1 测量原理*
水分测量是根据吸湿并电解水分的原理进行工作的。当被分析的样气进入电解池内，气体中的水分即被涂敷在探头表面的吸湿剂完全吸收，并被加在探头电极上的直流电压电解成 H2和 O2随样气排出。在电解过程中，产生电解电流。根据法拉第电解定律和气体状态方程可导出，在一定温度、压力和流量条件下产生的电解电流正比于气体中的水含量。测量出电解电流就测出了水的含量。
硫化氢检测是根据电化学的原理制成的，传感器有参考、计数和工作 3 个电极。其中工作电极响应被检测气体，通过化学反应，产生与气体浓度成比例的电流，电流都由传感器的计数电极产生。电流可以用下面的公式来计算:
传感器输出 = 灵敏度 × 气体浓度
如果单从电气的角度来看，水分和硫化氢传感器的功能就是在特定的条件下，把所要测量的气体含量转变为一个对应的电流信号。
2 系统硬件构成
整体系统的基本流程是: 先把待测的气体中的水分和硫化氢含量值转换为对应的电信号，再经过模数转换和数据处理，最后以两种形式输出( 液晶显示和 4 ～20mA 电流) 。
本设计的系统电路主要包括 3 个组成部分:信号发生电路( 为传感器提供所必需的电气条件) 、数字电路和人机接口。当然，还包括电源、保护及滤波等常规电路部分，不再赘述。
2. 1 信号发生电路
图 1 是水分探头信号发生电路。只要给水分探头提供 45V 电压，即可把待测气体中的水含量转换为电流信号。不过，在具体电路设计时，还得考虑到一些比较特殊的情况，比如在大含量测量或者首次开机时，探头上通过的电解电流极大，此时探头已接近短路，如果还要按正常情况来提供45V 电压，势必会使电源模块因超功耗工作而烧坏。在实际电路中，采用一个 1. 2kΩ 的大功率( 6W) 电阻限流。在探头接近短路时，由于这个限流电阻的存在，使得 63V 电源的输出电流不超过 51mA，从而起到保护电源的作用。与此同时，由于探头自身流过的电流很大，使得 4 个串联稳压管上流过的电流不足，电压值也不会达到正常稳压时的 45V。图 1 中，D1 是 2. 5V 稳压管，在大电流时，用来限制取样电阻上的电压值，以保护后面的 A/D 转换器。
图 2 是硫化氢探头厂商推荐的信号发生电路。由于硫化氢探头的内部参考电极和计数电极( 图中 C 和 R 电极) 的精度要求很高，同时输出电流很小( 约 300mA) ，所以运放 U1 必须选用精密运放，以降低误差。在本电路中，运放 U1 选用的是 LT1078，其输入失调电压不大于 70μV，完全满足探头和电气误差控制的要求。图中的 Q1 是 P通道场效应管，在这里被用作一个电子开关，当系统停电时，它就把参考电极和工作电极短接。探输出的电流信号经过 R10、R23 取样，转为电压信号，提供给数/模转换器。一般来说，硫化氢信号发生电路与探头应该越短越好。在本电路中，直接把探头安装在信号发生电路上，再通过约20cm 的屏蔽线连接在主电路板上，从而大大地降低了干扰。
2. 2 数字电路
数字电路( 图 3) 的框架由 AD7705 + AT-MEGA16 + AD420 组成。其基本流程是把信号电路产生的电压信号由 AD7705 转换为数字量，然后把这个数字量输入 CPU( ATMEGA16) ，经过CPU 的计算、处理后，一路交由液晶显示，另一路交给 AD420，转换为对应的 4 ～20mA 电流输出。
AD 转换电路采用了 AD7705 芯片来实现。AD7705 是一个双通道的 16 位模数转换器，在采用 2. 5V 基准电压时，其最低位采样电压可小于40μV。AD7705 所需的外围比较简单，只需要为其提供参考电压和工作振荡即可[1]。本电路由LM336 提供 2. 5V 精准参考电压，2MHz 的外部晶振提供 AD 转换的振荡源。由于 AD7705 是双通道转换，水分和硫化氢可以直接由两路输入，避免了复杂的通道切换和采样保持电路。本电路把AD7705 的 DRDY 管脚( 转换完成标志) 连接在单片机 ATMEGA16 的中断上，当每一次转换完成后，就会引起单片机的一次中断响应，使得读 AD的适时性得到保证，不致丢失数据。
ATMEGA16 单片机是 AT 公司推出的一款性价比较高的产品，具有高性能 RISC CPU; 内带16KByte FLASH PROGRAM 存储器，采用低功耗COMS 工艺，支持在线编程 IAP 和应用自编程ISP; 带有 A / D 转换模块; 有 32 个独立双向 I / O口。此外，该芯片的内置模块也很丰富，如 WDT、EEPROM 及 SRAM 等[2]。所有这些特点，使得该芯片十分适用于仪表设计，原因如下:
a. CMOS 工艺使得芯片总功耗很低，极大地减少发热量，适应于密封条件( 如本设计的隔爆腔内安装) ;
b. 内置部件几乎满足了仪表设计需要的所有数字硬件，使得电路变得简单化，从而使运行更加稳定可靠;
c. 适当的模块集成，使得价格降低。
