水质监测系统设计

靳星宇 朱燕

摘要：为了能更加便携、快速地对水质进行监测，本文对水质监测系统进行设计，其中硬件设计部分包括数据采集模块、A/D转换模块、数据处理模块等，软件设计部分下位机程序通过Verilog HDL语言进行编写，上位机部分在LabVIEW环境下进行开发，可以实时显示被测水样品的温度、PH、浊度等参数数值，达到了实时监测水质的目的。

关键词：水质监测;实时监测;Verilog HDL;LabVIEW

中国分类号：TN791       文献标识码：A

文章编号：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

隨着人类生活水平的提高，水污染的问题越来越严重，水质监测是预防水污染的重要手段，传统的监测方法是根据分析化学原理，定期采集水样，然后带回实验室进行分析、测量，得到各个水质参数，操作复杂且不能保证精确性和实时性，因此建立一套实时的、先进的、准确的水质监测系统对水污染的治理与预警起着至关重要的作用[1，2]。基于FPGA技术，本文设计了一套实时的水质监测系统，采集数据通过串口传输到电脑端，电脑端可以显示出各参数数值，进行实时监测。

1 系统总体方案

根据功能需求，该设计是以FPGA开发板作为主控板，硬件设计主要包括：数据采集模块、A/D转换模块、数据处理模块、串口模块。数据采集模块中的PH模块、浊度模块、TDS模块输出信号为0-5V模拟信号，需要通过A/D转换模块转换为数字量，温度模块输出信号为数字信号，直接接入FPGA IO口即可处理，再经由FPGA开发板处理后通过USB转TTL串口模块传输给上位机。用LabVIEW编写上位机软件，实现的主要功能是实时接收各参数数据，设置预警值上下限，当超出预警值范围后报警。系统方案框图如图1所示。

2 硬件设计

本设计采用Cyclone IV Core-C型FPGA开发板，使用的是Altera公司的可重复编程的逻辑芯片E4CE6E22C8。此开发板具有体积小巧、简单易用、实用性强、IO接口多、FLASH 容量大等优点。并且稳定性高，可以很好地满足系统要求平台，具有丰富的外设资源，良好的扩展性能。

数据采集模块完成对水质数据的实时采集，主要由PH+温度模块、浊度传模块、TDS模块组成。测 PH 值所用的电极型号为上海雷磁公司的“E-201-C”型可充式 PH 电极[3]，温度传感器为防水型DS18B20，并且在使用中不需要任何外围元件[4]。A/D转换模块我们采用的是ADC0809模块，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。串口模块采用的是CH340G模块（USB转TTL），它的最大特点是支持热插拨，即插即用，传输速度快。

3 软件设计

3.1 下位机程序设计

下位机程序在Quartus II环境下用Verilog HDL语言进行编写的。Verilog HDL语言是一种硬件描述语言，它可供开发人员完成数字电路系统的逻辑设计，也可以进行数字电路系统的功能仿真、时序分析以及逻辑综合。经由数据采集模块采集到被测水样的信息后，通过模数转换后发送到FPGA开发板上。经过FPGA开发板将数据分析处理后，再通过USB转TTL串口模块发送到电脑端。其中数据采集共有4个传感器，以温度传感器为例，温度采集流程如图2所示。

数据采集模块中除了温度模块输出为数字信号，不需要进行A/D转换，其余3个模块都要通过A/D转换模块进行A/D转换，转换为数字信号后发送到FPGA开发板上。以浊度模块为例，在生成通道0地址后进行启动数据转换，并进行转换。

3.2上位机程序设计

上位机操作中心是对系统的终端设计，针对水质数据的人机交互界面[5]， LabVIEW 是由美国 NI 公司研制开发的，类似于 C 和 BASIC开发环境， 但是 LabVIEW 与其他计算机语言有显著的区别： 其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码， 而LabVIEW 使用的是图形化编辑语言 G 编写程序， 产生的程序是框图的形式，适用于本设计中的人机交互界面开发。

水质数据以数值的形式显示在电脑端，首先配置串口参数，打开串口并发送命令，延时读取缓冲区数据，判断是否超出范围，若超出范围则会报警，同时在前端界面上，可以设置各个参数的正常范围。

4 结束语

本系统将通信技术和仪表测量技术紧密联系起来，实时监测水质变化，可为环境监测部门、自来水厂、水产养殖户提供全面、实时水质监测信息，与其他水质监测系统相比，本设计体积小，成本低、效率高，节省大量人力、物力、财力，具有广泛的社会应用前景。

参考文献：

[1]王倩.水质环境监测技术和仪器的发展探析[J].科技创新与应用，2017（9）：177.

[2]黄智勇，张孝强，严丽，等.基于ARM+FPGA的多参数水质监测仪的设计[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2014，29（4）：66-69.

[3] 谭穗妍，林芳，姚尧，等.水质检测系统设计[J].电子测试，2019（8）：18-19.

[4]洪东辉，陈敬洋，袁小雪，等.基于ZigBee无线传输的水质监测系统设计[J].轻工科技，2017，33（1）：62-64.

[5] 张鑫业，王振宇，胡梦晴.基于LabVIEW的水质检测系统设计[J].科技视界，2019（34）：5-7.

【通联编辑：梁书】