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水质监测系统设计

发布日期:2022-03-04 21:08:11浏览量:17

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。

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