【文章內(nèi)容簡介】 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 2 家電的消費量，從而加快了農(nóng)村家電的普及速度。我國占總?cè)丝?%的 ，組成了 億個家庭，任何家電商品的普及率只要提高 1個百分點，就會 增加 238萬臺（件）的需求量。 只要電熱水器在安全，智能方面做得足夠優(yōu)秀，那么電熱水器的發(fā)展就能保持著非常光明的前景。 隨 著我國人民生活水平逐漸的提高，其生活條件也有很大的改善，功能多樣，科技含量高的智能化電器在人們?nèi)粘Ｉ钪姓加斜戎匾苍絹碓酱?，與家庭生活密切相關(guān)的熱水器品種各式各樣，花樣翻新。所以就是在這樣的背景下，本課題是選擇基于at89s51 單片機的智能電熱水器的設(shè)計研究。 本課題的研究目的是根據(jù)人們對現(xiàn)代家庭舒適，安全，便利以及多元化信息服務(wù)的需要，選擇 at89s51 單片機設(shè)計出具有智能特征的電熱水器。用 at89s51 作為控制芯片，就是為了能實現(xiàn)電熱水器的智能化，能夠持續(xù)穩(wěn)定的熱水供應(yīng)，自動斷電的安全功能，使得人 們在洗浴時能夠放心享受，有利于人們的身體健康，其務(wù)實性能快速滿足人們對現(xiàn)代生活快節(jié)奏的需求。同時，正如上面內(nèi)容所陳述的那樣，從市場，從需求，從可持續(xù)發(fā)展性等一系列的分析和數(shù)據(jù)中我們能從中得出研究此課題的重要意義。 國內(nèi)外研究狀況和成果 電熱水器分為即熱式和儲水式兩種，就是用電加熱水的一種裝置。即熱式電熱水器，也叫快熱式電熱水器，指近幾年一些生產(chǎn)廠家自行研制的專利產(chǎn)品或國外進口的技術(shù)含量較高的一些產(chǎn)品。不但具有能夠即開即熱，省時省電，節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，更是因其具有比普通電熱水器更為可觀的經(jīng)濟效益，越 來越受到廣大家電生產(chǎn)廠家和經(jīng)銷商的青睞。 在熱水器的發(fā)展過程中，安全技術(shù)成為帶動整個行業(yè)向上提升的決定性力量。熱水器先后經(jīng)歷了水電分離，漏電保護器，出水斷電，防電墻等四次較大的技術(shù)升級。 水電分離 從原始的直熱式加熱到采用水電完全分離的絕緣加熱管，從而避免了水與電的直接接觸，使一邊加熱一邊洗浴成為可能。 漏電保護技術(shù) 從理論上講，加熱管遲早都會損壞的，一旦絕緣失效，就會導致水電接觸，發(fā)生漏電，威脅用戶生命安全。 1997 年，海爾等企業(yè)率先在熱水器中采用漏電保護技術(shù)，保證了露點電流達到 15 毫安時， 秒內(nèi)自動切斷電源，保證使用者的生命安全。 出水斷電技術(shù) 1999 年，海爾研制成功了出水斷電技術(shù)，使用戶再打開熱水器噴頭同時自動切斷電源，關(guān)閉噴頭時自動通電加熱，這樣就避免了電帶使用，使熱水器的安全性能又提高了一大步。 防電墻技術(shù) 2021 年，海爾發(fā)明了世界第一臺帶“防電墻”功能的熱水器，東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 3 決了因用電環(huán)境引起的安全問題，實現(xiàn)了從產(chǎn)品安全到洗浴安全的技術(shù)跨越。 經(jīng)過了解，無論什么品牌的電熱水器，內(nèi)膽是電熱水器的關(guān)鍵，產(chǎn)品內(nèi)表面的處理非常重要，它是決定電熱水器保修年限的主要依據(jù)。目前商場里所售的電熱水器 主要有以下三種內(nèi)膽： 無氧紫銅內(nèi)膽：應(yīng)用在即熱式電熱水器上具有不可比擬的良好特性：它具有熱傳導快，耐壓耐腐蝕，延展性好，抗菌抑菌等 ,無氧紫銅發(fā)熱系統(tǒng)一般應(yīng)用在歐美發(fā)達地區(qū)的即熱式電熱水器，大多數(shù)國際品牌均采用紫銅生產(chǎn)即熱式電熱水器的加熱體，紫銅材料的特殊物理和化學特性 ,具有加熱快速穩(wěn)定、熱效率高的特點。是目前世界上即熱式電熱水器行業(yè)中公認的符合環(huán)保健康潮流的、最成熟穩(wěn)定的加熱體。 不銹鋼內(nèi)膽：材質(zhì)好，不易生銹，但焊縫隱患不易發(fā)現(xiàn)，經(jīng)多次熱脹冷縮后，不銹鋼中的鉻會被自來水中的氯離子腐蝕，時間長了可能會在焊接處 漏水。 搪瓷內(nèi)膽：內(nèi)膽表面的瓷釉為非金屬材料，不生銹，防腐蝕，以厚鋼板做膽體，有較強的耐壓能力，其中高釉包鋼內(nèi)膽防腐保溫性能最佳，壽命更長。 除了對耐用性的要求不斷追求，智能化技術(shù)運用是今后技術(shù)發(fā)展的一個總體趨勢，智能化技術(shù)的運用有兩個好處。一是更加方便，二是更加節(jié)能，按照用戶的使用習慣提前預先加熱，讓使用者隨心所欲享用熱水，而在非用水時間則啟動中溫保溫方程式，根據(jù)設(shè)定溫度計算出最節(jié)能的保溫溫度，減少熱水器內(nèi)外溫差，因而盡可能減少保溫加熱次數(shù)，真正做到更加省電。 