智能电热壶的设计论文.docx
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智能电热壶的设计论文
工学院毕业设计（论文）
题目：
智能电热壶的设计
专业：
机电技术教育
班级：
073班
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学号：
**********
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日期：
2010年11月15日
智能电热壶的设计
摘要:
本文介绍了的是一款基于AT89C51单片机设计的智能电热壶，智能电热壶由报警电路和控制电路两大部分组成，主要是介绍智能电热壶的报警功能和自动控制功能的设计和实现，采用AT89C51单片机配合继电器、扬声器等的使用，给出了设计过程与编程方法，并用keil和Proteus软件进行调制仿真，实现了智能电热壶的自动报警、智能控制。
关键词：
AT89C51自动报警智能控制
引言
基于单片机的智能控制技术在各领域的用途越来越广泛，常见于笔记本电脑、智能数码相机、智能玩具、智能导航系统、智能电冰箱、智能空调、智能手机、智能家居等设备，它是这些设备中科技含量最核心的部分之一[1]。
同时，这项技术能够综合运用单片机和信息传输和处理等方面。
我们在报纸上、网络上、电视上经常看到各种由于电热壶所引发的火灾，给广大消费者的生命安全和财产安全带来了很大的隐患。
因此一款更安全、智能、人性化的电热壶产品成了一种需求，和必然的发展趋势。
本课题就是利用我们学到的知识和当前的发展状况，研究单片机控制继电器和报警电路以实现自动报警和智能控制功能。
最终功能是可以通过硬件和软件的配合实现智能电热壶的这一功能。
1单片机的发展与应用
1.1单片机简介
在通用微机中央处理器基础上，将输入／输出（I／O）接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。
由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯片内，因此被称为单片微控制器（Single-Chip-MicroController，简称单片机）或微控制单元（Micro．ControllerUnit，简称MCU）[2]。
1.2单片机的技术发展
1974年12月，美国著名的仙童（Fairchild）公司推出了世界上第一台单片机F8。
该机由两块集成电路芯片组成，结构新颖，并具有与众不同的指令系统，深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。
从此单片机开始迅速发展，应用范围也在不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支。
单片机的发展大致经历了外围集成、总线完善、功能集成、全方位发展等技术发展阶段，至今已走过了四代的历程[3]。
（1）第一代单片机（1974--1976）
这是单片机的初级阶段，以Fairchild公司的F8为代表。
该时期生产的单片机的特点是：
字长为4位，内部结构简单，制造工艺落后，集成度低。
（2）第二代单片机（1976--1980）
这是单片机的技术成熟阶段。
8位单片机已经出现，以Intel公司的MCS一48为代表。
该系列的单片机在片内已经集成了8位CPU、并行I／O接口、8位定时器／计数器、RAM和ROM等功能部件，但无串行I／O接口，寻址范围不大于4KB。
它性能低、品种少，应用范围也不广。
（3）第三代单片机（1980--1983）
这是单片机的推广阶段，8位单片机技术走向成熟。
其技术特点是完善了外部总线，确立了单片机的基本控制功能，以Intel公司的MCS一51为代表（MCS一51是Intel公司在MCS一48基础上推出的更完善、更典型的单片机系列）。
该阶段的单片机均带有串行I／（）口，且具有多级中断处理系统，定时器／计数器为16位，片内的RAM和ROM容量相对较大，寻址范围可达64KB。
这一代单片机结束了计算机单片集成的简单形式，真正开创了单片机作为微控制器的发展道路。
而这个时期的单片机由于其优良的性价比和及其广泛的领域，特别适合我国的国情，故在我国广泛应用。
（4）第四代单片机（1983一）
这是8位高性能单片机和16位单片机并行发展的阶段。
16位单片机除了CPU为16位以外，片内的RAM和ROM容量进一步增大。
以Intel公司的MCS一96系列为代表，其片内的RAM增加为232B，ROM为8KB，且片内集成有高速I／O部件、多通道10位模／数（A／D）转换器等。
