無(wú)線充電便攜式氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

鄧 巖 黃劍華 莫恃標(biāo)

（江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院，江西 南昌 330022）

目前，采用電化學(xué)傳感器作為檢測(cè)元件的便攜式高精度氣體檢測(cè)儀成本相對(duì)較高，大多數(shù)采用鋰電池供電，充電接口頻繁插拔，給操作帶來(lái)了不便，在某些惡劣的工作環(huán)境下，亦容易導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸不良甚至損壞儀器，而且在一些工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)有毒氣體濃度達(dá)到預(yù)警值時(shí)，需立即做出相應(yīng)的施救措施，如關(guān)閉氣體閥門，停止生產(chǎn)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)等。本文針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了低成本無(wú)線便攜式氣體檢測(cè)儀，測(cè)量誤差≤±5%，具有4-20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)輸出，與當(dāng)前流行的模擬量輸出上位機(jī)、PLC等控制器相匹配，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用頻率跟蹤式諧振耦合無(wú)線供電方案給鋰電池充電，電化學(xué)傳感器在恒電勢(shì)電路作用下輸出uA級(jí)跟氣體濃度成比例的電流，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路轉(zhuǎn)換為合適電壓供ADC采樣。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線充電模塊電路

根據(jù)電能傳輸原理的不同，無(wú)線電能傳輸電磁感應(yīng)式、電磁共振式、微波式三種［1］。電磁感應(yīng)式輸電采用交流電通過(guò)發(fā)射線圈，在接受線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，傳輸距離短，功率小，電磁共振式利用磁耦合共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)中距離供電，傳輸效率高［2-3］，微波式通過(guò)電力轉(zhuǎn)換為電波，以輻射傳輸供電。本文結(jié)合便攜式氣體檢測(cè)儀的特點(diǎn)，選用電磁共振式無(wú)線輸電，本系統(tǒng)采用低成本XTK-408A頻率跟蹤式諧振耦合無(wú)線供電方案，發(fā)射線圈直徑0.5mm，線圈外徑38mm，電感量30uH。無(wú)線供電接收電路接收線圈直徑0.5mm，線圈外徑18mm，電感量10uH，接收電流150～200mA。

2.2 鋰電池充電電路

鋰電池充電電路采用TL4056芯片，TL4056可以對(duì)單節(jié)鋰電子電池進(jìn)行恒流/恒壓充電，電源電壓掉電自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，具有電池溫度監(jiān)測(cè)功能，防止鋰電池溫度過(guò)高或過(guò)低導(dǎo)致?lián)p壞，只需極少的外部元件，成本低，恒壓充電電壓為4.2V，精度達(dá)1%。R為電流設(shè)置端電阻，充電電流為：

2.3 DC-DC電路

為了實(shí)現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)采用3.3V電源供電。運(yùn)放采用±3.3V雙電源供， XTR111供電電壓為9V，而鋰電池供電電壓為4V，則需設(shè)計(jì)高效率的降壓、升壓、反壓電路。電源電路采用TI公司MC33063電源芯片，最大工作頻率為100k。由于開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲將引起運(yùn)放輸出端的噪聲［4］，設(shè)計(jì)為了減小紋波電源，則需提高開關(guān)頻率，開關(guān)頻率增大，所需最小電感值、輸出電容值減小，系統(tǒng)體積相應(yīng)減小，根據(jù)表1估算出定時(shí)電容，電感和輸出電容，本系統(tǒng)在輸出端加LC低通濾波器，最終通過(guò)示波器測(cè)得電源紋波控制在VPP=20mV內(nèi)。

表1 元件選型計(jì)算公式

升壓和反壓計(jì)算公式相同，Vsat為開關(guān)輸出飽和電壓，ton為開關(guān)閉合時(shí)間，toff開關(guān)斷開時(shí)間，Ipk（switch）輸入電流最大值，Vsat、Vripple（pp）為紋波電壓峰值。

3 軟件設(shè)計(jì)

AD采樣電路采用16位的ADS1110，功耗低，內(nèi)置1，2，4，8增益，集成2.048V參考電壓，精度為0.05%，最高位為符號(hào)位，能實(shí)現(xiàn)-2.048～+2.048V電壓采樣，系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司STM8S105S單片機(jī)作為主控制器，在IAR1.4.11編譯器上通過(guò)C語(yǔ)言完成了對(duì)ADS1110，DAC7311，OLED以及按鍵等模塊的驅(qū)動(dòng)和軟件開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)良好的操控性能，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面。系統(tǒng)校準(zhǔn)算法采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)方法，假設(shè)氣體濃度為P1，P2，P2＞P1，則對(duì)應(yīng)AD采樣電壓為V1，V2，計(jì)算出靈敏度：

則測(cè)得濃度為：

4 測(cè)試結(jié)果分析

在儀器軟硬件調(diào)試完成后，進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試與分析，測(cè)試氣體為NH3，用流量控制器控制氣體濃度，在NH3濃度為0ppm和50ppm兩點(diǎn)校準(zhǔn)儀器后，從0ppm開始測(cè)試，每增加25ppm測(cè)試一次，用6位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量傳感器驅(qū)動(dòng)電路輸出電流Ii和儀器輸出電流Iout，并進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下表所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在測(cè)量0～100ppm氨氣時(shí)，儀器顯示誤差控制在5%以內(nèi)，氣體濃度越高輸出電流誤差越小，輸出電流誤差主要由DAC7311參考電壓精度引起。

表2 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

基于電化學(xué)傳感器為檢測(cè)元件的無(wú)線充電便攜式傳感器，采用低成本的頻率跟蹤式諧振耦合無(wú)線供電方案，增加4-20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)輸出，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)與帶模擬量輸出的控制器通信，為工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控提供方便。測(cè)試結(jié)果表明，氣體測(cè)量誤差≤±5%，精度和穩(wěn)定性較高，具有良好的工程使用價(jià)值。

［1］傅文珍，張波，丘東元.頻率跟蹤式諧振耦合電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)研究.變頻器世界［J］.2009（8）：41-46.

［2］Aristeidis Karalis，J.D.Joannopoulos，MarinSoljacˇic′.Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer［J］.Annals of Physics，2008，3（23）：34-48.

［3］André Kurs，AristeidisKaralis，RobertMoffatt，J.D.Joannopoulos，Peter Fisher，MarinSoljacˇic′ .Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances［J］.Sciencexpress，2007，10（1126）：1-4.

［4］Bruce Carter，Ron Mancini.運(yùn)算放大器權(quán)威指南［M］.北京：人民郵電出版社，2010.