從 1979 年誕生第一臺熱水器開始，熱水器行業(yè) 從為數(shù)不多的品牌發(fā)展到現(xiàn)在的品牌林立，從單一的燃氣熱水器發(fā)展到電熱水器，太陽能熱水器齊頭并進，從產(chǎn)品的功能單一發(fā)展到今天功能多樣，造型各異，色彩斑斕，甚至不少品牌還走出過門走向世界，整個行業(yè)取得了長足的進步。各大品牌爭先恐后的退出了超大液晶屏，電子線控，超薄時尚，雙管加熱，漏電保護器，防電墻，多口出水等新技術(shù)。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)計 4 設(shè)計目標以及方案選擇 目前家電市場上的電熱水器有連續(xù)水流式，雖具有加熱速度快和體積小的優(yōu)點，但需要的功率大，大多數(shù)家庭供電線路難以承受。而且市場上 傳統(tǒng)的機械式電熱水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，因此電熱水器的智能化成為必然趨勢。采用單片機來實現(xiàn)電熱水器的智能化，主要是因為其采用面向控制的指令系統(tǒng)，實時控制功能特別強。 CPU可以直接對 I/O 口進行輸入、輸出操作及邏輯運算，并且具有很強的位處理能力，能有針對性的解決由簡單到復雜各類控制任務(wù)。單片機做為嵌入式應(yīng)用的微型計算機，由于其出色的性價比，極強的實用性，它取得了巨大的發(fā)展。 本設(shè)計是針對 AT89S51 單片機在檢測和控制方面的應(yīng)用。 首先單片機上電復位后對電加熱絲供電進行加熱，同時通過鍵盤接口 電路輸入設(shè)定的溫度，并顯示。同時通過DS18B20 溫度傳感器測量水溫并數(shù)碼管顯示，當水溫達到設(shè)定溫度后停止加熱直到低于設(shè)定溫度時重新加熱。同時對水位進行檢測，低水位進水。為了防止加熱線圈的頻繁啟動造成的資源浪費和元件損壞，在軟件設(shè)計設(shè)計上當與設(shè)定溫度低三度時采用 PWM 脈寬調(diào)制。達到節(jié)能和延長加熱絲壽命的效果。 方案一：以 AT89S51 單片機為控制中心的智能電熱水器 AT89S51 單片機具有結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強、可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。以 AT89S51 單片機為核心，配以外 圍電路如時鐘電路、復位電路、按鍵、顯示器件即可構(gòu)成交通燈系統(tǒng)， 下圖為硬件實現(xiàn)電路的方框圖： 圖 21 AT89S51 控制的智能電熱水器 方案二： PIC16C72 單片機為控制器件的智能電熱水器 PIC16C72 是美國微芯 (Microchip)公司推出的 8/11 位單片機，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和 RISC 結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達 6MIPS，這幾乎是其它大多數(shù) 8位微控制器速度的 4 倍 128 腳封裝的 PIC16C72 單片機內(nèi)集成了以 下主要功能： 2KB 片內(nèi) ROM 程序存儲器， 128KB 數(shù)據(jù)存儲器； 22 位 I/O 線； 5 路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器溫度測量 水位檢測 鍵盤電路 AT89S51 單片機 電源電路 加熱電路 顯示電路 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)計 5 2 個 8 位， 1 個 16 位多功能計數(shù)器 /定時器， 1 個捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 (CCP)部件。 以 PIC16C72 為控制芯片的電熱水器，雖然功能很強大，但是存在一些很需要改進的地方：中斷的現(xiàn)場保護是中斷應(yīng)用中一個很重要的部分由 PIC16C72 的指令系統(tǒng)中沒有專門的 PUSH(入棧 )和 POP(出棧 )指令，所以要用一段程序來實現(xiàn)該功能。對可能用到的 W 寄存器和 STATUS 寄存器內(nèi)容進行現(xiàn)場保護 1 然后在中斷服務(wù)程序中對馬達，繼電器進行控制 1 漏電檢測報警在中斷里給出，而每 50ms 進入一次中斷，所以發(fā)生漏電時最多 50ms 即可切斷電源 1 入口→中斷保護→控制馬達→控制繼電器如果用直流對電機進行控制，其轉(zhuǎn)速太快，過調(diào)量太大，容易引起震蕩。 通過以上兩種設(shè)計方法的比較來看，實現(xiàn)電熱水器的智能控制可以有很多種方法?？梢圆捎每删幊绦蚩刂破?PLC，各種單片機來實現(xiàn)。