基于fpga的智能水质检测装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于FPGA的智能水质检测装置，包括电源电路和FPGA最小系统，FPGA最小系统分别与传感器检测电路、复位电路、LCD显示电路、报警电路和GPRS通信模块相连接，GPRS通信模块与移动通信设备信号连接；电源电路分别与FPGA最小系统、传感器检测电路、LCD显示电路、报警电路和GPRS通信模块相连接。该水质检测装置集水质参数检测、显示、报警、通信等多种功能为一体，实现智能水质检测，满足废水排放的需求；可以大大降低成本提高检测准确度，便于实施应用；降低了事故的发生率进而减少人力、物力以及财力的损失。
【专利说明】
基于FPGA的智能水质检测装置
技术领域
[0001]本实用新型属于水质检测装置技术领域，涉及一种智能检测装置，尤其涉及一种基于FPGA的智能水质检测装置。
【背景技术】
[0002]水质检测装置是环境领域使用率较高的一种技术检测手段。对废水处理过程进行调查就会发现:大部分的水质检测装置在检测过程中都存在检测不及时、不准确等问题。这种水质监测装置确实对人类生产生活有着巨大的贡献，但是该水质检测装置存在一定的不足和缺陷:首先对于检测的水质来说检测的水质较为单一只检测一种水质，然而在实际环境中水质参数的种类有很多如PH、溶解氧和浊度等;其次就是检测仪检测到水质由于准确度与精度不高存在延时报警、误报警、不报警等情况其会造成人力、物力以及财力上的重大损失。
[0003]近年来，FPGA技术得到了飞速的发展，并且应用于计算机通信、智能家居、国防、军事、智能交通等各个方面，为智能水质检测装置发展与进步提供了有效地途径与方法。无论是从国家的政策方针上还是从人民的根本利益是上来看，提高有害水质检测的科学技术水平是重中之重。虽然在水质检测方面有了一定的发展，但是逻辑简单，检测准确度低，先进性不够，利用率低等不足之处仍然存在。使得智能水质检测装置不能大力推广。FPGA技术使各方面更朝着能耗低、体积小、效率高、资源利用率高的趋势发展。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是针对现有水质检测装置的缺点，提供一种无线、低功耗、高效率的基于FPGA的的智能水质检测装置。
[0005]为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是:一种基于FPGA的智能水质检测装置，其特征在于，包括电源电路(3 )和FPGA最小系统(I)，FPGA最小系统(I)分别与传感器检测电路(7)、复位电路(2)、LCD显示电路(4)、报警电路(5)和GPRS通信模块(6)相连接，GPRS通信模块(6)与移动通信设备(8)信号连接；电源电路(3)分别与FPGA最小系统(I)、传感器检测电路(7)、IXD显示电路(4)、报警电路(5)和GPRS通信模块(6)相连接；
[0006]本实用新型智能水质检测装置以FPGA为控制器(中央处理器)，采用PH传感器、溶解氧传感器以及浊度传感器作为水质检测装置。为了安全和方便，利用RS232总线/GPRS无线通信模块增设了语音(短信)通信和自动报警等功能，集水质参数检测、显示、报警、通信等多种功能为一体，实现智能水质检测，满足废水排放的需求。该智能水质检测装置具有如下特点:
[0007]I)将FPGA技术应用于智能水质检测装置，只需要对FPGA芯片进行调节就可以实现对于整个系统的运行，可以大大降低成本提高检测准确度，便于实施应用。
[0008]2)采用RS232总线/GPRS拓展网络，不仅可以与互联网相连接，可以进行存储，而且还可以实现一个主机带多个从机，即一台PC机可以监控多台下位机，主从机之间进行数据传输，实现了多机通信。既有利于降低成本，又方便整理分析信息和数据。
[0009]3)能记忆和存储检测到的水质参数数据数据，使用AT24C08可以对检测的数据进行多次和长时间的存储，方便对数据的调用和对比分析；
[0010]4)集GPRS通信模块、IXD显示装置以及报警模块于一体，可以随时了解水质检测装置的相关信息，通过报警模块对于出现的问题及时处理，大大降低了事故的发生率进而减少人力、物力以及财力的损失。
