传感器故障判断电路、方法、浓度预警方法及培养箱与流程

1.本发明涉及生物培养设备技术领域，具体提供一种传感器故障判断电路、方法、浓度预警方法及培养箱。


背景技术：

2.二氧化碳培养箱是一种生物培养箱，其提供细胞，组织等生长所需的适宜的温度和二氧化碳(co2)浓度。其中，co2气体由外置气体钢瓶提供，钢瓶与培养箱通过气体管路相连，管路中有电磁阀控制，电子阀有截流作用，其受控制器(电路板)的控制。
3.现有技术中，通常采用pid(proportional、integral、differential，比例、积分、微分)算法控制电磁阀来实现浓度控制。如果控制失效，箱内浓度持续走高会使得细胞培养液呈酸性，直接杀死细胞，严重情况会使得箱内聚集大量co2气体，在打开培养箱时候对科研人员生命造成危害。
4.正常情况下，传感器与控制器正常通信，由于受pid控制，在气体浓度到达设定值的时候电磁阀会停止工作。但是，如果传感器内部发生了故障，虽然仍与控制器进行通信，但却给控制器发送错误的数值，导致控制器认为箱内co2气体浓度一直没有达到设定值而不断地打开电磁阀让气体进入箱内，容易造成co2气体浓度失控的危害。
5.相应地，本领域需要一种新的浓度预警方案来解决上述问题。


技术实现要素：

6.为了克服上述缺陷，提出了本发明，提供一种传感器故障判断电路、方法、浓度预警方法及培养箱，以提供解决或至少部分地解决二氧化碳培养箱传感器故障导致箱内co2气体浓度失控的技术问题。
7.在第一方面，本发明提供一种传感器故障判断电路，所述传感器应用于二氧化碳培养箱，所述培养箱包括传感器和电磁阀，通过电磁阀的开启控制二氧化碳气体进入培养箱内，通过传感器获取培养箱内二氧化碳气体浓度并进行反馈，其特征在于，包括：
8.驱动电路，用于接收驱动信号并基于所述驱动信号控制电磁阀开合；
9.采样电路，用于对电磁阀工作状态进行采样，以基于采样结果判断电磁阀是否开启，所述电磁阀工作状态至少包括电磁阀开启状态和/或开启时长。
10.在上述电路的一个技术方案中，所述驱动电路至少包括：第一开关管、第二开关管、第一电阻以及保护二极管；
11.第一开关管，其控制端连接至驱动电路输入端，接收驱动信号，其第一端接地，其第二端与第二开关管的控制端连接；
12.第二开关管，其第一端连接至供电电压，其第二端作为驱动电路输出端，连接至电磁阀第二端，并通过保护二极管接地；
13.第一电阻一端连接至供电电压，另一端连接至第一开关管的第二端及第二开关管的控制端。
14.在上述电路的一个技术方案中，所述采样电路包括：第二电阻和第三电阻；
15.所述第二电阻和第三电阻的公共端作为所述采样电路的输出端，所述第二电阻的另一端连接至电磁阀第二端，第三电阻的另一端与电磁阀第一端共地。
16.在第二方面，本发明提供一种传感器故障判断方法，所述传感器应用于二氧化碳培养箱，所述培养箱包括传感器和电磁阀，通过电磁阀的开启控制二氧化碳气体进入培养箱内，通过传感器获取培养箱内二氧化碳气体浓度并进行反馈，其特征在于，所述方法包括：
17.基于上述任意一种电路，获取系统到达稳态前所述电磁阀工作状态，所述系统到达稳态即培养箱内二氧化碳气体浓度达到预设值后，其波动范围在维持在预设的波动区间之内；
18.基于系统到达稳态前所述电磁阀工作状态判断所述传感器是否存在故障。
19.在上述传感器故障判断方法的一个技术方案中，判断系统达到稳态的方法包括：
20.获取电磁阀开启状态下多个连续工作周期时长内的开启时长；
21.基于所述开启时长和预设开启时长阈值判断所述系统是否达到稳态：
22.若所述多个连续工作周期时长内的开启时长均小于等于预设的开启时长阈值，则判定所述系统达到稳态。
23.在上述传感器故障判断方法的一个技术方案中，基于系统到达稳态前所述电磁阀工作状态判断所述传感器是否存在故障包括：系统到达稳态前，电磁阀在各工作周期内开启时长的总和远大于预设电磁阀开启总时长阈值，或电磁阀在各工作周期内开启时长的总和大于预设电磁阀开启总时长阈值的a倍，a≥1，则所述传感器存在故障。
24.在第三方面，提供一种浓度预警判断方法，应用于二氧化碳培养箱，所述培养箱包括传感器和电磁阀，通过电磁阀的开启控制二氧化碳气体进入培养箱内，通过传感器获取培养箱内二氧化碳气体浓度并进行反馈，其特征在于：
