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第1章绪论
热水器的历史背景与发展情况
热水器的历史背景
据不完全统计，我市城镇居民家庭以电热水器为主，占总量的60％以上；
从前风光无限的燃气热水器渐渐地黯然失色，市场份额仅剩不足20％；
新兴的太阳能热水器虽然受到安装条件的限制，但其安全、环保的性能广受消费者青睐，发展态势迅猛，市场占有率已达到15％左右。
于安全方面的考虑是城镇居民更多选择电热水器和太阳能热水器的主要原因。
时下的商品房通风效果并不好，燃气产生的污染无法及时消除，而电热水器和太阳能热水器则基本没有这方面的忧虑。
三大热水器：
燃气热水器———廉颇老矣；
电热水器———风头正劲；
太阳能热水器———后劲十足。
电热水器的优点：
易安装，不受天气的影响，不受楼层和供水管道的限制，投入小。
随着技术进步和新品的开发，下置式、嵌入式等多种安装形式的电热水器先后上市，彻底摆脱了房间空间的限制。
中央供水和数码智能的电热水器也已进入市场。
电热水器的安全问题涉及到消费者的生命，又加上近些年的能源危机，人们生活节奏的加快，智能化电热水器越来越受到消费者的青睐。
在当今社会，科技日新月异，热水器技术飞速发展，越来越多的科技成果被运用到热水器的制造中。
如今的热水器产品已经绝对不是一个简单的加热器，而是科技含量高的现代化家电产品。
随着我国人民生活水平的逐渐提高，其生活条件有了很大的改善，智能化电器在人们日常生活中占有比重越来越大，与家庭生活密切相关的热水器品种层出不穷，花样翻新。
正是在这样的背景下，本文选择基于AT89C51单片机的电热水器节能控制的设计研究。
本文目的是基于人们对现代家庭舒适、便利、安全以及多元化信息服务的需要，设计具有智能特征的电热水器控制器。
选用AT89C51单片机作为控制芯片，就是为了实现电热水器的智能化，持续稳定的热水供应，自动断电的安全功能，使人们洗浴时能放心享受，利于人们的身体健康，其务实性能快速满足人们对现代生活快节奏的需求。
国内外研究状况和成果
据了解，热水器内胆最关键，如果内胆损坏就意味着整台机器报废。
与其他家用产品不同的是，电热水器没有必要频繁升级换代，出于安全性和经济性的考虑，热水器的耐用性才是厂商需要绞尽脑汁的。
空调的核心是压缩机，电扇的核心是电机。
对于热水器来说内胆是最关键的，从一定意义来说，内胆的品质就代表热水器的品质。
目前的内胆技术纷繁复杂，但究其本质目标都是一样的：
保温、耐压、不生锈、无水垢、不渗水是内胆的基本要求。
市场上常见的类型有搪瓷内胆、不锈钢内胆、钛金内胆、金圭内胆等，搪瓷内胆抗疲劳性差，不锈钢内胆焊缝容易漏水，目前比较先进的内胆主要是钛金内胆。
除了对耐用性的不懈追求，智能化技术运用是今后技术发展的一个普遍趋势。
燃气热水器设有自动恒温控制，停气自动关机，超水温泄压等安全保护功能，即使临时停气，仍有储存的热水使用。
智能化技术的运用有两个好处，一是更方便，二是更节能，按照用户的使用习惯提前预先加热，让使用者随心享用热水。
而在非用水时间则启动中温保温方程式，根据设定温度计算出最节能的保温温度，减小热水器内外温差，因而大大减少保温加热次数，真正做到不拔插头更省电。
在节能上冰箱等家电产品已经走在了前面，热水器这种用电量很大的产品更加应该推进节能技术的普及。
对于传统的电热水器行业而言，要想出现本质性的突破几乎是不可能的，而在功能上不断提升，抓住人性化需求，却是一条可行之路。
而事实正是如此。
阿里斯顿、比利奇、史密斯、海尔、美的争先恐后推出了超大液晶屏、电子线控、超薄时尚、双管加热、漏电保护器、防电墙、多口出水等新技术，尤其是海尔，甚至在电热水器上增加了按摩功能，专门的喷雾按摩喷嘴，让消费者可以足不出户就感受按摩的快乐。
国外对智能电热水器的主要研究成果有：
西门子智能电热水器，采用德国新电脑温控技术，确保出水温度均匀恒定，使沐浴成为真正的享受。
西门子家电集团采用西门子在电站技术上的强大防漏电安全技术为基础，开发出独有的ELCB德国安全专家模式功能。
除具有正常的防漏电装置外，还具备安全电流自我检测功能，随时检测防漏电系统是否正常工作，双重保险将个体与电源完全分开，杜绝意外发生。
樱花IMES智能记忆节能系统，突破了传统单时段节能模式，提供了独一无二的三时段定时预热和七种供水模式，其工作过程“聪明伶俐”，它不断自动存储、分析主人近一个月用水的具体数据，以最经济的模式提前为主人准备热水，真正实现全天候节能供水。
特别是还具备体贴的停电数据保留功能，就算停电48小时，也能自动记忆所有参数，让主人毫无后顾之忧。
全新的智能中温保温功能，彻底弥补了传统中温保温的缺陷，根据设定水温、环境、季节的不同，自动选择最节能的保温状态，避免固定中温技术大幅度温差造成不必要的浪费，缩短加热时间，切实做到省电节能。
配合特有超厚高密度聚氨脂发泡层，节能指标全面达到国家专业标准，当然倍受信赖。
完美的节能系统整合，把IMES智能记忆作为系统节能的核心，将各种节能的细节整合到尽善尽美，智能记忆与自动加热技术的融合应用，自动加热、实时加热、定时加热三种工作模式任意选择。
就中国的具体情况而言,其研究成果虽稍逊于国外，但是学者们也在努力寻求技术的突破，比如海尔就走在了同行的前面。
近日，海尔推出了一款全新产品——银海象A6智能专家，成为国内第一款具备记忆和计算能力双重智能的热水器。
能记是A6的最大特色。
它独有的断电自动记忆功能，即使突然停电，系统也会将之前设置的参数自动保存，从而在来电开机时仍保持原有设计，无需重新设置，方便简单。
会算是A6的又一特色。
许多热水器也有预约功能，但预约的都是加热时间。
