无线充电便携式气体检测仪设计

邓 岩 黄剑华 莫恃标

（江西师范大学物理与通信电子学院，江西 南昌 330022）

目前，采用电化学传感器作为检测元件的便携式高精度气体检测仪成本相对较高，大多数采用锂电池供电，充电接口频繁插拔，给操作带来了不便，在某些恶劣的工作环境下，亦容易导致触点接触不良甚至损坏仪器，而且在一些工业应用场合，当有毒气体浓度达到预警值时，需立即做出相应的施救措施，如关闭气体阀门，停止生产机器运转等。本文针对这些问题，设计了低成本无线便携式气体检测仪，测量误差≤±5%，具有4-20mA工业标准输出，与当前流行的模拟量输出上位机、PLC等控制器相匹配，实现实时通信。

1 系统总体方案设计

系统采用频率跟踪式谐振耦合无线供电方案给锂电池充电，电化学传感器在恒电势电路作用下输出uA级跟气体浓度成比例的电流，经过运算放大电路转换为合适电压供ADC采样。

2 硬件电路设计

2.1 无线充电模块电路

根据电能传输原理的不同，无线电能传输电磁感应式、电磁共振式、微波式三种［1］。电磁感应式输电采用交流电通过发射线圈，在接受线圈产生电动势，传输距离短，功率小，电磁共振式利用磁耦合共振效应实现中距离供电，传输效率高［2-3］，微波式通过电力转换为电波，以辐射传输供电。本文结合便携式气体检测仪的特点，选用电磁共振式无线输电，本系统采用低成本XTK-408A频率跟踪式谐振耦合无线供电方案，发射线圈直径0.5mm，线圈外径38mm，电感量30uH。无线供电接收电路接收线圈直径0.5mm，线圈外径18mm，电感量10uH，接收电流150～200mA。

2.2 锂电池充电电路

锂电池充电电路采用TL4056芯片，TL4056可以对单节锂电子电池进行恒流/恒压充电，电源电压掉电自动进入休眠状态，具有电池温度监测功能，防止锂电池温度过高或过低导致损坏，只需极少的外部元件，成本低，恒压充电电压为4.2V，精度达1%。R为电流设置端电阻，充电电流为：

2.3 DC-DC电路

为了实现低功耗，系统采用3.3V电源供电。运放采用±3.3V双电源供， XTR111供电电压为9V，而锂电池供电电压为4V，则需设计高效率的降压、升压、反压电路。电源电路采用TI公司MC33063电源芯片，最大工作频率为100k。由于开关电源产生的噪声将引起运放输出端的噪声［4］，设计为了减小纹波电源，则需提高开关频率，开关频率增大，所需最小电感值、输出电容值减小，系统体积相应减小，根据表1估算出定时电容，电感和输出电容，本系统在输出端加LC低通滤波器，最终通过示波器测得电源纹波控制在VPP=20mV内。

表1 元件选型计算公式

升压和反压计算公式相同，Vsat为开关输出饱和电压，ton为开关闭合时间，toff开关断开时间，Ipk（switch）输入电流最大值，Vsat、Vripple（pp）为纹波电压峰值。

3 软件设计

AD采样电路采用16位的ADS1110，功耗低，内置1，2，4，8增益，集成2.048V参考电压，精度为0.05%，最高位为符号位，能实现-2.048～+2.048V电压采样，系统采用意法半导体公司STM8S105S单片机作为主控制器，在IAR1.4.11编译器上通过C语言完成了对ADS1110，DAC7311，OLED以及按键等模块的驱动和软件开发，为实现良好的操控性能，设计了友好的人机交互界面。系统校准算法采用两点校准方法，假设气体浓度为P1，P2，P2＞P1，则对应AD采样电压为V1，V2，计算出灵敏度：

则测得浓度为：

4 测试结果分析

在仪器软硬件调试完成后，进行了系统测试与分析，测试气体为NH3，用流量控制器控制气体浓度，在NH3浓度为0ppm和50ppm两点校准仪器后，从0ppm开始测试，每增加25ppm测试一次，用6位半数字万用表测量传感器驱动电路输出电流Ii和仪器输出电流Iout，并进行重复测量，测量结果如下表所示。

从测试结果可以看出，在测量0～100ppm氨气时，仪器显示误差控制在5%以内，气体浓度越高输出电流误差越小，输出电流误差主要由DAC7311参考电压精度引起。

表2 测试结果

5 结语

基于电化学传感器为检测元件的无线充电便携式传感器，采用低成本的频率跟踪式谐振耦合无线供电方案，增加4-20mA工业标准输出，实现实时与带模拟量输出的控制器通信，为工业实时监控提供方便。测试结果表明，气体测量误差≤±5%，精度和稳定性较高，具有良好的工程使用价值。

［1］傅文珍，张波，丘东元.频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统研究.变频器世界［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.运算放大器权威指南［M］.北京：人民邮电出版社，2010.