25.采用上述任一种传感器故障判断方法对所述传感器进行故障判断；
26.若判断为所述传感器发生故障，则启动浓度预警。
27.在第四方面，提供一种电子设备，该电子设备包括处理器和存储器，所述存储器适于存储多条程序代码，所述程序代码适于由所述处理器加载并运行以执行上述传感器故障判断方法的技术方案中任一项技术方案所述的传感器故障判断方法或上述浓度预警判断方法。
28.在第五方面，提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质其中存储有多条程序代码，所述程序代码适于由处理器加载并运行以执行上述传感器故障判断方法的技术方案中任一项技术方案所述的传感器故障判断方法或上述浓度预警判断方法。
29.在第六方面，提供一种二氧化碳培养箱，所述二氧化碳培养箱包括培养箱本体及上述的电子设备。
30.本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：在实施本发明的技术方案中，提供一种传感器故障判断方法，基于系统到达稳态前所述电磁阀工作状态判断所述传感器是否存在故障，有效的识别出二氧化碳培养箱中传感器与控制器通信过程中，发送错误的数值导致控制器认为箱内气体浓度未达到设定值而
不断地打开电磁阀的故障，避免造成co2气体浓度失控的危害。
附图说明
31.参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围组成限制。此外，图中类似的数字用以表示类似的部件，其中：
32.图1是根据本发明的一个实施例的传感器故障判断电路示意图；
33.图2是根据本发明的一个实施例的传感器故障判断方法的主要步骤流程图；
34.图3是根据本发明的传感器故障判断方法对应于判断系统达到稳态的方法的详细步骤示意图；
35.图4是根据本发明的一个实施例的浓度预警判断方法主要步骤流程图；
36.图5是本发明的一个实施例的浓度预警判断方法对应于整个检测流程的详细步骤流程图；
37.图6是用于执行本发明的传感器故障判断方法或浓度预警判断方法的电子设备的主要结构框图。
具体实施方式
38.下面参照附图来描述本发明的一些实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
39.在本发明的描述中，“模块”、“处理器”可以包括硬件、软件或者两者的组合。一个模块可以包括硬件电路，各种合适的感应器，通信端口，存储器，也可以包括软件部分，比如程序代码，也可以是软件和硬件的组合。处理器可以是中央处理器、微处理器、图像处理器、数字信号处理器或者其他任何合适的处理器。处理器具有数据和/或信号处理功能。处理器可以以软件方式实现、硬件方式实现或者二者结合方式实现。非暂时性的计算机可读存储介质包括任何合适的可存储程序代码的介质，比如磁碟、硬盘、光碟、闪存、只读存储器、随机存取存储器等等。术语“a和/或b”表示所有可能的a与b的组合，比如只是a、只是b或者a和b。术语“至少一个a或b”或者“a和b中的至少一个”含义与“a和/或b”类似，可以包括只是a、只是b或者a和b。单数形式的术语“一个”、“这个”也可以包含复数形式。
40.本发明提供一种传感器故障判断电路。
41.参阅附图1，图1是根据本发明的一个实施例的传感器故障判断电路示意图。
42.如图1所示，本发明实施例中的传感器故障判断电路，所述传感器应用于二氧化碳培养箱，所述培养箱包括传感器和电磁阀，通过电磁阀的开启控制二氧化碳气体进入培养箱内，通过传感器获取培养箱内二氧化碳气体浓度并进行反馈，包括：
43.驱动电路101，用于接收驱动信号并基于所述驱动信号控制电磁阀开合；
44.采样电路102，用于对电磁阀工作状态进行采样，以基于采样结果判断电磁阀是否开启，所述电磁阀工作状态至少包括电磁阀开启状态和/或开启时长。
45.一个实施方式中，所述驱动电路101至少包括：第一开关管n1、第二开关管q1、第一电阻r1以及保护二极管d1。
46.具体地，在本实施方式中，所述第一开关管n1为npn型三极管；所述第二开关管q1
为mos管，其引脚1-3连接源极s，引脚4连接栅极g，引脚5-8连接漏极d。在本发明的其他实施方式中，所述第一开关管n1和第二开关管q1可以根据实际情况选择其他的半导体开关管。