【附图说明】
[0011]图1是本实用新型智能水质检测装置的结构示意图。
[0012]图2是本实用新型智能水质检测装置传感器检测电路中传感器电路的示意图
[0013]图3是本实用新型智能水质检测装置传感器检测电路中A/D转换电路的示意图。
[0014]图4是本实用新型智能水质检测装置IXD显不电路的不意图。
[0015]图5是本实用新型智能水质检测装置中复位电路的示意图。
[0016]图6是本实用智能水质检测装置的GPRS通信模块中外围电路的示意图。
[0017]图7是本实用智能水质检测装置中报警电路的示意图。
[0018]图8是本实用智能水质检测装置中电源电路的示意图。
[0019]图9是本实用新型智能水质检测装置中FPGA最小系统的示意图。
[0020]图10是本实用新型检测系统的流程图。
[0021 ]图1中:1.FPGA最小系统，2.复位电路，3.电源电路，4.1XD显示电路，5.报警电路，
6.GPRS通信模块，7.传感器检测电路，8.移动通信设备。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0023]如图1所示，本实用新型智能水质检测装置，包括电源电路3和FPGA最小系统I，FPGA最小系统I分别与传感器检测电路7、复位电路2、IXD显示电路4、报警电路5和GPRS通信模块6相连接，GPRS通信模块6与移动通信设备8信号连接；电源电路3分别与FPGA最小系统
1、传感器检测电路7、IXD显示电路4、报警电路5和GPRS通信模块6相连接。
[0024]如图2所示，本实用新型智能水质检测系统中的传感器检测电路7，包括第一芯片Ul、第二芯片U2和第三芯片U3，第一芯片Ul为pH传感器，第二芯片U2为溶解氧传感器，第三芯片U3为浊度传感器，该三个芯片均采用LM393双电压比较器芯片。第一芯片Ul的第I引脚与A/D转换电路相连接，第一芯片Ul的第3引脚分别与第一电容Cl的一端、第一电阻Rl的一端和第一检测探头接头Jl的第I接口相连，第一电阻Rl的另一端接电源电路3;第一电容Cl的另一端、第一芯片Ul的第4引脚以及第一检测探头接头Jl的第2接口均接地;第一芯片Ul的第8引脚分别与电源电路3和第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端接地。
[0025]第二芯片U2的第I引脚与A/D转换电路相连接，第二芯片U2的第3引脚分别与第三电容C3的一端、第二电阻R2的一端以及第二检测探头接头J2的第I接口相连接，第二电阻R2的另一端与电源电路3相连接;第三电容C3的另一端、第二芯片U2的第4引脚以及第二检测探头接头J2的第2接口均接地;第二芯片U2的第8引脚分别与电源电路3和第四电容C4的一端相连接，第四电容C4的另一端接地。
[0026]第三芯片U3的第I引脚与A/D转换电路相连接，第三芯片U3的第3引脚分别与第五电容C5的一端、第三电阻R3的一端以及第三检测探头接头J3的第I接口相连接，第三电阻R3的另一端与电源电路3相连接;第五电容C5的另一端、第三芯片U3的第4引脚以及第三检测探头接头J3的第2接口均接地;第三芯片U3的第8引脚分别与电源电路3和第六电容C6的一端相连接，第六电容C6的另一端接地。
[0027]传感器检测电路I中还包括如图3所示的A/D转换电路，该A/D转换电路包括第四芯片U4，第四芯片U4采用美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道、8位逐次逼近式A/D模数转换器TLC549，它以8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOS A/D转换器、设计成能通过3态数据输出和模拟输入与微处理器或外围设备串行接口。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。
