智能家用电热水器.docx
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智能家用电热水器
摘要
本次设计采用ATMEL公司生产的AT89S51芯片作为智能电热水器的控制芯片，对该芯片的引脚和功能做了详细的介绍。
在硬件系统设计方面，对电源电路、键盘接口电路、报警电路、模数转换电路、温度检测电路，水位检测电路等进行了分析和设计。
在软件设计方面，采用汇编语言程序编程，汇编语言易于为单片机所识别，而且执行速度快。
本次设计所用到的芯片主要有AT89S51,74LS377,DS18B20，ADC0809等。
该智能电热水器设计完善，设计方案简单易行，采用软件设计控制，可以实现智能检测水位及水温，智能加热，并且提高整机的可靠性和准确性。
关键词：
单片机，控制，智能
ABSTRACT
AT89S51single-chipmicrocomputerisaproductionofATMELcorporation,Iuseittocontrolintelligentelectricwaterheaters.Ialsointroduceitspinandfunctionindetail.Thehardwaresystemconsistofpowercircuit,keyboardinterfacecircuit,alarmcircuit,analog-to-digitalconversioncircuit,temperaturetestingcircuitandwaterleveldetectioncircuit.Ianalysisanddesignthem.WhenIbegintodesignthesoftwaresystem,Iuseassemblylanguagetowriteprogram.Theassemblylanguageiseasytobedistinguishedbysingle-chipmicrocomputer,andtheexecutionspeedisfast.Thisdesignusedsomechips,includingAT89S51,74LS377,DS18B20,ADC0809andsoon.
Thisdesignisperfect,simpleandeasy.Usingsoftwaretocontroltheintelligentelectricwaterheatertoachievethegoalofdetectingwatertemperatureandlevel,itcanimprovereliabilityandaccuracyofthesystem.
Keywords:
single-chipmicrocomputer,controller,intelligence
目录
第1章绪论
1.1热水器的发展现状
1.2国内外电热水器的研究成果
1.3设计初步探讨
第2章硬件系统设计
2.1方案的比较和选取
2.2系统总体框图设计
2.3硬件系统设计
2.3.1电源电路
2.3.2AT89S51功能及特性介绍
2.3.3水位检测电路
2.3.4漏电检测电路
2.3.5温度检测电路
2.3.6键盘/显示接口电路
2.3.7模数转换电路
2.3.8发声电路
第3章系统的软件设计
3.1主程序流程框图
3.2 键扫描子程序流程框图
3.3 显示子程序流程框图
3.4运行程序流程框图
3.5软件仿真
结论
致谢
参考文献
附录1系统程序清单
附录2系统整体原理图
第1章绪论
1.1热水器的发展现状
我国城镇居民家庭中使用的热水器以电热水器为主，占各类热水器总量的60％以上。
以前风光无限的燃气热水器开始慢慢退出市场，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，本设计选择基于AT89S51单片机的智能电热水器的设计研究。
本选题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，基于AT89S51单片机设计具有智能特征的电热水器控制器。
选用AT89S51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。
1.2国内外电热水器的研究成果
热水器内胆最为关键，如果内胆损坏就意味着整台机器的报废。
与其他家用
产品不同的是，电热水器没有必要进行频繁升级换代，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考虑的。
空调的核心是压缩机，电扇的核心是电机，热水器的核心是内胆，从一定意义来说，内胆的品质就代表了热水器的品质。
目前的内胆技术纷繁复杂，但究其本质目标是一样的：
保温、耐压、不生锈、无水垢、不渗水。
市场上常见的内胆类型有搪瓷内胆、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，让使用者随时享用热水。
而在非用水时间则启动中温保温程序，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。
而事实也正是如此。
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。
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。
1.3设计初步探讨
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。
本课题是基于AT89S51单片机的智能电热水器的控制器的设计，要达到的控制要求有：
●设置四个数码管，两位数码管显示水温，两位数码管显示预设温度。
●水温检测显示范围为00～99℃，精度为±1℃。
●温度预设范围为30～60℃，当检测温度低于预设温度1℃时，开始加热；检测温度高于预设温度1℃时，停止加热。
●设置3个程序按键：
电源开关键：
电源关闭时，加热元件断电，单片机系统正常工作。
电源开启后，根据上次设定的温度（220V总电源不能关闭）自动进入工作状态。
温度+键：
每按一次该键，预设温度加1℃，长按该键（时间超过1秒以上），预设温度快速增加，当预设温度加到60℃时，按该键不起作用。
温度－键：
每按一次该键，预设温度减1℃，长按该键（时间超过1秒以上），预设温度快速减小，当预设温度减到30℃时，按该键不起作用。
●报警设置：
高温报警：
当检测温度高于65℃时，自动报警。
低温报警：
当检测温度低于0℃时，自动报警。
缺水报警：
当储水箱内缺水时，自动报警。
漏电报警：
当热水器发生漏电情况时，自动报警。
●设置一个蜂鸣器，当热水器出现异常情况而报警时，由蜂鸣器发出报警声，并自动切断加热元件的供电。
第2章硬件系统设计
2.1方案的比较和选取：
●AT89S51的优越性：
在AT89C51基础上新增加的功能AT89S51性能有了较大提升，但价格基本不变，甚至比AT89C51更低。
ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。
是一个强大易用的功能。
最高工作频率为33MHz，AT89S51比AT89C51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。
具有双工UART串行通道。
内部集成看门狗计时器，不再需要像AT89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
双数据指示器。
电源关闭标识。
全新的加密算法，这使得对于AT89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
兼容性方面：
向下完全兼容51全部字系列产品。
比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。
也就是说
●
所有教科书、网络教程上的程序，在AT89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。
●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1然后在中断服务程序中对马达，继电器进行控制1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，实现电热水器的智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，采用以AT89S51为控制芯片的控制系统设计，可以进一步提高电热水器的智能作用，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。
2.2系统总体框图设计：
智能电热水器将由AT89S51单片机作为控制芯片，经分析设计要求，初步确定其由8个模块组成，如下图所示：
