引 言
自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得了优异成果。在这方面日本、美国、德国、瑞典等国技术处于领先地位，并且都生产出了一批商品化性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。
目前，国外温度控制系统及仪器仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等技术先进的国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且应用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内的技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。
温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量，其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。
随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大、本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。
本文主要介绍以单片机控制水温、水位的系统设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取、程序的调试和系统参数的整定。在系统构建时选取了AT89C52芯片作为该控制系统的核心，温度信号由新型的可编程温度传感器（DS18B20）提供。通过软件实现对水温的控制，使用继电器作执行部件对水位的自动控制。系统控制对象为水箱。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变,具有较好的快速性与较小的超调。该系统为一实验系统，要求系统有控制能力，实现对主要可变参数的实时监控。使用软件编程既减少了系统设计的工作量，又提高了系统开
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发的速度，使用软件还可以提高所设计系统的稳定性。
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第一章 系统方案设计
1.1水温水位控制系统的设计任务和要求
该系统为一实验系统，系统设计任务：
设计一个水温水位自动控制系统，控制对象为水杯。水位实现自动加水和自动溢出控制，水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。
利用AT89C52单片机实现对水温水位的智能控制，使水温水位在设定范围内控制温度和水位恒定。利用仪器读出水温，并在此基础上将参数调节到我们通过键盘输入的范围之内，而且能够将温度显示在LCD1602液晶上并由语音模块实时播报。
系统设计具体要求：
（1）由键盘设定温度，设定范围为0一99℃，最小区分度为l℃，标定温差＜1。 （2）温度低于设定温度值时加热，温度高于设定值时降温 （3）用LCD1602液晶实时显示水的实际温度。
（4）实现容器中水位低于设定下限时自动加水,，防止烧干；高于设定上限时自动抽水，从而使水位恒定。
1.2 系统总体方案的选择
（1）方案一 （如图1.1）此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案采用上下限比较电路，控制精度比较高。这种方法还是模拟控制方法，因此也不能实现复杂的控制算法使控制温度做的更精确。而且不能用数码管显示和键盘设定。
信号采集 信号放大 上限比较 温度预置 下限比较 信号处理 固态继电器 负载 图1.1模拟电路
（2）方案二 （如图1.2）此方案采用AT89C52单片机系统来实现。单片机软件编程 灵活，自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示水温的实际值，能用键盘输入设定值等功能。本方案选用了AT89C52芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。
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方案论证 方案一是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也较麻烦。而方案二是采用以AT89C52为控制核心的单片机控制系统，尤其对温度控制，可以达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可以实现显示、键盘设定，报警等功能。大大提高系统的智能化，也使得系统所测结果的精度大大提高了。所以本次设计采用方案二。
键盘输入液晶显示温度传感器单片机水位检测加热装置水泵装置电源语音装置 图1.2 控制系统框图
1.3温度传感器的选择
本设计方案的选择主要是感温元件的选择,经查阅资料,IC式感温器在市场上应用比较广泛的有以下几种：
1．AD590：电流输出型的测温组件,温度每升高1 摄氏度K (凯式温度)，电流增加1μA，温度测量范围在一55℃ ～150℃之间。其所采集到的数据需经A/D 转换，才能得到实际的温度值。
2．DS18B20：除了测量温度外，它还可以把温度值以数字的方式(9 B i t ) 送出，温度送出的精度为0.5℃，温度测量范围在-55℃ — 125℃ 之间，可以做恒温控制。
3. SMARTEC感温组件:这是一只3个管脚感温IC，温度测量范围在-45℃ ～ 13℃，误差可以保持在0.7℃ 以内。
本设计选用DS18B20感温IC，这是因其性能参数符合设计要求，接口简单，内部集成了A/D 转换，测温更简便，精度较高，反应速度快，且经过市场考察，该芯片易购买，使用方便。
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1.4水位传感器的选择
本设计过程中，主要对一下三种传感器进行了比较选择。 方案一：浮子式水位计
浮子式水位计利用液体浮力测液位的原理，靠浮力随水面升降的位移反映水位变化。漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。但是由于技术比较落后，不予采用。
方案二：压力传感器
目前的液位压力传感器大部分是投入式静压液位变送器，而投入式静压液位传感器只有参考大气压才能进行准确测量，然而连接电缆中的通气会受到环境的影响，造成气管内壁冷凝，结露。露水滴到电子器件和传感器上，会影响精度或者输出漂移。同时，结露过快，变送器的使用寿命也会大大缩短。此压力传感器容易受到环境的影响而造成测量不准确，并且安装不方便。
方案三：超声波传感器
超声波传感器是工业领域内第一款在产品上带有按键设定功能和自诊断功能的小型传感器。它虽然体积小，但是具有其他大型传感器所具有的功能，安装使用方面而且不受被测物体的颜色影响，有许多特设功能，如：具有自诊断LED显示和按键设定功能，温度补偿功能，可选择模拟量或开关量输出等；气供电电压为10~30V，测量范围为30mm~300mm，输出电压0V~10V，输出电流为4mA~20mA，最小负载阻抗2.5欧，精度可达到0.5mm,外形分为直线型和直角形。感应口径为18mm。此传感器只需要提供一个10us以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。
本设计选用超声波传感器监测水位，因为它具有接线操作简单、独立性适应性强、精确度高、反应灵敏等特点。
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