[0028]第四芯片U4的第9引脚接第十电阻RlO的一端，第四芯片U4的第11引脚接第九电阻R9的一端，第四芯片U4的第13引脚分别与第八电阻R8的一端和第四电阻R4的一端相连接，第十电阻RlO的另一端、第九电阻R9的另一端和第八电阻R8的另一端均与FPGA最小系统I相连接;第四芯片U4的第7引脚、第四电阻R4的另一端和第七电容C7的一端均接+5V电源;第四芯片U4的第8引脚和第八电容C8的一端接基准电压，第七电容C7的另一端和第八电容C8的另一端接地;第四芯片U4的第10引脚分别与第九电容C9的一端和第五电阻R5的一端相连接;第五电阻R5的另一端分别与第一芯片Ul的第I引脚、第二芯片U2的第I引脚、第三芯片U3的第I引脚以及第六电阻R6的滑片相连接;第六电阻R6为变阻器，第六电阻R6的一端接第七电阻R7的一端，第六电阻R6的另一端、第九电容C9的另一端、第四芯片U4的第12引脚和第四芯片U4的第14引脚均接地;第七电阻R7的另一端接电源VCC。
[0029]如图4所示，本实用新型智能水质检测系统中的LCD显示电路3，包括第五芯片U5，第五芯片U5采用工业字符型液晶，能够同时显示16\02即32个字符液晶显示模块^:01602。第五芯片U5的第I脚和第16脚接地，第五芯片U5的第2脚和第15脚分别接+5V电源，第五芯片U5的第3脚接第八电阻R8的滑片，第八电阻R8为滑动变阻器，第八电阻R8的一端接+5V电源，第八电阻R8的另一端接地，第五芯片U5与FPGA最小系统I相连接。
[0030]如图5所示，本实用新型智能水质检测系统中的复位电路2，包括第十二电阻R12和第十电容C10，第十二电阻R12的一端、第十电容ClO的负极和复位按键SI的一端分别与FPGA最小系统I相连接，第十电容ClO为极性电容;第十电容ClO的正极和复位按键SI的另一端均接电源电路3;第十二电阻Rl 2的另一端接地。
[0031]复位电路2中的复位按键SI主要用来控制系统复位，它是由单排直针的方式引出。复位电路2采用带按键的RC充电电路，充电电路电容为10yF，充电电阻为10ΚΩ，时间常数为I OOms ο复位按键SI为低电平触发自动恢复按键。
[0032]本实用新型智能水质检测装置中的GPRS通信模块6包括GPRS模块WISM0228和外围电路。WISM0228模块是由WAVEC0M公司生产的基于GPRS/GPRS工业级无线通讯模块。具有体积小、易用性强、内嵌TCP/IP协议栈、品质优良等特性能够快速安全可靠地实现系统方案的数据、语音传输、短消息服务和传真。其GPRS方式工作频段为850/900/1800/1900MHZ，支持CSD、SMS、FAX;其工作电压范围为3.2?4.8V，使其无需电平转换就能够连接多种处理器，如单片机、ARM、FPGA等。WISMO 228模块与FPGA通过串口进行通信，它们的连接方式有2线、4线、5线及9线四种方式，由于本系统只使用通信模块的部分功能，采用2线的方式进行连接，将WISM0228模块的RXD、TXD分别接FPGA的RXD引脚(第143引脚)和TXD引脚(第144引脚)即可，GPRS模块的第17管脚连接GPRS模块外围电路中稳压输入端+VBATT，当ON端被按下时，由稳压输入端+VABTT给整个GPRS模块供电。该外围电路如图6所示，包括第六芯片U6和第七芯片U7。第六芯片U6为GPRS模块，第七芯片U7为S頂卡座。第六芯片U6的第7引脚、第8引脚和第17引脚都与GPRS外围电路的+VBATT稳压输出端相连接，无线通信GPRS模块与FPGA最小系统I相连接并进行串口通信。第六芯片U6的第10引脚与第十一芯片Ull的第143引脚相连接，第六芯片U6的第14引脚与第^^一芯片Ull的第144引脚相连接，调动FPGA最小系统I的串口通信连接，从而实现FPGA最小系统I对GPRS通信模块6的控制。
[0033]如图7所示，本实用新型智能水质检测装置中的报警电路5，包括第一三极管Q1，第一三极管Ql的基极接第十四电阻R14的一端，第十四电阻R14的另一端分别与PGFA最小系统I和第十三电阻R13的一端相连接;第一三极管Ql的发射极接第十五电阻R15的一端，第十五电阻R15的另一端接第一电源输出口POl，第十三电阻R13的另一端和第十五电阻R15的另一端均接电源电路3;第一三极管Ql的集电极接蜂鸣器LSl的第I引脚，蜂鸣器LSl的第2引脚接地。