目前，将测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道模／数（A／D）转换部件等直接应用到单片机中，增强了外围电路功能，强化了智能控制特征的单片机不断涌现。
同时，32位单片机也已进入实用阶段[4]。
1.3单片机的应用
目前单片机已被广泛应用于国民经济的各个领域，对企业技术改造和产品更新换代起到了重要的作用。
下面仅就一些典型应用方面进行介绍。
（1）工业自动化方面
自动化能使工业系统处于最佳状态，可以提高经济效益、改善产品质量和减轻劳动强度。
自动化技术被广泛应用于机械、电子、电力、石油、化工、纺织、食品等工业领域中，在工业自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集和测控技术，还是生产线上的机器人技术，都有单片机的参与。
由于单片机体积小，可以把它做到产品的内部，取代部分老式机械零件和电子元器件，缩小了产品体积，增强了功能，实现了不同程度的智能化，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用。
如国内外有相当一部分汽车工业，其汽车生产流水线控制，以及汽车自身的点火控制、反锁制动、牵引、转向等控制都是采用单片机实现的。
又如电脑缝纫机，用单片机代替了传统机械凸轮花样控制，不仅简化了机械结构，减少了加工工序和设备，而且使缝纫机性能大大提高，并能提供许多老式缝纫机无法提供的缝纫花样。
（2）智能化仪器仪表
智能化仪器仪表是目前国内外应用单片机最多、最活跃的领域。
现代仪器仪表（例如，测试仪表和医疗仪器等）的自动化和智能化要求越来越高，在各类（包括温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长度、硬度、元素测定等）仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表向数字化、智能化、微型化、多功能化方向发展。
此外，单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构、减小体积及重量后易于携带和使用，并具有降低成本，增强抗干扰能力，便于增加仪器仪表的显示、报警和自诊断等功能。
增强抗干扰能力，便于增加仪器仪表的显示、报警和自诊断等功能。
如便携式心率监护仪，采用单片机能判断心跳过缓、心跳过速、停搏、漏搏等异常心率。
（3）生活中的电器产品
当前，家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，通过采用单片机进行控制，智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便，例如，电脑全自动洗衣机、电冰箱、空调、电脑微波炉、电视机和音像视频设备等，进一步改善生活质量，可以把我们的生活变得更加丰富多彩。
如电子秤，是出现最早、最典型的一种单片机应用产品，内装单片机接收信息，计价处理时能立即显示单价、售价，在菜场、商店里获得广泛应用。
高级电子玩具的出现使玩具智能化，有很大的发展潜力，尤其是在国际市场需求量较大。
（4）军事装备方面
科技强军、国防现代化离不开单片机。
在现代化的飞机、军舰、坦克、大炮、导弹火箭和雷达等各种军用装备上，都有单片机深入其中。
近些年来，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是MCS．51系列单片机，由于它具有价格低廉、应用软件齐全、开发方便等特点，已成为目前单片机中的主流机型。
单片机的发展速度非常快，从有关统计资料提供的数据来看，单片机的产量已占整个微机（包括一般的微处理器）产量的80％以上。
单片机正处在上升的前沿时期，就其整体的发展趋势而言，单片机正向着大容量、高性能化、低价格化和外围电路内装化发展。
随着半导体集成工艺的进步，外围电路也将是大规模的，应用时可把所需要的外围电路装入单片机芯片内，从而简化外围电路的设计。
未来的单片机将会使系统单片化。
随着社会的进步和科学技术的发展，单片机的发展及对单片机的需求和它在各个领域中的应用将得到进一步扩大[5]。
2单片机AT89C51的基本数据
MCS-51是美国Intel公司的8位高档单片机系列，是在MCS-51系列基础上发展而来的，也是我国目前应用最广的一种单片机系列[6]。
2.1AT89C51概述
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128byte的随机数据存储器,器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元,功能强大AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域。