47.第一开关管n1，其控制端连接至驱动电路101输入端，接收mcu-1驱动信号，其第一端接地，其第二端与第二开关管q1的控制端连接。
48.第二开关管q1，其第一端连接至供电电压vcc，其第二端作为驱动电路101输出端，连接至电磁阀cn1第二端，并通过保护二极管d1接地。
49.具体地，在本实施方式中，所述供电电压vcc为12v。所述保护二极管d1为肖特基二极管，起到过压吸收的作用，保护电路以免击穿。在本发明的其他实施方式中，也可根据实际情况选择其他的二极管用于保护电路。
50.第一电阻r1一端连接至供电电压vcc，另一端连接至第一开关管n1的第二端及第二开关管q1的控制端。所述第一电阻r1为第一开关管n1的第二端及第二开关管q1的控制端提供限流作用。
51.具体的，所述第一开关管n1的控制端为基极，其第一端为发射极，第二端为集电极。所述第二开关管q1的控制端即为其栅极g，其第一端为源极s，第二端为漏极d。
52.在本发明的其他实施方式中，还可以在所述第一开关管n1的第二端与第二开关管q1的控制端之间设置第四电阻r4，用于限制流入第一开关管n1的电流；在第一开关管n1的控制端与驱动电路输入端之间设置第五电阻r5，用于保护单片机mcu-1引脚以及控制流入第一开关管n1的控制端的电流，并控制第一开关管n1的控制端的电压，使mcu-1提供高电平时能够开启开关管n1，mcu-1提供低电平时能够关断开关管n1；在第一开关管n1的控制端与第一端之间并联第六电阻r6，用于在第一开关管n1关断状态将mcu-1接地。
53.一个实施方式中，所述采样电路102包括：第二电阻r2和第三电阻r3。
54.所述第二电阻r2和第三电阻r3的公共端作为所述采样电路102的输出端，输出采样信号至单片机mcu-2引脚，所述第二电阻的另一端连接至电磁阀cn1第二端，第三电阻r3的另一端与电磁阀cn1第一端共地。
55.具体的，在本实施方式中，由于vcc为12v，所述第二电阻r2阻值为10kω，第三电阻r3阻值为2kω，因此当电磁阀cn1处于开启状态时mcu-2采集到电压值为2v。在实际情况中，本领域技术人员可根据实际需要调整第二电阻r2和第三电阻r3的阻值，并对应的调整电磁阀gn1处于开启状态时mcu-2应采集到的电压值。
56.在实际操作中，本领域技术人员可根据需要将第一电阻r1至第六电阻r6分别替换为若干个电阻的串联或并联，能够发挥上述作用即可。
57.进一步地，本发明还提供了一种传感器故障判断方法。
58.参阅附图2，图2是根据本发明的一个实施例的传感器故障判断方法的主要步骤流程示意图。如图2所示，本发明实施例中的传感器故障判断方法主要包括下列步骤s201-步骤s202。
59.步骤s201，基于上述任意一种电路，获取系统到达稳态前所述电磁阀工作状态，所述系统到达稳态即培养箱内二氧化碳气体浓度达到预设值后，其波动范围维持在预设的波动区间之内。
60.在本实施例中，所述培养箱内二氧化碳气体浓度达到预设值后，由于培养箱难以完全密闭，会有一定的气体泄漏，导致培养箱内二氧化碳气体浓度会在一定范围内波动，其
中二氧化碳气体泄漏的量称为静差。如果培养箱内二氧化碳气体浓度波动范围在维持在预设的波动区间之内，则可以通过在每个工作周期时长内按照预设的开启时长阈值tv打开电磁阀补充co2气体，消除静差，以维持所述培养箱内二氧化碳气体浓度始终在预设值附近，且无需再对电磁阀所需的开启时间进行计算。因此，将培养箱内二氧化碳气体浓度达到预设值后，其波动范围在维持预设的波动区间之内的状态称为系统到达稳态。
61.进一步地，请参阅附图3。图3是根据本发明的传感器故障判断方法对应于判断系统达到稳态的方法的详细步骤示意图。
62.如图3所示，本发明实施例中的判断系统达到稳态的方法包括下列步骤s301-步骤s302。
63.步骤s301，获取电磁阀开启状态下多个连续工作周期时长内的开启时长。
64.参照上述传感器故障判断电路的实施例，由于vcc为12v，所述第二电阻r2阻值为10kω，第三电阻r3阻值为2kω，因此当mcu-2采集到电压值为2v时，电磁阀cn1处于开启状态。在本实施方式中，即可通过获取多个连续工作周期时长内的mcu-2采集到电压值为2v的时长，获取电磁阀开启状态下多个连续工作周期时长内的开启时长。
