赛默飞Forma 3111培养箱电气原理与系统说明书

一、概述

赛默飞Forma 3111型CO₂培养箱是一种高精度恒温恒湿设备，广泛应用于生物医药、组织培养、分子生物学及微生物学领域。设备的性能稳定性依赖于完善的电气控制系统，该系统是培养箱的核心神经中枢，负责对加热、传感、气体、报警、显示等各子系统进行综合调控。

3111型号的电气设计延续了赛默飞直热式系列的控制逻辑，但在可靠性、抗干扰性、安全保护等方面进行了优化。其电气原理采用模块化布局，控制部分与执行部分分层分区，便于维护与检测。

二、系统总体电气结构

1. 电气系统组成

Forma 3111的电气系统由以下部分构成：

1. 主电源输入与配电单元

2. 控制电路模块（主控板）

3. 温度与气体传感系统

4. 加热与执行系统

5. 显示与操作系统

6. 安全保护与报警系统

这些模块通过线束及端子连接形成完整的电气网络。主控制板是整个系统的核心，接收传感信号后输出控制信号，驱动继电器、固态模块及执行器完成闭环调节。

2. 电气原理总体框架

从功能逻辑上，3111型培养箱的电气系统可分为“信号采集—控制处理—功率执行—状态反馈”四个环节：

1. 信号采集：温度、CO₂浓度、门开状态、过温信号由传感器采集并传输至控制板；

2. 控制处理：微处理器根据设定参数与反馈信号进行PID运算；

3. 功率执行：控制板输出调节信号至加热器继电器、气体电磁阀、风扇及指示系统；

4. 状态反馈：显示模块实时显示运行状态，并将异常信号传至报警电路。

整套系统形成闭环调控回路，确保温度、气体浓度及湿度稳定在设定值。

三、电源系统原理

1. 主电源输入

设备电源为 AC 220V ±10%，50/60Hz 单相交流。电源经**滤波器（EMI Filter）**进入设备，滤除高频干扰后分配至两路：

• 一路供给主控制电路（低压回路）；

• 一路经继电器及保险丝供给加热与执行回路（高压回路）。

2. 电源变换

在主控制板上，配置有开关稳压电源模块（SMPS），将220V交流转换为多组低压直流：

• +12V：供风扇、继电器线圈及指示灯使用；

• +5V：供微处理器、显示器、传感器信号电路；

• -5V或3.3V：用于模拟信号放大及AD转换模块。

每组电压均经稳压芯片及滤波电容稳定输出，以保证测控信号准确。

3. 电源保护

主电源入口设有：

• 保险丝（Fuse）：防止短路或过载；

• 浪涌吸收器（MOV）：吸收瞬时高压冲击；

• 漏电保护装置：确保安全接地，避免电击风险。

一旦加热器短路或线路异常，保险丝熔断，系统断电保护。

四、主控制系统电路原理

1. 微处理器控制单元

主控单元采用嵌入式微处理器芯片，集成AD转换、PWM输出、键盘扫描、显示控制等功能。

主要输入信号包括：

• 主温度传感器（PT100或NTC）电阻值；

• 安全温度传感器电压信号；

• CO₂传感器输出（0–5V模拟量）；

• 门开关、报警信号等数字输入。

输出信号包括：

• 加热控制（PWM调制信号）；

• 风扇控制；

• 电磁阀控制；

• 报警输出及显示驱动信号。

微处理器对温度误差进行PID算法运算，实时调整输出电平，实现平滑温控。

2. 模拟量处理电路

温度与气体信号为模拟量输入，经以下处理过程：

1. 信号经电阻分压、滤波处理；

2. 通过运算放大器进行线性化与放大；

3. 送入AD转换模块，转换为数字信号；

4. 由CPU进行逻辑计算与控制输出。

此电路保证信号精度在±0.05V以内，抗干扰能力强。

3. 通信与显示接口

显示模块与控制主板通过串行通信连接（如I²C或UART）。数码管或液晶屏用于显示温度、CO₂浓度及报警状态。操作按键输入采用矩阵扫描方式，数据回传主控单元进行响应。