实物如图1所示：
图1AT89C51实物图
主要性能参数[7]:
.与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
.4K字节可重擦写FLASH闪速存储器
.1000次擦写周期
.全静态操作:
0Hz-24MHz
.三级加密程序存储器
.128*8字节内部RAM
.32个可编程I/O口线
.2个16位定时/计数器
.6个中断源
.可编程串行UART通道
.低功耗空闲和掉电模式
2.2AT89C51功能特性:
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
AT89C2051是一种带2K字节闪存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1000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，AT89C51各种型号芯片的引脚是互相兼容的。
目前，AT89C51单片机多采用40只引脚的双列直插封装（DIP）方式。
外形及引脚排列如图所示[8]。
图2AT89C51引脚图
40只引脚按其功能可分为如下3类：
（1）电源及时钟引脚——Vcc、Vss；XTALl、XTAL2；
（2）控制引脚——
、ALE、
、RESET（即RST）；
（3）I／O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I／O口的外部引脚。
2.2.1电源及时钟引脚
1、电源引脚
电源引脚接入单片机的工作电源。
（1）Vcc（40引脚）：
接+5V电源。
（2）Vss（20引脚）：
接地。
2、时钟引脚
（1）XTALl（19引脚）：
片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。
使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容。
（2）XTAL2（18引脚）：
片内振荡器反相放大器的输出端。
当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容。
当采用外接时钟源时，引脚XTALl接收外部时钟振荡器的信号，XTAL2悬空。
2.2.2控制引脚
控制引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。
（1）RST（9引脚）：
复位信号输入端，高电平有效。
当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以对单片机完成复位操作。
在单片机正常工作时，此引脚应为≤0.5V的低电平。
（2）
/VPP（31引脚）：
为外部程序存储器访问允许控制端。
当EA引脚接高电平时，在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KBFlash存储器的地址范围）的情况下，单片机读片内程序存储器（4KB），但超出0FFFH（即超出片内4KBFlash存储器地址范围）时，将自动转向访问外部程序存储器中的程序。
当EA引脚为低电平时，对程序存储器的读操作只限定在外部程序存储器，地址为0000H—FFFFH，片内的4KBFlash程序存储器不起作用。
VPP为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。
对于AT89C51单片机，在对片内Flash固化编程时，加在VPP引脚的编程电压为+5V或+12V。
（3）ALE/
（30引脚）:
ALE为低8位地址锁存允许信号。
在系统扩展时，ALE的负跳沿将P0口发出的低8位地址锁存在外接的地址锁存器中，然后P0口再作为数据端口使用，以实现P0口的低8位地址和数据的分时复用。
为该引脚的第二功能，在对片内Flash存储器编程时，此引脚作为编程脉冲输入端。
（4）
（29引脚）：
读外部程序存储器的选通信号。
在单片机读外部程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。
此引脚接外部程序存储器的
（输出允许）端；在访问外部RAM时
信号无效[9]。
2.2.3并行I/O引脚
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在FLASH编程时，P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。
FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对P3口写“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流[10]。
