水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

靳星宇 朱燕

摘要：為了能更加便攜、快速地對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，本文對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，其中硬件設(shè)計部分包括數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等，軟件設(shè)計部分下位機程序通過Verilog HDL語言進(jìn)行編寫，上位機部分在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，可以實時顯示被測水樣品的溫度、PH、濁度等參數(shù)數(shù)值，達(dá)到了實時監(jiān)測水質(zhì)的目的。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測;實時監(jiān)測;Verilog HDL;LabVIEW

中國分類號：TN791 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）24-0230-02

Abstract：In order to monitor water quality more easily and quickly， this paper designs the system of water quality monitoring . The hardware design includes data acquisition module， A/ D conversion module， data processing module . The lower part of the software design is written in Verilog HDL language， and the upper part is developed in LabVIEW environment，which can display the temperature， pH， turbidity and total dissolved solids of the tested water sample in real time.

Key words：Water quality monitoring; Verilog HDL; LabVIEW

隨著人類生活水平的提高，水污染的問題越來越嚴(yán)重，水質(zhì)監(jiān)測是預(yù)防水污染的重要手段，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法是根據(jù)分析化學(xué)原理，定期采集水樣，然后帶回實驗室進(jìn)行分析、測量，得到各個水質(zhì)參數(shù)，操作復(fù)雜且不能保證精確性和實時性，因此建立一套實時的、先進(jìn)的、準(zhǔn)確的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)對水污染的治理與預(yù)警起著至關(guān)重要的作用[1，2]。基于FPGA技術(shù)，本文設(shè)計了一套實時的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)诫娔X端，電腦端可以顯示出各參數(shù)數(shù)值，進(jìn)行實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)功能需求，該設(shè)計是以FPGA開發(fā)板作為主控板，硬件設(shè)計主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、串口模塊。數(shù)據(jù)采集模塊中的PH模塊、濁度模塊、TDS模塊輸出信號為0-5V模擬信號，需要通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，溫度模塊輸出信號為數(shù)字信號，直接接入FPGA IO口即可處理，再經(jīng)由FPGA開發(fā)板處理后通過USB轉(zhuǎn)TTL串口模塊傳輸給上位機。用LabVIEW編寫上位機軟件，實現(xiàn)的主要功能是實時接收各參數(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)置預(yù)警值上下限，當(dāng)超出預(yù)警值范圍后報警。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

本設(shè)計采用Cyclone IV Core-C型FPGA開發(fā)板，使用的是Altera公司的可重復(fù)編程的邏輯芯片E4CE6E22C8。此開發(fā)板具有體積小巧、簡單易用、實用性強、IO接口多、FLASH 容量大等優(yōu)點。并且穩(wěn)定性高，可以很好地滿足系統(tǒng)要求平臺，具有豐富的外設(shè)資源，良好的擴(kuò)展性能。

數(shù)據(jù)采集模塊完成對水質(zhì)數(shù)據(jù)的實時采集，主要由PH+溫度模塊、濁度傳模塊、TDS模塊組成。測 PH 值所用的電極型號為上海雷磁公司的“E-201-C”型可充式 PH 電極[3]，溫度傳感器為防水型DS18B20，并且在使用中不需要任何外圍元件[4]。A/D轉(zhuǎn)換模塊我們采用的是ADC0809模塊，其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。串口模塊采用的是CH340G模塊（USB轉(zhuǎn)TTL），它的最大特點是支持熱插撥，即插即用，傳輸速度快。

3 軟件設(shè)計

3.1 下位機程序設(shè)計

下位機程序在Quartus II環(huán)境下用Verilog HDL語言進(jìn)行編寫的。Verilog HDL語言是一種硬件描述語言，它可供開發(fā)人員完成數(shù)字電路系統(tǒng)的邏輯設(shè)計，也可以進(jìn)行數(shù)字電路系統(tǒng)的功能仿真、時序分析以及邏輯綜合。經(jīng)由數(shù)據(jù)采集模塊采集到被測水樣的信息后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到FPGA開發(fā)板上。經(jīng)過FPGA開發(fā)板將數(shù)據(jù)分析處理后，再通過USB轉(zhuǎn)TTL串口模塊發(fā)送到電腦端。其中數(shù)據(jù)采集共有4個傳感器，以溫度傳感器為例，溫度采集流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊中除了溫度模塊輸出為數(shù)字信號，不需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其余3個模塊都要通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后發(fā)送到FPGA開發(fā)板上。以濁度模塊為例，在生成通道0地址后進(jìn)行啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.2上位機程序設(shè)計

上位機操作中心是對系統(tǒng)的終端設(shè)計，針對水質(zhì)數(shù)據(jù)的人機交互界面[5]， LabVIEW 是由美國 NI 公司研制開發(fā)的，類似于 C 和 BASIC開發(fā)環(huán)境， 但是 LabVIEW 與其他計算機語言有顯著的區(qū)別： 其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼， 而LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G 編寫程序， 產(chǎn)生的程序是框圖的形式，適用于本設(shè)計中的人機交互界面開發(fā)。

水質(zhì)數(shù)據(jù)以數(shù)值的形式顯示在電腦端，首先配置串口參數(shù)，打開串口并發(fā)送命令，延時讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，判斷是否超出范圍，若超出范圍則會報警，同時在前端界面上，可以設(shè)置各個參數(shù)的正常范圍。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)將通信技術(shù)和儀表測量技術(shù)緊密聯(lián)系起來，實時監(jiān)測水質(zhì)變化，可為環(huán)境監(jiān)測部門、自來水廠、水產(chǎn)養(yǎng)殖戶提供全面、實時水質(zhì)監(jiān)測信息，與其他水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)相比，本設(shè)計體積小，成本低、效率高，節(jié)省大量人力、物力、財力，具有廣泛的社會應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王倩.水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和儀器的發(fā)展探析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（9）：177.

[2]黃智勇，張孝強，嚴(yán)麗，等.基于ARM+FPGA的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，29（4）：66-69.

[3] 譚穗妍，林芳，姚堯，等.水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試，2019（8）：18-19.

[4]洪東輝，陳敬洋，袁小雪，等.基于ZigBee無線傳輸?shù)乃|(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].輕工科技，2017，33（1）：62-64.

[5] 張鑫業(yè)，王振宇，胡夢晴.基于LabVIEW的水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].科技視界，2019（34）：5-7.

【通聯(lián)編輯：梁書】