好；在自动校零的同时，微处理器对各项参数进行实时监控，如电压超过设置的预定值时，自动报警出错处理等。
图1为CO2气体传感器的示意图；图2为CO2气体传感器的传统应用电路；图3为本实用新型结构示意图；图4为本实用新型侧剖视图；图5为本实用新型CO2气体传感器的应用电路；
图6为CO2测量模块程序框图；图7为CO2自动校零程序框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例如图3、4所示，为本实用新型结构示意图，它由外门1、大玻璃门2、三扇小玻璃门3、内胆4、风机5、电器安装板6、隔板7、箱体8、传感器9组成，内胆4置于箱体8内，由隔板7隔成三层，三扇小玻璃门3关上成为独立的三个空间，大玻璃门2置于三扇小玻璃门3外，外门1连接箱体8的一侧，关在大玻璃门2外，风机5置于箱体8的另一侧，传感器9置于内胆后壁，电器安装板6置于风机5的下面，CO2气体传感器的应用电路装在电器安装板6上。
如图5所示，为本实用新型CO2气体传感器的应用电路，由17个金属膜电阻R1-R17、5个电容C1-C5、7个集成块IC1-IC7、5个运算放大器A1-A5及软件组成，CO2传感器中TCDM的TCD_M1、TCD_M2为测量臂信号引出线，TCDM的阻值随温度T、湿度RH、CO2气体浓度变化而变化；CO2传感器中TCDR的TCD_R1、TCD_R2为参考臂信号引出线，TCDR的阻值只随温度T变化而变化；由于这种传感器阻抗变化较小，电压变动会引起特性变化，因此要求使用稳压集成电路供电，电路的工作电压为+5V，一方面稳定TCD因流过电流所发出的热量，另一方面降低噪声干扰的幅度；由于这种传感器阻抗变化较小，需要将传感器阻抗的变化转换成电压信号的变化，因此将测量臂TCDM的二个引线与运算放大器A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1组成的比例放大器连接，将测量臂TCDM的阻抗变化转换成电压的变化，由于测量臂TCDM封装时与被测气体相接触，其输出电压VM1的函数为K1(T、RH、CO2)，表示其输出电压VM1与温度T、湿度RH、CO2浓度有关；由于这种传感器阻抗变化较小，需要将传感器阻抗的变化转换成电压信号的变化，因此将参考臂TCDR的二个引线与运算放大器A2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C2组成的比例放大器连接，将测量臂TCDM的阻抗变化转换成电压的变化，由于参考臂TCDR封装在标准空气中，其输出电压VR1的函数为K2(CO2)，表示其输出电压VR1与温度T有关；运算放大器A3、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C3组成减法电路，将VM1、VDAM的差值转换为VM2，适当选择电阻参数，使电阻R7＝电阻R8＝电阻R9＝电阻R10，其传递函数为VM2＝VM1-VDAM；运算放大器A4、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C4组成减法电路，将VR1、VDAR的差值转换为VR2，适当选择电阻参数，使电阻R11＝电阻R12＝电阻R13＝电阻R14，其传递函数为VR2＝VR1-VDAR；运算放大器A5、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C5组成全差分放大电路，将VR2、VM2的差值转换放大为VAD，适当选择电阻参数，使电阻R14＝电阻R15、电阻R16＝电阻R17，其传递函数为VAD＝(R16/R15)*(VR2-VM2)，因此整个传递函数为VAD＝(R16/R15)*[(VR1-VM1)-(VDAR-VDAM)]；IC4使用高精度低温漂的基准电压集成电路，构成D/A转换器的参考基准电压，IC1、IC2选用串行接口D/A转换器，其控制线由微处理器MCU控制，其输出电压VDAM、VDAR分别用于转换VM1、VR1的电压，其VDAM(VDAR)＝(S/D)*DAVREF，其中DAVREF是D/A转换器的基准电压，D是D/A转换器精度(位数N)，其数值为2的N次方(2n)，S是微处理器MCU发出输入D/转换器的数字，其数值范围为0------2n，只要选用恰当精度的(10bit以上)D/A转换器，即可满足使用要求；IC3选用多通道串行接口的A/D转换器，分别用于采样VAD、VR