P3口除了作为一般的I/O线外，更重要的用途是它的第二功能，如表1所示[11]：
表1P3口的第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行口输出口）
P3.2
INT0（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
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）
此外,P3口还接收一些用于FLASH闪存存储器编程器和程序校验的控制信号。
2.3AT89C51的最小系统
AT89C51的最小系统由单片机连接复位电路和晶振电路组成如图3、4所示：
图3单片机复位电路
复位电路
复位原理：
复位操作有手动复位和上电自动复位，智能电热壶的设计采用的是一种上电自动复位电路，在复位电路上电的瞬间，RC电路充电，由于电容上电压不能突变，所以RST引脚出现高电平。
RST引脚出现的高电平将会随着对电容C的充电过程而逐渐回落，为了保证RST引脚出现的高电平持续两个机器周期以上的时间，需要合理地选择其电阻和电容的参数值，而电阻和电容参数的取值随着时钟频率的不同而变化[12]。
在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位外，外部扩展接口电路等也需要复位，所以系统需要一个同步的复位信号。
为了保证系统可靠工作，CPU应在系统所有芯片的初始化完成后再对其进行读写。
因此硬件电路应保证单片机复位后CPU开始工作时，所有的外部扩展接口电路全部复位完毕，即外部扩展接口电路的复位操作完成在前，单片机的复位操作完成在后，也可以采用软件的方式提供这种保证，在主程序的开始部分加入延时，然后再对单片机进行初始化操作。
复位状态：
单片机复位后，进入初始状态。
初始化后，其状态如下[13]。
（1）程序计数器PC：
0000H，即复位后单片机从0000H单元开始执行程序。
一般在0000H单
元存放一条转移指令，转移到主程序中；
（2）P0一P3口：
FFH，即各U0锁存器置1，可以直接输入；
（3）堆栈指针SP：
07H，即堆栈的栈顶地址为07H单元，07H单元为工作寄存器区，一般需
要堆栈时，将SP赋值，应超过30H；
（4）其余的SFR：
均为00H；
（5）片内MM：
为随机值。
内部寄存器的复位状态
图4：
单片机的时钟电路
时钟电路
5l单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
51单片机的时钟可由内部方式或外部方式产生，智能电热壶的设计当中采用的是内部方式。
内部时钟方式的硬件电路如图4所示。
在XTALl和XTAL2引脚接上一个晶振，在晶振上加上两个稳定频率的C1和c2，对外接电容值虽然没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性，其典型值为30pF。
晶振频率典型值为6MHz-12MHz[14]。
3智能电热壶的基本数据
经过几十年的发展，中国电热壶市场已经进入成熟期。
前些日，《电器》记者在采访中了解到，目前国内城镇居民对电热壶产品的认知率已超过70%，这类产品的国内市场占有率已从1999年的10.99%上升到2005年的23.45%。
而进一步的统计数字还显示，1999—2005年电热水壶产量的复合增长率为26．36％，产值的复合增长率为35.00%，产量、出口量和内销量同步迅速增加。
行业内预测认为，2006年国内电热水壶市场将会迎来历史上第一个快速成长期，2006年电热水壶预计销量在9OO万台左右，市场规模将达20亿元。
市场迅猛的增长使电热水壶这个本无太多看点的小家电产品开始变得引人注目[15]。
有数据显示，目前全球90％以上的电热水壶产品来自中国。
广东东菱凯琴集团董事长助理潘卫东告诉记者：
“目前国产电热水壶在国际市场上占据主导地位，许多企业的产品质量已经完全符合欧美市场对电热水壶产品环保、健康、安全等方面的要求，总体出口逐年增加，我们公司每年都有1200万台电热壶走上国际市场[16]。
3.1智能电热壶的控制原理
自动报警功能：
当智能电热壶加热到设定的温度后,用AT89C51单片机产生“嘀、嘀、…”报警声从P1.0端口输出，产生频率为1KHz，根据图5可知：
1KHZ方波从P1.0输出0.2秒，接着0.2秒从P1.0输出电平信号，如此循环下去，就形成我们所需的报警声了，这样就可以达到提醒用户的作用。
智能控制功能：
当智能电热壶加热到设定的温度后，AT89C51单片机将会从P1.3端口输出一个电平，用来触发可控硅，当可控硅在触发电流的作用下导通时，控制电路开始工作，此时继电器的线圈通电，断开加热电路，电热壶开始停止加热。