用户一般不知道该提前多长时间加热，因此不是早了就是晚了。
而A6产品只需设定好你的洗浴时间即可。
它会自动根据当前的室温及水温计算好所需的加热时间，并自动提前加热，从而可以最大限度的减少用电损耗。
除了能记会算，
A6的外观也独具一格。
它使用LED超大显示屏，清晰明了；
同时，A6引入无线智能遥控技术，不仅使热水器安装彻底摆脱了高度的限制，操作更自由方便。
另外，A6采用了下倾式控制面板，实现半隐藏式安装，使浴室装修更完美。
此外，A6的节能效果同样出色，智能预约、中温保温、分层加热等让您省钱到家。
实验证明，仅中温保温一项技术，就能在24小时内节能约0.33度。
如深圳市明佳实业发展有限公司获得了19项热水器发明专利的授权。
在热水器研发中模拟大自然中的负离子功效，利用热水器的电能、空气气压、水压形成的势能和动能，作用于空气或水中的水分子使其发生破裂，使空气中带负电荷的氧分子和微小的水分子结合，生成大量的负离子。
热水器节能控制系统实现的功能
本系统计要求完成的功能如下：
（1）根据用户使用的热水量自动确定热水器水箱里的进水量；
根据用户开始使用热水的时间自动确定热水器开始加热的时间；
（2）水量控制误差小于±
1.5kg；
水温控制精度小于±
0.5℃；
（3）具有水温、水量显示功能及安全用水功。
第2章
方案论证
系统控制要求
目前市场上的电热水器有连续水流式，虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。
而且市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，因此电热水器的智能化成为必然趋势。
采用单片机来实现电热水器的智能化，主要是因为其采用面向控制的指令系统，实时控制功能特别强。
CPU可以直接对I/O口进行输入、输出操作及逻辑运算，并且具有很强的位处理能力，能有针对性的解决由简单到复杂各类控制任务。
单片机做为嵌入式应用的微型计算机，由于其出色的性价比，极强的实用性，它取得了巨大的发展。
本文是基于AT89C51单片机的电热水器节能的控制器的设计，要达到的控制要求有：
根据用户开始使用热水的时间自动确定热水器开始加热的时间。
0.5℃。
系统控制方案
1.控制器的选择
方案一：
以AT89C51单片机为控制中心的智能电热水器。
AT89C51单片机具有结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。
以AT89C51单片机为核心，配以外围电路如时钟电路、复位电路、按键、显示器件即可构成节能控制系统。
方案二：
PIC16C72单片机为控制器件的热水器节能控制系统。
PIC16C72是美国微芯（Microchip）公司推出的8/11位单片机，采用宽字节单周期指令，哈佛双总线和RISC结构，其数据吞吐量最高可达6MIPS，这几乎是其它大多数8位微控制器速度的4倍128脚封装的PIC16C72单片机内集成了以下主要功能：
2KB片内ROM程序存储器，128KB数据存储器；
22位I/O线；
5路8位A/D转换器，2个8位，1个16位多功能计数器/定时器，1个捕捉/比较/脉宽调制（CCP）部件。
以PIC16C72为控制芯片的电热水器，虽然功能很强大，但是存在一些很需要改进的地方：
中断的现场保护是中断应用中一个很重要的部分由PIC16C72的指令系统中没有专门的PUSH（入栈）和POP（出栈）指令，所以要用一段程序来实现该功能。
对可能用到的W寄存器和STATUS寄存器内容进行现场保护，然后在中断服务程序中对马达，继电器进行控制漏电检测报警在中断里给出，而每50ms进入一次中断，所以发生漏电时最多50ms即可切断电源1入口→中断保护→控制马达→控制继电器如果用直流对电机进行控制，其转速太快，过调量太大，容易引起震荡。
通过以上两种设计方法的比较来看，实现电热水器的节能控制可以有很多种方法。
可以采用可编程序控制器PLC，各种单片机来实现。
但考虑到成本控制和软硬件实现难度，采用方案一的控制系统设计，可以进一步提高电热水器的节能作用，能够保证持续的热水供应，并能够在异常情况下自动断电，可以满足人们日常生活的需要，提高了人们生活的质量。
热水器将由AT89C51单片机作为控制芯片，经分析设计要求，初步确定如下图2.1所示：
2.温度传感器的选择
温度检测的方法很多，有热电偶，热敏电阻，还有专门的集成测温传感器等。
热电偶传感器是将温度变化转为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。
通常把被测温度的变化转化为敏感元件的电阻变化、电势的变化，再经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化。
热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点。
但有变化率非线性，不适合测量高温区等缺点。
目前比较先进的方法是采用专门的集成测温传感器（如DS18B20），直接将温度转换成数字信号传送给单片机。
这种方法显然比较先进。
经比较选择方便的温度传感器DS18B20。
3.键盘电路的选择
键盘选用行列式键盘，行列式键盘的接口方法，直接接口于单片机的I/O口上。
键盘设置在行、列线的焦点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。
行线通过上拉电阻接+5V，被拉在高电平状态。
但线路较复杂，价格较昂贵，不适用。
