基于STC89C51单片机的智能电热水器的设计--毕业设计(2)

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

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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 研究设想和实验设计

STC89C51单片机低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内4kb的可系统编程Flash只读程序存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集合了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，功能很强大，可灵活应用于各种控制领域。基于此，我采用STC89C51作为智能电热水器的控制芯片，通过选用电源模块、单片机模块、ISP在线编程接口、键盘模块、数码管及指示灯显示模块、水温、水位检测模块、报警输出模块，来实现智能控制的要求。

具体实验设计：

STC89C51采用+5V电源供电，设计要求制作一直流稳压电源，采用220V市电供电，经桥式整流后送入滤波电路，再经稳压芯片CW7805输出+5V电压。单片机容易受外界环境干扰，因此要求供电电源单独设计制作。单片机硬件部分由单片机最小系统配以按键、显示器件构成。限于单片机型号采用12MHz晶振和两个30μF陶瓷平衡电容组成振荡电路。为使硬件具有通用性，复位电路采用上电与按键复位结合设计，独立式

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按键通过P1口扫描查询，分别执行设置、加、减、确定功能。系统还有红外遥控的功能，可以通过红外遥控器远距离控制热水器的工作，提高了系统的安全性。

系统工作时，首先检测功能按键，进行温度范围设置。其次检测加减按键，进行温度范围调节，也可以按下红外遥控器上的按键操作，与主板上的按键功能一样，然后运行程序，由传感器DS18B20检测水温，当检测温度低于预设温度下限时，开始加热；检测温度高于预设温度上限时，停止加热。并可以预约加热，设定时间0-999分钟，定时时间到达自动开始加热。

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第2章 硬件系统设计

2.1 方案验证

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STC89C51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：（1）用LCD1602液晶显示水温、设置上下限和定时时间，（2）水温检测显示范围为00～99℃，精度为±1℃。（3）温度预设范围为0～99℃，当检测温度低于预设温度时，开始加热；检测温度高于预设温度时，停止加热。（4）设置4个程序按键。分别问设置按键、加键、减键、确定。（5）可以红外遥控，通过红外一体接收探头接收遥控器信号，执行与主板按键同等功能。

方案一：以STC89C51单片机为控制中心的智能电热水器

STC89C51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STC89C51单片机为核心，配以外围电路如时钟电路、复位电路、按键、显示器件即可构成交通灯系统，结构框图如图2.1.1：

图2.1.1 STC89C51控制的智能电热水器

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电源电路 温度检测 加热电路 STC89C51 遥控电路 按键电路 显示电路

方案二：PIC16C72单片机为控制器件的智能电热水器

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，采用方案一的控制系统设计，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，并可以满足人们日常生活的需要，提高了人们生活的质量。

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30pF。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。显示通过LCD1602液晶显示实时温度、上下限温度值和预约功能的定时时间。报警指示灯（黄）：当热水器出现异常情况时，该指示灯被点亮。

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。

2.2 硬件系统设计

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、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。本设计中只用最小系统加上键盘、显示、ISP接口电路，单

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