[0034]如图8所示，本实用新型智能水质检测装置中的电源电路3，包括第八芯片U8;第八芯片U8采用TPS79333开关电源芯片。第八芯片U8的第3引脚和第^^一电解电容Cll的正极均接电源VCC;第八芯片U8的第2引脚、第十六电阻R16的一端和第十二电解电容C12的正极均接第一电源输出口 P01;第八芯片U8的负极和第十六电阻R16的另一端接第十七电阻R17的一端，第十七电阻Rl 7的另一端和第十二电解电容Cl 2的负极均接地。
[0035]本实用新型智能气体检测装置中的FPGA最小系统I采用芯片EP2C8Q208C8N。如图9所示，FPGA最小系统I包括第九芯片U9、第十芯片U10、第^^一芯片Ull和第十二芯片U12。第九芯片U9的第30引脚、第31引脚和第32引脚分别与第四芯片U4的第11引脚、第9引脚和第13引脚相连接，第九芯片U9的第3引脚接第十四电阻R14的另一端;第十芯片UlO的第180引脚、第182引脚、第185引脚、第187引脚、第188引脚、第189引脚、第191引脚和第193引脚分别与第五芯片U5的第7引脚、第9引脚、第8引脚、第11引脚、第10引脚、第13引脚、第12引脚和第14引脚相连接;第十一芯片Ull的第107引脚接复位按键SI的一端相连接，第十一芯片Ull的第143引脚与第六芯片U6的第10引脚相连接，第^^一芯片Ull的第144引脚与第六芯片U6的第14引脚相连接;第十二芯片U12的第7引脚与电源电路3相连接。
[0036]本实用新型智能水质检测装置检测流程，见图10:首先将pH传感器、溶解氧传感器与浊度传感器连接好，FPGA最小系统I的控制器进行初始化，这样就可以实现FPGA对三个水质传感器的实时检测。由于废水中有多种参数，所以采用三种传感器来检测。根据国家对水质各个参数设定的标准作为基准值来判断所检测的水质参数值是否超标。用FPGA作为控制器来实现水质检测，首先是对整个装置进行初始化然后进行标准值的设定，在FPGA的控制下开始水质检测并进行水质参数数值的记录(即通过GPRS通信模块与上位机进行通信然后在上位机上实时显示测得的数值并显示对应的数值曲线)将检测到的水质参数值与设定好的值进行比较，如果超过所设定的值FPGA控制器就会自动驱动报警装置进行报警提醒，如果没有超过设定值按照图10进行工作从而达到了智能水质检测的目的。
【主权项】
1.一种基于FPGA的智能水质检测装置，其特征在于，包括电源电路(3)和FPGA最小系统(I)，FPGA最小系统(I)分别与传感器检测电路(7)、复位电路(2)、LCD显示电路(4)、报警电路(5)和GPRS通信模块(6)相连接，GPRS通信模块(6)与移动通信设备(8)信号连接；电源电路(3)分别与FPGA最小系统(I)、传感器检测电路(7)、LCD显示电路(4)、报警电路(5)和GPRS通信模块(6)相连接； 所述的传感器检测电路(7)包括第一芯片(U1)、第二芯片(U2)、第三芯片(U3)和第四芯片(U4)，第一芯片(Ul)为pH传感器，第二芯片(U2)为溶解氧传感器，第三芯片(U3)为浊度传感器，该三个芯片均采用LM393双电压比较器芯片；第一芯片(Ul)的第3引脚分别与第一电容(Cl)的一端、第一电阻(Rl)的一端和第一检测探头接头(Jl)的第I接口相连，第一电阻(Rl)的另一端接电源电路(3);第一电容(Cl)的另一端、第一芯片(Ul)的第4引脚以及第一检测探头接头(Jl)的第2接口均接地;第一芯片(Ul)的第8引脚分别与电源电路(3)和第二电容(C2)的一端相连，第二电容(C2)的另一端接地； 第二芯片(U2)的第3引脚分别与第三电容(C3)的一端、第二电阻(R2)的一端以及第二检测探头接头(J2)的第I接口相连接，第二电阻(R2)的另一端与电源电路(3)相连接;第三电容(C3)的另一端、第二芯片(U2)的第4引脚以及第二检测探头接头(J2)的第2接口均接地;第二芯片(U2)的第8引脚分别与电源电路(3)和第四电容(C4)的一端相连接，第四电容(C4)的另一端接地； 第三芯片(U3)的第3引脚分别与第五电容(C5)的一端、第三电阻(R3)的一端以及第三检测探头接头(J3)的第I接口相连接，第三电阻(R3)的另一端与电源电路(3)相连接;第五电容(C5)的另一端、第三芯片(U3)的第4引脚以及第三检测探头接头(J3)的第2接口均接地;第三芯片(U3)的第8引脚分别与电源电路(3)和第六电容(C6)的一端相连接，第六电容(C6)的另一端接地； 