在本电路中，并没有选用 ATMEGA16 内置的10 位 AD 作为系统模数转换器，主要是考虑到其精度偏低，会引起整个系统的误差较大。在进行数据传输时，单片机 ATMEGA16 与外围数字器件( 如 AD7705、AD420、LCD) 均采用串行通信方式，使得整体电路的连线进一步减少。
AD420 是 AD 公司生产的专用的 4 ～ 20mA数字/电流转换器，自身内置了电流放大电路，无需再外接三极管或场效应管驱动。这种将电流放大电路内置的构造，使 AD420 具有了很好的性能特点，能够在复杂的工业环境中长期可靠地运行。此外，AD420 软件操作简单，通过 spi 三线标准直接传送 16 位转换数据即可，不需要任何的定时查错及重置驱动等程序。图 3 中的电容 C11 和 C12是 AD 公司推荐的 AD420 外围电路，为其内部滤波器提供保障。在实际应用时，可根据电流输出的路数，插入或拔出对应的 AD420 芯片，以节约 成本。
2. 3 人机接口
本设计选用 128 × 64 点的液晶作为显示屏，显示尺寸 33mm ×67mm。该款液晶功耗较低( 实测约 0. 6mA) ，可以显示汉字菜单，自带独立蓝色高亮背光( 可串在功耗电路，不必另加电流驱动) 。液晶有内置的 LCD 点阵驱动芯片，可以直接连接在 MCU 的 I/O 口上，通过控制管脚和数字I / O 传输指令，就可以随意地点亮液晶点阵的任意点。
键盘设计为 6 个触摸式按键，分别定义为: 确定/进入、取消/退出、左移、右移、向上和向下。键盘连接口为 2 × 3 矩阵结构，直接连接在 AT-MEGA16 的 I / O 口上。由单片机的 T / C1 产生定时中断，用中断方式扫描键盘，以保证迅速地进入按键程序入口。
仪表为中文菜单，人机交互友好，通过键盘与液晶的配合，可以比较便利地完成标定和参数设置工作。
3 系统软件
系统软件采用 C 语言编写，WinaVr 编程平台。系统的软件运行有两种状态: 参数修改状态和正常测量状态。
在正常的测量模式下，AD7705 以 20Hz 的频率，将两路电压信号转换成 16 位的数字信号，输出到 MCU 的一个专门存放信号数据的存储区域中。MCU 采用滑动滤波和中位值平均滤波相结合的方法，不断对该存储区域的数据进行动态滤波。滤波后的数字信号与参数中的标定数据进行计算，就能得到所要测量的水分和硫化氢值。
MCU 再把该值与 EEPROM 中的量程参数进行计算，得到对应 4 ～ 20mA 电流值的 16 位整形数。最后，MCU 把计算所得的整型数传输给 AD420，由 AD420 以电流的方式输出。
单片机内置 EEPROM 中的参数包括: 标定值、量程及测量方式等，这些参数是程序正常运行必不可少的。在每次开机时，单片机会把这些参数取出，放入专门划分出来的一片 RAM 地址中。
如果要进行参数修改，首先程序会根据操作者所选择的菜单，取出相对应的 RAM 中的参数，操作者在修改这个参数的同时，程序会自动把修改后的参数写入对应的 EEPROM 中。在返回正常测量模式时，程序才会再一次读 EEPROM，刷新对应的 RAM 参数区。主程序如下:
void main( void)
{
iNItial( ) ; / / 单片机初始化
initial_eeprom( ) ; / / EEPROM 初始化，同时将参
数赋予固定 RAM
initial_lcd( ) ; / / 液晶初始化
init_7705( ) ; / / A / D 初始化
TIMSK = TIMSK|0x01; / / 开定时计数器 0 溢出中断
wdt_enable( ) ; / / 使能看门狗
while( 1)
{
wdt_reset( ) ; / / 喂狗
key_change( ) ; / / 按键处理程序
status_dis( ) ; / / 在不同状态下，显示相应状态内容
filter( ) ; / / 对 A / D 转换结果进行数字滤波
take_and_math( ) ; / / 数据运算，计算出水分和硫
化氢的值
ad420out( 0) ; / / 水分 4 ～ 20mA 输出
ad420out( 1) ; / / 硫化氢 4 ～ 20mA 输出
}
}
4 结束语
一体式水分硫化氢的设计理念完全针对市场需求，力求使仪表简约、成本低。强调电路的简单流畅、可靠稳定。这种经过实际考验过的设计方法，对相关产品的电路设计，具有一定的参考和借鉴意义。目前该仪表已通过实验室测试，并有多台实验样机应用于不同工业现场。客户使用反馈表明，该仪表可以在较强电磁干扰及电压波动等恶劣环境中长期可靠运行。
参 考 文 献
[1] 许卓，杨雷，何志伟. 多通道热电阻精密测量中温度漂移的补偿[J]. 化工自动化及仪表，2011，38( 8) :926 ～ 929.
[2] 马潮，詹卫前，耿德根. Atmega8 的原理与应用[M].北京: 清华大学出版社，2003: 8 ～11.