采用独立式键盘，独立式键盘是由若干个机械触点开关构成的，把它与单片机的I/O口线连起来，通过读I/O口的电平状态，如果按键不被按下，其端口就为一种电平，如果按键被按下，则端口就为另一种电平，即可识别出相应的按键是否被按下。
由于本系统按键较少，所以选择独立式键盘。
4.显示电路的选择
LED数码管静态显示，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来了一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块。
动态数码管显示一般用在需要多只数码管显示的场合，它采用分时的方法，让每只数码管轮流显示。
采用动态显示可以大幅的降低硬件成本和电源的功耗。
因为分时显示，某一时刻只有一只数码管在工作，显示驱动电路也可以分时复用。
通常各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；
各位的位选线由另外的I/O口线控制。
动态方式显示时各数码管轮流分时选通，要使其稳定显示必须采用动态扫描方式，即在每一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另外一位数码管，并送出相应的段码。
虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以数码管同时显示的感觉。
在动态显示方式下电路设计简单，所以采用。
第3章
硬件设计
系统硬件设计总述
单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、水温检测电路、水量检测电路、A/D转换器、时钟芯片等，要设计合适的接口电路。
系统的硬件系统以AT89C51单片机为核心，主要分两部分：
直流稳压电源和电热水器节能控制电路。
直流稳压电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压电路组成。
电热水器节能系统由单片机最小系统、报警电路、时钟芯片、键盘电路、模数转换电路和显示接口电路组成。
单片机介绍及最小系统设计
AT89C51单片机介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1.AT89C51单片机主要特性
1）与MCS-51兼容
2）4K字节可编程闪烁存储器，寿命：
1000次写/擦循环，数据保留时间：
10年
3）全静态工作：
0Hz-24Hz
4）三级程序存储器锁定
5）128*8的内部RAM
6）32条可编程I/O接口
7）两个16位定时/计数器
8）5个中断源
9）可编程串行通道
10）低功耗的闲置和掉电模式
11）片内振荡器和时钟电路
2.AT89C51单片机管脚说明
1）VCC：
供电电压
2）GND：
接地
3）P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
4）P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
5）P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
6）P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
7）P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号
8）RST：
复位输入。
当振荡器复位期间时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
9）ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
10）PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
11）/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
12）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
13）XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.AT89C51单片机振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4.AT89C51单片机芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
AT89C51单片机引脚图如图3.1所示：
图3.1AT89C51单片机引脚图
单片机最小系统
单片机最小系统,或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系，对51系列单片机来说，最小系统一般应该括：
单片机、晶振电路、复位电路。
晶振电路：
晶振电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，时钟电路就好比人的心脏。
同样，如果单片机的时钟电路停止工作，那么单片机也就停止运行了。
当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法。
单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL
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