第四芯片(U4)的第9引脚接第十电阻(RlO)的一端，第四芯片(U4)的第11引脚接第九电阻(R9)的一端，第四芯片(U4)的第13引脚分别与第八电阻(R8)的一端和第四电阻(R4)的一端相连接，第十电阻(RlO)的另一端、第九电阻(R9)的另一端和第八电阻(R8)的另一端均与FPGA最小系统(I)相连接；第四芯片(U4)的第7引脚、第四电阻(R4)的另一端和第七电容(C7 )的一端均接+5V电源;第四芯片(U4 )的第8引脚和第八电容(C8 )的一端接基准电压，第七电容(C7)的另一端和第八电容(C8)的另一端接地;第四芯片(U4)的第10引脚分别与第九电容(C9)的一端和第五电阻(R5)的一端相连接;第五电阻(R5)的另一端分别与第一芯片(Ul)的第I引脚、第二芯片(U2)的第I引脚、第三芯片(U3)的第I引脚以及第六电阻(R6)的滑片相连接;第六电阻(R6)为变阻器，第六电阻(R6)的一端接第七电阻(R7)的一端，第六电阻(R6)的另一端、第九电容(C9)的另一端、第四芯片(U4)的第12引脚和第四芯片(U4)的第14引脚均接地;第七电阻(R7)的另一端接电源VCC; 所述的FPGA最小系统(I)采用芯片EP2C8Q208C8N，FPGA最小系统(I)包括第九芯片(U9)、第十芯片(U10)、第^^一芯片(Ull)和第十二芯片(U12);第九芯片(U9)的第30引脚、第31引脚和第32引脚分别与第四芯片(U4)的第11引脚、第9引脚和第13引脚相连接，第九芯片(U9)的第3引脚接第十四电阻(R14)的另一端;第十芯片(UlO)的第180引脚、第182引脚、第185引脚、第187引脚、第188引脚、第189引脚、第191引脚和第193引脚分别与LCD显示电路(3)相连接;第^^一芯片(Ull)的第107引脚接复位电路(2)，第^^一芯片(Ull)的第143引脚和第144引脚均与GPRS通信模块(6)相连接，第十二芯片(U12)的第7引脚与电源电路(3)相连接。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的智能水质检测装置，其特征在于，所述的LCD显示电路(3)包括第五芯片(U5)，第五芯片(U5)采用液晶显示模块IXD1602;第五芯片(U5)的第I脚和第16脚接地，第五芯片(U5)的第2脚和第15脚分别接电源电路(3)，第五芯片(U5)的第3脚接第八电阻(R8)的滑片，第八电阻(R8)为滑动变阻器，第八电阻(R8)的一端接+5V电源，第八电阻(R8)的另一端接地，第五芯片(U5)的第7引脚、第9引脚、第8引脚、第11引脚、第10引脚、第13引脚、第12引脚和第14引脚分别与第十芯片(UlO)的第180引脚、第182引脚、第185引脚、第187引脚、第188引脚、第189引脚、第191引脚和第193引脚相连接。3.根据权利要求1所述的基于FPGA的智能水质检测装置，其特征在于，所述的复位电路(2)包括第十二电阻(R12)和第十电容(ClO)，第十二电阻(R12)的一端、第十电容(ClO)的负极和复位按键(SI)的一端分别与第^^一芯片(Ull)的第107引脚相连接，第十电容(ClO)为极性电容;第十电容(ClO)的正极和复位按键(SI)的另一端均接电源电路(3);第十二电阻(Rl 2)的另一端接地。4.根据权利要求1、2或3所述的基于FPGA的智能水质检测装置，其特征在于，所述的电源电路(3)包括第八芯片(U8)，第八芯片(U8)采用TPS79333开关电源芯片;第八芯片(U8)的第3引脚和第^^一电解电容(Cll)的正极均接电源VCC;第八芯片(U8)的第2引脚、第十六电阻(R16)的一端和第十二电解电容(C12)的正极均接第一电源输出口(POl);第八芯片(U8)的负极和第十六电阻(R16)的另一端接第十七电阻(R17)的一端，第十七电阻(R17)的另一端和第十二电解电容(Cl 2 )的负极均接地。
【文档编号】G01N33/18GK205506806SQ201620182689
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月10日
【发明人】宋海声, 刘岸果, 张梦秋
【申请人】西北师范大学