水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、    水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)    靳星宇 朱燕摘要：為了能更加便攜、快速地對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，本文對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)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(jì)部分下位機(jī)程序通過(guò)verilog hdl語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，上位機(jī)部分在labview環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以實(shí)時(shí)顯示被測(cè)水樣品的溫度、ph、濁度等參數(shù)數(shù)值，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)的目的。關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測(cè);實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);verilog hdl;labview中國(guó)分類號(hào)：tn791       ：a：1009-3044（2020）24-0230-02abst

2、ract：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，

3、 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(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，水質(zhì)監(jiān)測(cè)是預(yù)防水污染的重要手段，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是根據(jù)分析化學(xué)原理，定期采集水樣，然后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)

4、行分析、測(cè)量，得到各個(gè)水質(zhì)參數(shù)，操作復(fù)雜且不能保證精確性和實(shí)時(shí)性，因此建立一套實(shí)時(shí)的、先進(jìn)的、準(zhǔn)確的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水污染的治理與預(yù)警起著至關(guān)重要的作用1，2?；趂pga技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)時(shí)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)通過(guò)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。1 系統(tǒng)總體方案根據(jù)功能需求，該設(shè)計(jì)是以fpga開(kāi)發(fā)板作為主控板，硬件設(shè)計(jì)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(hào)為0-5v模擬信號(hào)，需要通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，溫度模塊輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，直接接入fpga io口即可處理，再經(jīng)由f

5、pga開(kāi)發(fā)板處理后通過(guò)usb轉(zhuǎn)ttl串口模塊傳輸給上位機(jī)。用labview編寫(xiě)上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)的主要功能是實(shí)時(shí)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(bào)警。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。2 硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用cyclone iv core-c型fpga開(kāi)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(kāi)發(fā)板具有體積小巧、簡(jiǎn)單易用、實(shí)用性強(qiáng)、io接口多、flash 容量大等優(yōu)點(diǎn)。并且穩(wěn)定性高，可以很好地滿足系統(tǒng)要求平臺(tái)，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(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，主要由ph+溫度模塊、濁度傳模塊、tds模塊組成。測(cè) ph 值所用的電

6、極型號(hào)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(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)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(diǎn)是支持熱插撥，即插即用，傳輸速度快。3 軟件設(shè)計(jì)3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)下位機(jī)程序在quartus ii環(huán)境下用verilog hdl語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)的。verilog hdl語(yǔ)言是一種硬件描述語(yǔ)言，它可供開(kāi)發(fā)人員完成數(shù)字電路系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)，也可以進(jìn)行數(shù)字

7、電路系統(tǒng)的功能仿真、時(shí)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(cè)水樣的信息后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到fpga開(kāi)發(fā)板上。經(jīng)過(guò)fpga開(kāi)發(fā)板將數(shù)據(jù)分析處理后，再通過(guò)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(gè)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(hào)，不需要進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，其余3個(gè)模塊都要通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)送到fpga開(kāi)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(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)上位機(jī)操作中心是對(duì)系統(tǒng)的終端設(shè)計(jì)，針對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的人機(jī)交互界面5， labview 是由美國(guó) n

8、i 公司研制開(kāi)發(fā)的，類似于 c 和 basic開(kāi)發(fā)環(huán)境， 但是 labview 與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言有顯著的區(qū)別： 其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼， 而labview 使用的是圖形化編輯語(yǔ)言 g 編寫(xiě)程序， 產(chǎn)生的程序是框圖的形式，適用于本設(shè)計(jì)中的人機(jī)交互界面開(kāi)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(kāi)串口并發(fā)送命令，延時(shí)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(huì)報(bào)警，同時(shí)在前端界面上，可以設(shè)置各個(gè)參數(shù)的正常范圍。4 結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)將通信技術(shù)和儀表測(cè)量技術(shù)緊密聯(lián)系起來(lái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，可為環(huán)境監(jiān)測(cè)部門、自來(lái)水廠、水產(chǎn)養(yǎng)殖戶提供全面、實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息，與其他水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本設(shè)計(jì)體積小，成本低、效率高，節(jié)省大量人力、物力、財(cái)力，具有廣泛的社會(huì)應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1王倩.水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(qiáng)，嚴(yán)麗，等.基于arm+fpga的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)j.鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)j.電子測(cè)試，2019（8）：18