时钟电路用来产生时钟信号供单片机工作，晶振采用12MHz，平衡电容采用33pF。
复位电路在系统上电或运行过程中对单片机进行初始化操作。
按键采用独立式热键，用来扩展系统功能，分别可以实现电源开关、温度增加和温度减少三个功能。
数码管用来显示水温和预设水温两组数据，所有数码管采用共阳接法，段控端接在单片机同一I/O口，位控端分别接在不同位的I/O口。
ISP接口通过并口与PC机连接，实现单片机与PC机通讯，用编译器对源程序进行调试及编译，通过ISP接口将形成的二进制目标程序下载到AT89S51单片机上。
依据设计要求，系统上电复位后按默认值开始运行，然后开始检测温度按键，若无按键，则按设定温度进行工作；若温度键已按下，则开始设定温度范围，并按新的设定值开始加热。
接着继续检测温度按键，若无按键，则接着上一步的执行（以新的设定值开始工作）。
若有按键，则重新设定温度范围，如此循环。
另外，在运行主程序的时候，首先要检测水位，若达不到预设值，则断电，蜂鸣器报警；若达到预设值,则开始检测水温。
2.3硬件系统设计
2.3.1电源电路
1．电源电路目的
单片机容工作时很容易受外界环境的干扰，因此要求供电电源单独设计制作。
电源设计是电路设计的总要环节，它的稳定与否关系到单片机是否能够正常工作。
按要求需要一个+5V电压和一个+12V左右的可调电压给AT89S51和其它芯片供电。
2．电源电路
电源电路按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路等；根据调整元件与连接方法可分为并联型和串联型；根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。
本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。
各部分简介：
（1）电源变压器
电源变压器作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需的交流电压V2。
变压器副边与原边的功率比P2/P1=η，式中η为变压器的效率。
（2）整流电路
整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压。
滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。
常用的整流电路有全波整流电路、半波整流电路、桥式整流电路及倍压整流电路。
小功率直流电源因功率比较小，通常采用单相交流供电。
由于桥式整流电路克服了半波整流的缺点，在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每个二极管的平均电流仅为负载电流的一半，与半波整流电路相比较，其输出电压提高，脉动成分减少。
（3）滤波电路
整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。
为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。
滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路及π型滤波电路。
本设计采用电容滤波电路。
电容滤波电路主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联。
桥式整流电路带电阻负载时的输出直流电压U0=0.9V，接上电容滤波后，空载时的输出直流电压U0=UC=U2。
所以，接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数RLC有关，RLC越大，U0越大。
（3）稳压电路
稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而广泛应用。
三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。
它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。
3.AC220V变换为+5V的直流稳压电源电路
图2-2+5V直流稳压电源电路图
元件选取
●变压器的选择：
使用变压器要求能将初级电压220V降为次级电压8V（需要的电压加上3V），次级电流1.7A，变压器的判断可用万用表测试两端电阻来判断初级和次级，若电阻大为初级。
●整流二极管的选择：
四个二极管的稳压程度应在变压器的次级电压的x3以上即24V。
耐流值等于变压器次级电流。
●滤波电解电容的选择：
耐压变压器次级电压x1.414容量为次级电流x（1500—2000uF）,即耐压112V容量（2500—3740uF）,可选3300uF。
●稳压：
使用7805三端稳压电路，在使用前判断三端稳压器的好坏。
测试：
1、2脚加上直流电压，用万用表测3和2脚间的电压，若数值相同，则证明此稳压器是好的。
●LED电路：
LED稳定电压2V，R限流电阻使电流达20mA左右，选择3V/20mA=150
4.选用W117三端稳压器制作输出可调稳压电源，W117稳压电路的供电电压变化范围大。
允许输出电压范围（2V—40V）,为扩大输出电压可调范围，基准电压设置很小，约1.25V,电路如下图所示:
图2-3可调稳压电源电路图
元件选择R1R2同种类型，选择不同R1R2值，可以得到我们所需要的不同电压。
2.3.2AT89S51功能及特性介绍
AT89S51芯片介绍和AT89S51最小系统：
1、AT89S51芯片
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4K的可编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
AT89S51采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8b的工／O端I：
IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。
其引脚功能如下：
Vcc：
电源电压GND：
接地
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。
作为输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”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）和数据总线复用，
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，此时可作为输入口。
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。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口：
P2口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到高电平，此时可作输出口，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（例如执行MOVE@DPTR指令）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（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容，在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。
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（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。
P3口还接手一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR
AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。
DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
ALE/~PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址所存允许）输出脉冲用于所存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引
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