2、VM2的电压值，IC5、IC6选用高精度低温漂的基准电压集成电路，构成A/D转换器的参考基准电压，IC5构成A/D转换器的正端基准电压ADVREF+(4.096V±0.100V)、IC6构成A/D转换器的负端基准电压ADVREF-(1.000V±0.100V)，只要选用恰当精度的(12bit以上)A/D转换器，即可满足使用要求；结合图5所示电路图，介绍电路中各个信号测试点的电压参数VR1、VM1是将TCD敏感元件的非电量/电量转换信号的输出，其输出电压随温度T、湿度RH、CO2浓度的变化有关，其输出电压范围Vss+1.000V～Vcc-1.000V，即运放的线性工作区域；VR2、VM2是VR1、VM1经过减法电路的电压，通过控制D/A转换器的输出VDAR、VDAM，分别与VR1、VM1做减法运算，然后由A/D转换器检测，使VDAR、VDAM输出电压位于2.500V±0.500V的范围内；VAD是本电路中最后一级模拟输出电压，也是我们要求检测最终模拟电压，要求将VAD的“零点”设置在1.250V±0.100V的范围内，通过控制D/A转换器的输出VDAR、VDAM，分别与VR1、VM1做减法运算，使VDAR、VDAM输出电压位于2.500V±0.500V的范围内，并使(VR2-VM2)的差值乘上运放A5构成的放大器的增益后，VAD＝1.250V±0.100V的范围内即可；D/A转换器的基准电压为DAVREF＝1.250V±0.100V，A/D转换器的正端基准电压ADVREF+(4.096V±0.100V)、A/D转换器的负端基准电压ADVREF-(1.000V±0.100V)；电路中使用的电容C1、C2选用钽电容，C3、C4、C5选用低温漂、低损耗涤纶电容，电阻选用高精度、低温漂的金属膜电阻，运算放大器A1、A2、A3、A4、A5选用高性能、低温漂精密运算放大器，IC4、IC4、IC6选用高精度、低温漂能隙基准电压集成电路，IC1、IC2选用串行接口、精度为10bit的D/A转换器，IC3选用串行接口、精度为12bit的多通道A/D转换器；如图6所示，为CO2测量模块程序框图所示，从EEPROM IC7取出VDAR，VDAM参考电压值在AD转换器IC1，IC2的VDAR，VDAM信号输出端输出，使连接的运放A4，A3的负端电位达到自动校零点的电压值。同时，传感器TCDR，TCDM分别经过运放A2，A1的放大形成VR1，VR2电压信号后输入运放A4，A3的正相输入端，经过运放A4，A3的放大分别在输出端形成VR2，VM2电压信号后，再分别输入运放A5的正相、反相输入端，经过运放A5的差分放大在运放A5输出端形成VAD电压值，即CO2测量电压值。将VAD电压输入AD转换器IC3后，经过MCU对VAD信号的读取，并经过软件抗干扰处理后即可计算出CO2的实际测量值。
如图7所示，为CO2自动校零程序框图，首先初始化DA转换器IC1，IC2的输出电压VDAR和VDAM，通过调节VDAM的参数，使VDAM的输出电压约为2.4V左右，如果调节不到，则出错处理，然后调节VDAR的参数，使VDAR的输出电压约为2.2V左右，稍低于VDAM，如果调节不到，则出错处理。然后，分别调节VDAM，VDAR的参数，使VAD的电压处于运放线性放大区低端，即约＞＝1.25V左右，如果通过条件VDAM，VDAR参数达不到预定输出，则作出错处理，如果能够达到预定值，并且小于预定的上限电压，设置上限电压目的为确保有较大的测量范围，则此时的VAD值即为CO2零点电压值，VDAR，VDAM的参数即为零点校正输出参数，将VAD，VDAR，VDAM参数在IC7，EEPROM内保存，自动校零结束。
根据使用要求，当将被测CO2气体的腔体温度设置在某一温度T时，等待被测CO2气体的腔体温度稳定、均匀，湿度稳定、均匀，CO2气体浓度为零时，通过控制IC1 D/A转换器的输出VDAR的值，改变VR2的输出电压，通过IC3 A/D转换器的检测，确保VR2的数值固定在某一确定值，如2.650V±0.100V，然后通过控制IC2 D/A转换器的输出VDAM的值，改变VM2的输出电压，通过IC3A/D转换器的检测，确保VM2的数值固定在某一确定值(比VDAR的值小)，同时通过IC3 A/D转换器的检测，确保VAD的数值固定在某一确定值，如1.250V±0.100V，延迟2分钟待数据稳定后，将IC3 