五、加热与执行系统电气原理

1. 加热器控制回路

加热系统包括底部、背部、门体三组加热元件。其电气原理如下：

1. 主控板输出PWM信号；

2. 信号经光耦隔离后驱动固态继电器（SSR）；

3. SSR控制220V交流电通断，调节加热功率；

4. 各加热器并联连接于主电源线路，功率输出由控制信号分配。

此方式避免了电磁继电器频繁吸合带来的噪音与机械磨损，提高控制精度。

2. 风扇与循环系统

风扇电机由+12V电源供电，受主控板逻辑控制。风扇信号通过晶体管开关电路驱动，可根据温度变化自动调整运行周期，确保腔体气流均匀。

3. 门体加热与防冷凝回路

门加热元件独立控制，通过温度补偿电路保持门体表面略高于室温，防止冷凝水形成。该回路由独立热敏电阻反馈控制，并受安全继电器保护。

六、传感器与信号检测系统

1. 温度传感器

• 主温度传感器：安装于腔体中央，检测实际温度；

• 安全传感器：独立检测过温状态，连接至保护电路。

两者输出信号独立，若主传感器失效，安全传感器接管过温保护，防止异常升温。

2. CO₂传感器

使用红外吸收（IR）式传感器，工作电压5V，输出0–5V模拟信号。控制板对信号进行滤波与温度补偿，以防因热漂移造成浓度误差。

3. 门开检测开关

安装在门框位置，为磁感应或机械微动开关。当门打开时信号置高，主控板立即暂停CO₂气体供给并增加加热功率补偿。

七、安全与报警系统电气原理

1. 过温保护电路

过温保护采用双回路：

• 主控温回路：由主传感器与PID算法控制；

• 独立安全回路：由安全温控器（双金属片或热敏元件）直接切断加热电源。

当温度超过上限（设定值+2～3 ℃），安全回路动作，继电器断开，加热器立即停止工作。

2. 电源故障保护

在断电或电压异常时，控制板通过监测供电电压判断故障，触发蜂鸣器报警并记录状态。重新上电后系统自动进入“安全启动”模式，检测传感器状态后恢复运行。

3. 声光报警模块

报警输出电路包括蜂鸣器与指示灯：

• 由主控板输出驱动信号；

• 晶体管放大后控制蜂鸣器发声；

• 红色LED闪烁指示异常类型。

常见报警包括：温度异常、CO₂浓度超限、门开时间过长、传感器失效等。

八、显示与操作控制电路

1. 显示部分

面板采用多位数码显示或LCD模块，显示内容包括：

• 实际温度与设定温度；

• CO₂浓度值；

• 报警代码；

• 工作状态指示（RUN/CAL/ALM）。

显示模块由单独的驱动芯片控制，数据由主控制板通过串行通信实时刷新。

2. 按键输入电路

操作面板设有“MODE”、“UP”、“DOWN”、“ENTER”等按键。

• 每个按键接入独立输入端口；

• 控制板周期扫描按键状态；

• 长按或短按执行不同功能（设定、校准、确认等）。

按键信号经过去抖处理，防止误触发。

九、接地与屏蔽系统

为提高抗干扰能力，3111型号在电气设计中设置完整的接地与屏蔽体系：

1. 保护接地（PE）：机壳、门体、加热器外壳均与地线相连；

2. 信号地（SG）：传感器电路独立接地，与功率地分离；

3. 屏蔽层：关键信号线采用双绞屏蔽电缆，并单端接地；

4. 防雷与浪涌保护：电源入口处安装压敏电阻及滤波电容。

此设计可有效抑制电磁干扰，提高测控精度。

十、控制逻辑工作流程

1. 通电后，控制板完成自检，确认传感器、显示及通信正常；

2. 系统进入“加热启动阶段”，底部加热器全功率输出；

3. 温度逐渐接近设定值时，PID控制逐步减小功率；

4. 同时检测CO₂信号，自动开启气体阀门补充气体；

5. 当所有参数稳定后，系统进入“恒温恒气运行状态”；

6. 若门被打开，系统自动暂停气体供给并补偿温度；

7. 出现异常信号时，报警电路立即响应并显示故障。

整个控制逻辑由程序固化在微处理器内部，执行速度快、稳定性高。

十一、信号流程与电气连接示意（文字版）

• L/N（电源） → EMI滤波器 → 主控板电源模块

• 主控板 → 固态继电器（SSR） → 加热器（底部/背部/门体） → N

• 主控板 → 驱动电路 → 风扇电机（12V）

• 主控板 → 驱动模块 → CO₂电磁阀

• 温度传感器/PT100 → 信号放大电路 → AD模块 → 主控板

• CO₂传感器 → 模拟输入端 → 控制运算 → 输出控制

• 安全温控器 → 继电器控制端 → 加热回路断开保护

• 报警输出端 → 蜂鸣器 + LED指示

• 显示板 ↔ 主控板通信端口（UART/I²C）

整个信号路径从输入到输出形成闭合控制环路，实现全自动运行。

十二、电气系统特性与设计优势

1. 高可靠性：采用固态继电器与光耦隔离技术，避免机械损耗与干扰。

2. 抗干扰能力强：信号地与功率地分离设计，保证模拟测量精度。

3. 安全防护完善：双重温控保护与保险丝多级防护。

4. 模块化结构：便于快速维护与部件更换。

5. 节能设计：PID调节平滑输出，降低加热能耗。

6. 智能自检：通电自诊断功能可检测传感器、气阀及电源状态。

十三、维护与检修要点

1. 检修前必须断开主电源，并确认内部电容放电完毕；

2. 定期检查保险丝、接线端子及线束是否老化；

3. 检查电源滤波器及接地线连接是否牢固；

4. 若加热异常，应检测SSR及加热器电阻是否正常；

5. 若显示异常，检查主控板与显示板通信接口；

6. 对CO₂控制故障，应校验传感器信号电压（0–5V）；

7. 使用绝缘万用表测量电源与外壳之间的绝缘电阻，应≥5MΩ。

十四、电气安全标准与要求

• 设备符合IEC 61010-1及GB4793.1安全标准；

• 保护等级：Class I；

• 绝缘耐压：1500V AC/1分钟无击穿；

• 接地电阻：≤0.1Ω；

• 外壳防护等级：IP20。

在任何维护或操作过程中，操作人员应穿戴防静电手环，避免静电损伤电路元件。

十五、总结

赛默飞Forma 3111型CO₂培养箱的电气系统是基于微处理器控制与多级保护逻辑构建的集成化平台。

• 电源模块负责稳定供电与防护；

• 控制模块执行PID算法，实现高精度温度与气体控制；

• 加热模块采用固态继电器驱动，实现快速响应与低噪音；

• 安全系统采用双回路保护，确保运行安全；

• 显示与报警模块实现信息可视化与故障自诊断。

通过合理的电气设计与控制逻辑，3111培养箱可实现温度精度±0.1 ℃、气体控制误差±0.2%、安全响应时间小于1秒，全面满足科研及生产对恒温恒气培养环境的高要求。

科学理解其电气原理，有助于操作人员正确使用、维护与故障排查，延长设备使用寿命并保障实验安全。