以达到智能控制的作用，以免用户在未听到报警声，但是电热壶还在加热，导致火灾等突发事件。
有了智能控制系统以后可以很好的保证安全性能，同时还可以起到节能的作用，比较人性化。
3.2报警电路的实现
3.2.1报警电路控制元件的选择
（1）音频放大模块
LM386是一种低电压通用型音频集成功率放大器，
广泛应用于收音机、对讲机和信号发生器中；内部设定
增益为20dB，当在1与8引出端外接电容与电阻时，
其增益增加可达200dB以内的任何值。
当输出自动偏置到电源电压一半，输入端参考地。
6V
电源工作时静态功率只有24mW。
LM386的外形与管脚图
如图5、6所示，它采用8脚双列直插式塑料图5：
LM386外形与管脚图
图6：
LM386的管脚图与内部电路图
表一：
LM386的电特性
（2）扬声器
扬声器又称“喇叭”。
是一种十分常用的
电声换能器件，在发声的电子电气设备
中都能见到它，如图7。
图7：
扬声器。
扬声器的主要性能指标：
扬声器的主要性能指标有：
灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真度等参数。
额定功率：
扬声器的功率有标称功率和最大功率之分。
标称功率称额定功率、不失真功率。
它
是指扬声器在额定不失真范围内容许的最大输入功率，在扬声器的商标、技术说明书上标注的功率即为该功率值。
最大功率是指扬声器在某一瞬间所能承受的峰值功率。
为保证扬扬器工作的可靠性，要求扬声器的最大功率为标称功率的2~3倍。
额定阻抗：
扬声器的阻抗一般和频率有关。
额定阻抗是指音频为400Hz时，从扬声器输入端测得的阻抗。
它一般是音圈直流电阻的1.2~1.5倍。
一般动圈式扬声器常见的阻抗有4Ω、8Ω、16Ω、32Ω等。
频率响应：
给一只扬声器加上相同电压而不同频率的音频信号时，其产生的声压将会产生变化。
一般中音频时产生的声压较大，而低音频和高音频时产生的声压较小。
当声压下降为中音频的某一数值时的高、低音频率范围，叫该扬声器的频率响应特性。
理想的扬声器频率特性应为20~20KHz，这样就能把全部音频均匀地重放出来，然而这是做不到的。
每一只扬声器只能较好地重放音频的某一部分。
失真：
扬声器不能把原来的声音逼真地重放出来的现象叫失真。
失真有两种：
频率失真和非线性失真。
频率失真是由于对某些频率的信号放音较强，而对另一些频率的信号放音较弱造成的，失真破坏了原来高低音响度的比例，改变了原声音色。
而非线性失真是由于扬声器振动系统的振动和信号的波动不够完全一致造成的，在输出的声波中增加一新的频率成分。
指向特性：
用来表征扬声器在空间各方向辐射的声压分布特性，频率越高指向性越狭，纸盆越大指向性越强。
扬声器参数：
扬声器的参数是指采用专用的扬声器测试系统所测试出来的扬声器具体的各种性能参数值.其常用的参数主要包括：
Z，Fo，η0，SPL，Qts，Qms，Qes，Vas，Mms，Cms，Sd，BL，Xmax，Gapgauss.以下分别是这几种参数其物理意义。
Z：
是指扬声器的电阻值，包括有：
额定阻抗和直流阻抗.（单位：
欧姆/ohm），通常指额定阻抗。
扬声器的额定阻抗Z：
即为阻抗曲线第一个极大值后面的最小阻抗模值，即图1中点B所对应的阻抗值。
它是计算扬声器电功率的基准。
直流阻抗DCR：
是指在音圈线圈静止的情况下，通以直流信号，而测试出的阻抗值.我们通常所说的4欧或者8欧是指额定阻抗。
（ACR交流阻抗：
音圈线圈动态下所测出的阻值）
Fo（最低共振频率）是指扬声器阻抗曲线第一个极大值对应的频率。
单位：
赫兹（Hz）扬声器的阻抗曲线图是扬声器在正常工作条件下，用恒流法或恒压法测得的扬声器阻抗模值随频率变化的曲线。
η0（扬声器的效率）：
是指扬声器输出声功率与输入电功率的比率。
SPL（声压级）：
是指喇叭在通以额定阻抗1W的电功率的电压时。
在参考轴上与喇叭相距1m的点上。
单位：
分贝（dB）产生的声压。
Qts：
扬声器的总品质因数值。
Qms：
扬声器的机械品质因数值。
Qes：
扬声器的电品质因数值。
Vas（喇叭的有效容积）：
是指密闭在刚性容器中空气的声顺与扬声器单元的声顺相等时的容积。
Mms（振动质量）：
是指扬声器在运动过程中参与振动各部件的质量总和，包括鼓纸部分，音圈，弹波以。
单位：
克（gram）.及参与振动的空气质量等。
Cms（力顺）：
是指扬声器振动系统的支撑部件的柔顺度。
其值越大，扬声器的整个振动系统越软。
单位：
毫米/牛顿（mm/N）
Sd（振动面积）：
是指在扬声器的振动过程中，鼓纸/振膜的有
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