65.在实际操作中，考虑到vcc欠压的情况，可以当mcu-2采集到电压值大于等于1.9v时，认为电磁阀cn1处于开启状态。
66.在其他实施方式中，本领域技术人员也可基于vcc的电压值、第二电阻r2和第三电阻r3的阻值，以及vcc可能出现的欠压状态，根据实际情况规定电磁阀cn1处于开启状态时mcu-2采集到电压值。
67.步骤s302，基于所述开启时长和预设开启时长阈值判断所述系统是否达到稳态：若所述多个连续工作周期时长内的开启时长均小于等于预设的开启时长阈值，则判定所述系统达到稳态。
68.示例性地，可以获取电磁阀开启状态下10个连续工作周期时长内的开启时长，记录为t’1至t’10，若所述10个连续工作周期时长内的开启时长均小于等于预设的开启时长阈值tv，即t’1至t’10均小于等于tv，则判定所述系统达到稳态；在本实施方式中，设置用于维持系统稳态的开启时长阈值tv为100ms。在其他实施方式中，所述多个连续工作周期的数量以及开启时长阈值tv可以根据实际需要选取。
69.步骤s202：基于系统到达稳态前所述电磁阀工作状态判断所述传感器是否存在故障。
70.在本实施例中，基于系统到达稳态前所述电磁阀工作状态判断所述传感器是否存在故障包括：系统到达稳态前，电磁阀在各工作周期内开启时长的总和远大于预设电磁阀开启总时长阈值，或电磁阀在各工作周期内开启时长的总和大于预设电磁阀开启总时长阈值的a倍，a≥1，则所述传感器存在故障。
71.在一个实施方式中，若系统到达稳态前经过n个工作周期，电磁阀在各工作周期内开启时长的总和t＝t1+t2+t3+
……
+tn，其中t1为第1个工作周期内的电磁阀开启时长，t2为第2个工作周期内的电磁阀开启时长
……
。
72.其中，预设电磁阀开启总时长阈值t0，可以根据培养箱内co2气体浓度的预设值得出。由于培养箱内co2气体浓度的预设值c％、培养箱内容积v均为已知量，根据vol＝c％*v(1)计算co2气体浓度到达预设值时培养箱内co2气体的量vol；由于储存co2气体的钢瓶压力
p与电磁阀的径流量f成正比关系，计算电磁阀的径流量f＝k*p(2)，其中k为常数。结合公式(1)、(2)，即可得出电磁阀开启总时长阈值t0＝vol/f，即为系统到达稳态前电磁阀需要打开的最短总时长。
73.由于电磁阀的工作模式为：设置固定的时长t作为工作周期，在每个工作周期内，电磁阀均会开启一次，以向培养箱内补充co2气体；随着培养箱内co2气体浓度接近预设值c％，电磁阀在每个工作周期内开启的时长逐渐缩短，直至系统达到稳态后，电磁阀在每个工作周期内开启时长维持在预设的开启时长阈值tv，用于消除静差，维持系统稳态。
74.因此，当传感器故障时，若传感器一直传送数值0或者某一固定值，则电磁阀会以固定开启时长工作：如果传感器这时候传送的值为0，则电磁阀会在每个工作周期以最大开启时长工作；果传感器这时候传送的值为某一固定值，则电磁阀会在每个工作周期以该固定值对应的开启时长工作。当传感器故障时，传感器传送的数值还可能会在一定范围内跳变，则电磁阀会以对应该跳变数值的开启时长工作。
75.在本实施方式中，系统到达稳态前，若t》》t0，或t》a*t0(其中a≥1)，则所述传感器存在故障。
76.上述技术方案可以检出电磁阀在各工作周期内开启时长的总和t远超过预设电磁阀开启总时长阈值t0的情况，即检出传感器传送数值一直为0或者某一较大固定值、以及数值在较大值区间跳变等引起二氧化碳培养箱内co2气体浓度过高的故障，保障实验人员的人身安全。
77.基于上述步骤s201-步骤s202，实施本发明的技术方案中的传感器故障判断方法，能够基于系统到达稳态前所述电磁阀工作状态判断所述传感器是否存在故障，有效的识别出二氧化碳培养箱中传感器与控制器通信过程中，发送错误的数值导致控制器认为箱内气体浓度未达到设定值而不断地打开电磁阀的故障，避免造成co2气体浓度失控的危害。
78.进一步地，本发明还提供了一种浓度预警判断方法。
79.请参阅附图4。图4是根据本发明的一个实施例的浓度预警判断方法主要步骤流程图。
