無線充電便攜式氣體檢測儀設計

鄧 巖 黃劍華 莫恃標

（江西師范大學物理與通信電子學院，江西 南昌 330022）

目前，采用電化學傳感器作為檢測元件的便攜式高精度氣體檢測儀成本相對較高，大多數采用鋰電池供電，充電接口頻繁插拔，給操作帶來了不便，在某些惡劣的工作環境下，亦容易導致觸點接觸不良甚至損壞儀器，而且在一些工業應用場合，當有毒氣體濃度達到預警值時，需立即做出相應的施救措施，如關閉氣體閥門，停止生產機器運轉等。本文針對這些問題，設計了低成本無線便攜式氣體檢測儀，測量誤差≤±5%，具有4-20mA工業標準輸出，與當前流行的模擬量輸出上位機、PLC等控制器相匹配，實現實時通信。

1 系統總體方案設計

系統采用頻率跟蹤式諧振耦合無線供電方案給鋰電池充電，電化學傳感器在恒電勢電路作用下輸出uA級跟氣體濃度成比例的電流，經過運算放大電路轉換為合適電壓供ADC采樣。

2 硬件電路設計

2.1 無線充電模塊電路

根據電能傳輸原理的不同，無線電能傳輸電磁感應式、電磁共振式、微波式三種［1］。電磁感應式輸電采用交流電通過發射線圈，在接受線圈產生電動勢，傳輸距離短，功率小，電磁共振式利用磁耦合共振效應實現中距離供電，傳輸效率高［2-3］，微波式通過電力轉換為電波，以輻射傳輸供電。本文結合便攜式氣體檢測儀的特點，選用電磁共振式無線輸電，本系統采用低成本XTK-408A頻率跟蹤式諧振耦合無線供電方案，發射線圈直徑0.5mm，線圈外徑38mm，電感量30uH。無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可以對單節鋰電子電池進行恒流/恒壓充電，電源電壓掉電自動進入休眠狀態，具有電池溫度監測功能，防止鋰電池溫度過高或過低導致損壞，只需極少的外部元件，成本低，恒壓充電電壓為4.2V，精度達1%。R為電流設置端電阻，充電電流為：

2.3 DC-DC電路

為了實現低功耗，系統采用3.3V電源供電。運放采用±3.3V雙電源供， XTR111供電電壓為9V，而鋰電池供電電壓為4V，則需設計高效率的降壓、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。由于開關電源產生的噪聲將引起運放輸出端的噪聲［4］，設計為了減小紋波電源，則需提高開關頻率，開關頻率增大，所需最小電感值、輸出電容值減小，系統體積相應減小，根據表1估算出定時電容，電感和輸出電容，本系統在輸出端加LC低通濾波器，最終通過示波器測得電源紋波控制在VPP=20mV內。

表1 元件選型計算公式

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

3 軟件設計

AD采樣電路采用16位的ADS1110，功耗低，內置1，2，4，8增益，集成2.048V參考電壓，精度為0.05%，最高位為符號位，能實現-2.048～+2.048V電壓采樣，系統采用意法半導體公司STM8S105S單片機作為主控制器，在IAR1.4.11編譯器上通過C語言完成了對ADS1110，DAC7311，OLED以及按鍵等模塊的驅動和軟件開發，為實現良好的操控性能，設計了友好的人機交互界面。系統校準算法采用兩點校準方法，假設氣體濃度為P1，P2，P2＞P1，則對應AD采樣電壓為V1，V2，計算出靈敏度：

則測得濃度為：

4 測試結果分析

在儀器軟硬件調試完成后，進行了系統測試與分析，測試氣體為NH3，用流量控制器控制氣體濃度，在NH3濃度為0ppm和50ppm兩點校準儀器后，從0ppm開始測試，每增加25ppm測試一次，用6位半數字萬用表測量傳感器驅動電路輸出電流Ii和儀器輸出電流Iout，并進行重復測量，測量結果如下表所示。

從測試結果可以看出，在測量0～100ppm氨氣時，儀器顯示誤差控制在5%以內，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 測試結果

5 結語

基于電化學傳感器為檢測元件的無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線供電方案，增加4-20mA工業標準輸出，實現實時與帶模擬量輸出的控制器通信，為工業實時監控提供方便。測試結果表明，氣體測量誤差≤±5%，精度和穩定性較高，具有良好的工程使用價值。

［1］傅文珍，張波，丘東元.頻率跟蹤式諧振耦合電能無線傳輸系統研究.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.運算放大器權威指南［M］.北京：人民郵電出版社，2010.