但考慮到成本控制和軟硬件實現(xiàn)難度，采用方案一的控制系統(tǒng)設(shè)計，可以進一步提高電熱水器的智能作用，能夠保證持續(xù)的熱水供應(yīng)，并能夠在異常情況下自動斷電，可以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰崃巳藗兩?活的質(zhì)量。 綜合以上條件以及畢設(shè)的要求，我選擇方案一，以單片機 AT89S51 單片機作為控制中心的智能電熱水器。 芯片的選擇以及介紹 AT89S51 介紹 AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash存儲單元， AT89S51 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 圖 22 AT89S51 結(jié)構(gòu)框圖 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)計 6 主要性能 內(nèi)部程序存儲器： 4KB 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器： 128B 外部程序存儲器：可擴展到 64KB。 外部數(shù)據(jù)存儲器：可擴展到 64KB。 輸入 /輸出口線： 32根（ 4個端口， 每個端口 8根）。 定時 /計數(shù)器： 2 個 16 位可編程的定時計數(shù)器。 串行口：全雙工，二根。 寄存器區(qū)：在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的 128B 中劃出一部分作為寄存器區(qū)， 分為四個區(qū)， 每個區(qū) 8 個通用寄存器。 中斷源： 5個中斷源， 2個優(yōu)先級別。 堆棧：最深 128B。 布爾處理機：即位處理機， 對某些單元的某位做單獨處理。 指令系統(tǒng)（系統(tǒng)時鐘為 12MHZ 時）：大部分指令執(zhí)行時間為 1us；少部分指令，執(zhí)行時間為 2us。 只有乘、除指令的執(zhí)行時間為 4us。 引腳功能說明 圖 是 MCS51的引腳結(jié)構(gòu)圖，有雙列直插封裝（ DIP）方式和方形封裝方式。下面分別敘述這些引腳的功能。 主電源引腳 ① VCC：電源端。 ② GND：接地端。 (2) 外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2 ① XTAL1：晶體振蕩器接入的一個引腳。當采用外部振蕩器時，此引腳接地。 ② XTAL2：晶體振蕩器接入的另一個引腳。采用外部振蕩器時，此引腳作為外部振蕩信號的輸入端。 (3) 控制或與其他電源復用引腳 RST， ALE/PROG， EA/Vpp RST：復 2 位輸 H 入端。當振蕩器運行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時， ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的 1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號。因此，它可用作對外 輸出的時鐘，或用于定時目的。然而注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。在對 Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如果需要的話，通過對專用寄存器（ SFR）區(qū)中 8EH 單元的 D0 位置數(shù)，可禁止 ALE 操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)計 7 條 MOVX 或 MOVC 指令期間， ALE 才會被激活。另外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，該設(shè)定禁止 ALE位無效。 PSEN：程序存儲允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。當 80C51由外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效（即輸出 2 個脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 信號將不出現(xiàn)。 EA/Vpp：外部訪問允許端。要使 CPU 只訪問外部程序存儲器（地址為 0000H～ FFFFH），則 端必須保持低電平（接到 GND 端）。然而要注意的是，如果保密位 LB1 被編程，復位時在內(nèi)部會鎖存 EA端的狀態(tài)。當 EA端保持高電平（接 Vcc 端）時， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。在 Flash 存儲器編程期間，該引腳也用于施加 12V 的編程允許電源Vpp（如果選用 12V 編程）。 