水質監測系統設計

靳星宇 朱燕

摘要：為了能更加便攜、快速地對水質進行監測，本文對水質監測系統進行設計，其中硬件設計部分包括數據采集模塊、A/D轉換模塊、數據處理模塊等，軟件設計部分下位機程序通過Verilog HDL語言進行編寫，上位機部分在LabVIEW環境下進行開發，可以實時顯示被測水樣品的溫度、PH、濁度等參數數值，達到了實時監測水質的目的。

關鍵詞：水質監測;實時監測;Verilog HDL;LabVIEW

中國分類號：TN791 ? ? ? 文獻標識碼：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重，水質監測是預防水污染的重要手段，傳統的監測方法是根據分析化學原理，定期采集水樣，然后帶回實驗室進行分析、測量，得到各個水質參數，操作復雜且不能保證精確性和實時性，因此建立一套實時的、先進的、準確的水質監測系統對水污染的治理與預警起著至關重要的作用[1，2]。基于FPGA技術，本文設計了一套實時的水質監測系統，采集數據通過串口傳輸到電腦端，電腦端可以顯示出各參數數值，進行實時監測。

1 系統總體方案

根據功能需求，該設計是以FPGA開發板作為主控板，硬件設計主要包括：數據采集模塊、A/D轉換模塊、數據處理模塊、串口模塊。數據采集模塊中的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轉換模塊轉換為數字量，溫度模塊輸出信號為數字信號，直接接入FPGA IO口即可處理，再經由FPGA開發板處理后通過USB轉TTL串口模塊傳輸給上位機。用LabVIEW編寫上位機軟件，實現的主要功能是實時接收各參數數據，設置預警值上下限，當超出預警值范圍后報警。系統方案框圖如圖1所示。

2 硬件設計

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

數據采集模塊完成對水質數據的實時采集，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轉換模塊我們采用的是ADC0809模塊，其內部有一個8通道多路開關，它可以根據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行A/D轉換。串口模塊采用的是CH340G模塊（USB轉TTL），它的最大特點是支持熱插撥，即插即用，傳輸速度快。

3 軟件設計

3.1 下位機程序設計

下位機程序在Quartus II環境下用Verilog HDL語言進行編寫的。Verilog HDL語言是一種硬件描述語言，它可供開發人員完成數字電路系統的邏輯設計，也可以進行數字電路系統的功能仿真、時序分析以及邏輯綜合。經由數據采集模塊采集到被測水樣的信息后，通過模數轉換后發送到FPGA開發板上。經過FPGA開發板將數據分析處理后，再通過USB轉TTL串口模塊發送到電腦端。其中數據采集共有4個傳感器，以溫度傳感器為例，溫度采集流程如圖2所示。

數據采集模塊中除了溫度模塊輸出為數字信號，不需要進行A/D轉換，其余3個模塊都要通過A/D轉換模塊進行A/D轉換，轉換為數字信號后發送到FPGA開發板上。以濁度模塊為例，在生成通道0地址后進行啟動數據轉換，并進行轉換。

3.2上位機程序設計

上位機操作中心是對系統的終端設計，針對水質數據的人機交互界面[5]， LabVIEW 是由美國 NI 公司研制開發的，類似于 C 和 BASIC開發環境， 但是 LabVIEW 與其他計算機語言有顯著的區別： 其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼， 而LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G 編寫程序， 產生的程序是框圖的形式，適用于本設計中的人機交互界面開發。

水質數據以數值的形式顯示在電腦端，首先配置串口參數，打開串口并發送命令，延時讀取緩沖區數據，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，可以設置各個參數的正常范圍。

4 結束語

本系統將通信技術和儀表測量技術緊密聯系起來，實時監測水質變化，可為環境監測部門、自來水廠、水產養殖戶提供全面、實時水質監測信息，與其他水質監測系統相比，本設計體積小，成本低、效率高，節省大量人力、物力、財力，具有廣泛的社會應用前景。

參考文獻：

[1]王倩.水質環境監測技術和儀器的發展探析[J].科技創新與應用，2017（9）：177.

[2]黃智勇，張孝強，嚴麗，等.基于ARM+FPGA的多參數水質監測儀的設計[J].鄭州輕工業學院學報（自然科學版），2014，29（4）：66-69.

[3] 譚穗妍，林芳，姚堯，等.水質檢測系統設計[J].電子測試，2019（8）：18-19.

[4]洪東輝，陳敬洋，袁小雪，等.基于ZigBee無線傳輸的水質監測系統設計[J].輕工科技，2017，33（1）：62-64.

[5] 張鑫業，王振宇，胡夢晴.基于LabVIEW的水質檢測系統設計[J].科技視界，2019（34）：5-7.

【通聯編輯：梁書】