第1章 绪 论
本章内容主要叙述了热式热水器方面的行业背景概况，此课题要求的系统任务以及在确定系统任务之后的整体设计思路，重点是关于热水器温度控制系统的设计思路。
1.1 课题背景
热式电热水器，进入中国市场已有十个年头之久，对于国内消费者来说，也是一个并不陌生的产品了。从一个边缘产业到逐渐成长为重心行业，产品技术上也趋于成熟和稳定，经过十年本土化、特色化的改造后，即热式电热水器终于迎来了发展高峰期。更多的企业拥入其中，据相关数据显示，目前国内已有300多家企业涉足此类产品的生产，其中主要集中在珠三角、长三角一带。
现在市场上的热水器按利用能源类型分为燃气热水器、电热水器及电热-太阳能复合式热水器等。
按照加热方式不同分为直热式电热水器和热泵式热水器。
直热式电热水器又分为两个类别：即贮水式电热水器和快热式电热水器。相比前者，后者具有不需预热及保温，即用即热，出水温度恒定，体积小巧，节能，寿命长等优点。但是，它也存在诸如功率大、制作工艺复杂，价格偏高等问题。
随着技术的不断成熟、成本不断降低、产品价格不断下降，快热式电热水器正迎来爆炸式的市场增长。参照国外的发展情况经验，在欧洲和东南亚，曾经是燃气式和贮水式的天下，快热式电热水器的市场经过20年的发展，占有率达到50%。目前中国市场即热式电热水器的销售比率只占3%，这表明即热式电热水器在中国有极为广阔的市场前景。
1.2 系统任务
设计一热式热水器温度闭环控制系统，系统方框图如下图1.1所示：
控制器 热水器 输出温度
给定温度 放大器 反馈温度 测量装置
图1.1系统方框图
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（1）热水器温度工作范围：0℃～63℃； （2）检测分辨率±1℃；
（3）键盘是采用拨动开关，实现温度设定范围为：0℃～63℃； （4）给定温度用2位LED用动态或静态扫描技术显示； （5）实际温度用2位LED用动态或静态扫描技术显示；
（6）增加预警系统，当加热到设定的温度时，则发出报警信号。
1.3 设计思路
热式热水器温度闭环控制系统包括检测系统、显示系统、按键设置温度系统、模拟加热系统、报警系统、单片机控制系统等六个部分。
系统选择性能优良的DS18B20温度传感器来模拟检测热水器内的温度；用两个两位的数码管来分别显示实时设定温度和实际温度；采用两个按键来分别设置温度的十位和个位；采用一个绿色LED灯来模拟加热装置（灯亮则表示启动加热装置，灯灭表示关闭加热装置）；采用一个红色LED灯来模拟报警信号（灯亮则表示实际水温高于预设水温，讲产生报警信号并关闭加热装置；灯灭则表示实际水温要低于预设水温，此时系统处于加热状态）；核心的单片机控制系统采用常用的AT89C51芯片，接收传感器反馈回来的温度信号，与设定温度值进行比较处理并作出是否开启加热装置的命令。总体结构图如下图1.2所示：
报警电路 键盘输入电路 单片机 图1.2系统总体原理框图
测温电路 显示电路 温度控制电路
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第2章 热式热水器温度控制系统的硬件设计
本章的重点是热式热水器温度控制系统的硬件设计，主要包括控制处理器以及实现其他设计功能的硬件模块。
2.1 AT89C51单片机简介
2.1.1 AT89C51单片机资源简介
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。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。 2.1.1.1主要特性
-与MCS-51 兼容
-4K字节可编程闪烁存储器 -寿命：1000写/擦循环 -数据保留时间：10年 -全静态工作：0Hz-24MHz -三级程序存储器锁定 -128×8位内部RAM -32可编程I/O线 -两个16位定时器/计数器 -5个中断源 -可编程串行通道
-低功耗的闲置和掉电模式 -片内振荡器和时钟电路 2.1.1.2管脚说明
VCC：供电电压 GND：接地
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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P0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。
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。
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。
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。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，说明如下： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（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。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
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
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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。
/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。
/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）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2：来自反向振荡器的输出
2.2 数字温控芯片DS18B20介绍
美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活，使你可以充分发挥“一线总线”的优点。 同DS18B20一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且新一代产品更便宜，体积更小。
2.2.1 DS18B20的特性
（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，寄生电源方式下可由数据线供。 （2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如
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