輸入 /輸出引腳 ～ ， ～ ， ～ 和 ～ 。 ① P0 端口（ ～ ）： P0 是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動 8個 TTL 輸入，對端口寫 1 時，又可作高阻抗輸入端用。 在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址（低 8位） /數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在 Flash 編程時， P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻 ② P1 端口（ ～ ）： P1 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。 P2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（ IIL）。在對 Flash 編程和程序校驗時，P1 接收低 8 位地址。 ③ P2 端口（ ～ ）： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。 P2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4個 TTL 輸入。對端口寫 1 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。 P2 作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（ IIL）。 在訪問外部程序存儲器和 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX@DPTR 指令）時， P2送出高 8位地址。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX@RI 指令）時，P2 口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（ SFR）區(qū)中 P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。 在對 Flash 編程和程序校難期間， P2 也接收高位地址和一些控制信號。 ④ P3端口（ ～ ）： P3 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。 P3的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。對端口寫 1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入 口。 P3作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)計 8 拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（ IIL）。在 AT89C51 中， P3端口還用于一些復用功能。復用功能如表 21所列。在對 Flash 編程或程序校驗地， P3還接收一些控制信號。 表 1 P3 各端口引腳與復用功能表 端口引腳 復用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INTO（外部中斷 0） 1INT（外部中斷 1） T0（定時器 0的外部輸入） T1（定時器 1的外部輸入） 數(shù)字溫 度傳感器 DS18B20 介紹 DS18B20 的主要特性 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線供電 獨特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊 DS18B20 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫 。 DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件， 全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi) 。 溫范圍－ 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時精度為 177。 ℃ 。 可編程 的分辨率為 9～ 12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 和℃ ，可實現(xiàn)高精度測溫 。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)計 9 在 9 位分辨率時最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速