80.如图4所示，本发明实施例中的浓度预警判断方法，应用于二氧化碳培养箱，所述培养箱包括传感器和电磁阀，通过电磁阀的开启控制二氧化碳气体进入培养箱内，通过传感器获取培养箱内二氧化碳气体浓度并进行反馈，所述浓度预警判断方法主要包括下列步骤s401-步骤s402。
81.步骤s401，采用上述任一种传感器故障判断方法对所述传感器进行故障判断；
82.步骤s402，若判断为所述传感器发生故障，则启动浓度预警。
83.示例性地，本发明提供一个实施例。图5是本发明的一个实施例的浓度预警判断方法对应于整个检测流程的详细步骤流程图，具体包括下列步骤s501-步骤s505。
84.步骤s501，在系统到达稳态前，判断每个工作周期内mcu-2采集到电压值是否满足vad≥1.9v；若不满足，则执行步骤s502；若满足，则执行步骤s503；
85.步骤s502，定时器计数清零，不记录电磁阀在各工作周期内未开启的时长；
86.步骤s503，定时器计数t1、t2
……
，记录电磁阀在各工作周期内开启的时长；
87.步骤s504，获得电磁阀在各工作周期内开启时长的总和t t＝t1+t2
……
；
88.步骤s505，判断电磁阀在各工作周期内开启时长的总和是否满足t》》t0或t》a*t0，
a≥1；若满足，则监测到传感器故障，启动浓度预警；若不满足，则未监测到传感器故障，返回步骤s501，继续进行传感器故障判断。
89.需要指出的是，尽管上述实施例中将各个步骤按照特定的先后顺序进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本发明的效果，不同的步骤之间并非必须按照这样的顺序执行，其可以同时(并行)执行或以其他顺序执行，这些变化都在本发明的保护范围之内。
90.本领域技术人员能够理解的是，本发明实现上述一实施例的方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器、随机存取存储器、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读存储介质不包括电载波信号和电信信号。
91.进一步地，本发明还提供了一种电子设备。
92.请参阅附图6。图6是用于执行本发明的传感器故障判断方法或浓度预警判断方法的电子设备的主要结构框图。
93.在根据本发明的一个电子设备实施例中，电子设备包括处理器601和存储器602，存储器602可以被配置成存储执行上述方法实施例的传感器故障判断方法或浓度预警判断方法的程序代码603，处理器601可以被配置成用于执行存储器602中的程序代码603，该程序代码603包括但不限于执行上述方法实施例的传感器故障判断方法或浓度预警判断方法的程序代码603。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。
94.进一步地，本发明还提供了一种计算机可读存储介质。在根据本发明的一个计算机可读存储介质实施例中，计算机可读存储介质可以被配置成存储执行上述方法实施例的传感器故障判断方法或浓度预警判断方法的程序，该程序可以由处理器加载并运行以实现上述传感器故障判断方法或浓度预警判断方法。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。该计算机可读存储介质可以是包括各种电子设备形成的存储装置设备，可选的，本发明实施例中计算机可读存储介质是非暂时性的计算机可读存储介质。
95.进一步地，本发明还提供了一种二氧化碳培养箱，所述二氧化碳培养箱包括培养箱本体及上述的电子设备。
96.应该理解的是，由于各个模块的设定仅仅是为了说明本发明的装置的功能单元，这些模块对应的物理器件可以是处理器本身，或者处理器中软件的一部分，硬件的一部分，或者软件和硬件结合的一部分。因此，图中的各个模块的数量仅仅是示意性的。
97.本领域技术人员能够理解的是，可以对装置中的各个模块进行适应性地拆分或合并。对具体模块的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分或合
并之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。
98.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。