A/D转换器对VAD的采样值记录并保存在微处理器或系统内存中(EEPROM中记为D1)，由于此时系统被测CO2气体的腔体内温度T、湿度RH稳定、均匀，而且CO2气体浓度为零，故将一定浓度CO2气体(10％)通入被测CO2气体的腔体时，腔体内的温度T、湿度RH稳定、均匀度被打破，此时VAD的电压值是应该有变化的，等待一段时间使被测CO2气体的腔体温度、湿度重新达到原来设定的温度T、湿度RH，并保持稳定、均匀时，此时VAD的电压变化值只与通入的CO2气体浓度成比例，通过IC3A/D转换器对VAD的采样值记录并保存在微处理器或系统内存中(EEPROM中记为D2)，由微处理器MCU运算将数据(D2-D1)转换成CO2气体浓度的数字即可，然后送往显示电路或其他控制电路；此方法是将某一温度、湿度的条件下，排除温度、湿度对CO2传感器的影响，从而获得较为精确的CO2气体的浓度测量值；当改变使用条件时，只要在被测CO2气体的腔体温度稳定、均匀，湿度稳定、均匀后，CO2气体浓度为零时，重新进行以下过程通过控制IC1 D/A转换器的输出VDAR的值，改变VR2的输出电压，通过IC3 A/D转换器的检测，确保VR2的数值固定在某一确定值，如2.650V±0.100V，然后通过控制IC2 D/A转换器的输出VDAM的值，改变VM2的输出电压，通过IC3 A/D转换器的检测，确保VM2的数值固定在某一确定值(比VDAR的值小)，同时通过IC3 A/D转换器的检测，确保VAD的数值固定在某一确定值，如1.250V±0.100V，延迟2分钟待数据稳定后，将IC3 A/D转换器对VAD的采样值记录并保存在微处理器或系统内存中(EEPROM中记为D1)，由于此时系统被测CO2气体的腔体内温度T、湿度RH稳定、均匀，而且CO2气体浓度为零，故将一定浓度10％CO2气体通入被测CO2气体的腔体时，腔体内的温度T、湿度RH稳定、均匀度被打破，此时VAD的电压值是应该有变化的，等待一段时间使被测CO2气体的腔体温度、湿度重新达到原来设定的温度T、湿度RH，并保持稳定、均匀时，此时VAD的电压变化值只与通入的CO2气体浓度成比例，通过IC3 A/D转换器对VAD的采样值记录并保存在微处理器或系统内存中(EEPROM中记为D2)，由微处理器MCU运算将数据(D2-D1)转换成CO2气体浓度的数字即可，然后送往显示电路或其他控制电路。
权利要求1.一种带自动零点校准的二氧化碳培养箱，它由外门(1)、大玻璃门(2)、三扇小玻璃门(3)、内胆(4)、风机(5)、电器安装板(6)、隔板(7)、箱体(8)、传感器(9)组成，内胆(4)置于箱体(8)内，由隔板(7)隔成三层，三扇小玻璃门(3)关上成为独立的三个空间，大玻璃门(2)置于三扇小玻璃门(3)外，外门(1)连接箱体(8)的一侧，置于大玻璃门(2)外，风机(5)置于箱体(8)的另一侧，传感器(9)置于内胆后壁，电器安装板(6)置于风机(5)的下面，CO2气体传感器的应用电路置于电器安装板6上，其特征在于，所述的CO2气体传感器的应用电路由17个金属膜电阻R1-R17、5个电容C1-C5、7个集成块IC1-IC7、5个运算放大器A1-A5及软件组成，CO2传感器中TCDM的TCD_M1、TCD_M2为测量臂信号引出线，CO2传感器中TCDR的TCD_R1、TCD_R2为参考臂信号引出线，测量臂TCDM的二个引线与运算放大器A1、电阻R1-R3、电容C1组成的比例放大器连接，参考臂TCDR的二个引线与运算放大器A2、电阻R4-R6、电容C2组成的比例放大器连接，运算放大器A3、电阻R7-电阻R10、电容C3组成减法电路，运算放大器A4、电阻R11-电阻R14、电容C4组成减法电路，运算放大器A5、电阻R14-电阻R17、电容C5组成全差分放大电路，IC1、IC2为串行接口D/A转换器，IC3为多通道串行接口的A/D转换器，IC5、IC6为高精度低温漂的基准电压集成电路，构成A/D转换器的参考基准电压，IC5构成A/D转换器的正端基准电压ADVREF+(4.096V±0.100V)、IC6构成A/D转换器的负端基准电压ADVREF-(1.000V±0.100V)。
专利摘要本实用新型涉及一种带自动零点校准的二氧化碳培养箱，它由外门、大玻璃门、三扇小玻璃门、内胆、风机、电器安装板、隔板、箱体、传感器组成，其特点在于，所述的CO
文档编号C12M3/00GK2697103SQ200320122688
公开日2005年5月4日 申请日期2003年12月19日 优先权日2003年12月19日
发明者吴峻, 钱卫华 申请人:上海力申科学仪器有限公司