太原科技大学毕业设计（论文）
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第2章系统功能需求分析与控制方案选择
根据预想所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）温度设置区间为0度到99度，系统不断检测当前水温，如果水温高于用户设定的数值，则系统自动断电，不在加热。如果水温低于用户设定的数值，则系统不会断电，继续加热。(4）设置4个程序按键。分别为设置按键、加键、减键、确定键。（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。由此可以确定两种方案进行比较选择。
2.1 系统功能需求分析
在此次的系统设计中主要是通过温度传感器测得的数据，通过和单片机的连接引脚完成数据的传输。单片机通过采集到数据进行温度值的判断，来控制加热器的运行状态。系统中的数据显示使用的是LCD1602液晶显示屏，来显示实时温度的数值。报警指示灯（黄）：当热水器出现异常情况时，该指示灯被点亮。
系统在通电之后，单片机内部的PC指针指向程序运行的区域，首先开始的是温度传感器的初始化，在完成温度初始化任务之后，系统就处于检测判断状态。检测按键的发生以及温度是否超出设定区域。首先进行温度数值的判断，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 方案选择
方案一：以STC89C51单片机为控制中心的智能电热水器。
主控模块在整个系统中是最中心的部分，承担着统筹的作用，需要检测键盘等各种参数，以及驱动数码管的显示。[2]在本次设计中我选用了51系列单片机中的STC89C51单片机作为系统的主控芯片。因为单片机功能强大，应用广，从小的电子产品到大的工业控制都有很广泛的应用。
STC89C系列单片机兼容性很好。除了单片机内部扩展资源不同之外，其余资源都相同。比如说52类型的单片机比51类型的单片机E2PROM扩大了2倍，以及内部随机数存储器RAM增大些之外，其余功能全部一样。也就是说STC89S系列单片机基础功能都具备，并且引脚位置，中断地址，以及定时器方式都是一样的，唯一不同的是扩展
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的功能。由于单片机在不同场合控制的复杂度不一样，所以对单片机内部资源配置也不同。以便于适应于多种场合使用，而且选择合适的单片机型号，可以节约成本。当然，资源丰富的单片机价格也要稍贵一些。
此类单片机以EEPROM电可檫除和Flash技术为主导的存储器单片机以FLASH作为存储器的好处很明显，Flash可擦出次数多，一般很少因为擦除程序超出擦除Flash次数而损害单片机的。单片机的存储器除了可以存储程序，还可以运行程序，但是不能存储程序中的某些变量。这样可以加快程序的执行速度，提高单片机的效率。STC89系列的单片机具有以下特性：
（1）单片机引出的多个I/O口，使数据交换更加方便。
（2）采用静态时钟模式。单片机外部连接晶振电路，通过晶振里面的震荡电路给单片机提供时钟脉冲。时钟脉冲为单片机的程序执行提供了时钟节拍，在一个时钟节拍下，单片机的PC指针取一个指令执行，从而完成程序的顺序执行。
（3）可以应用于较小系统设计，或者定制用于专用的系统控制器，对需要控制的系统提供一种便捷的处理方法。
（4）通过定时器和计数器，可以设置时间间隔和记录电压变化次数。
（5）可以使用汇编语言设计的程序，其执行的效率更加高效。以达到节约单片机内部宝贵的资源为目的。
（6）单片机的品种多，可以选用不同内部资源部处理器，达到节约成本的目的。 下面具体介绍STC89C51芯片的参数：
STC89C51是一个8位微控制器，芯片内部已经集成4K字节存储区域的Flash,可以直接运行程序。STC89S51采用的是51系列的内核它与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。单片机的P0口。如果要改变P0口的输出电平值时，要在在单片机的相应寄存器里写入数据1时，单片机就会把相对应的端口输出高电平。如果在相应的寄存器里面写入0，单片机就会在相对应的端口输出定电平。比如在P0的寄存器地址上写入P0=0x01，则P0.1口位置就会输出高电平；如果P0=0x00，则P0口位置就会输出低电平。同理，外部线路提供低电压则可以通过该引脚读出低电压，单片机内部对该位的寄存器就会被写入0。由于P0口输出电流较小，所以需要上拉电阻来提供驱动电流。
单片机的P1口。P1口外部不用设置上拉电阻，P1口的能够提供20MA的驱动电流，所以可以直接对P1口的寄存器写值。P1口一般没有复用接口，在STC其他的单
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片机中有P1口的复用引脚，用来设置定时器PWM波的输出，或者单片机内部AD电压值的采集端口。在本次心率计的设计中，并没有用到PWM的功能，所以选择的芯片为传统的51内核单片机。在没有复用功能的单片机引脚，只有引脚的高电平和低电平输入输出功能，以及对单片机引脚的电压值读取功能。功能类似于P0口，如果要控制P1口的电平输出值，就要对P1口的地址寄存器写入数据。
P2口可以作为普通I/O功能也可以用作第二功能。当P2口作为普通I/O口输入输出时，同P0、P1口一样，只是对该位的引脚输出高电平和低电平的操作。当P2口作为第二功能使用时，P2口作为外部存储区域的高八位地址线。当单片机的内部存储区的容量不够时，就要采取外部连接存储芯片的办法来扩充单片机的存储容量。[3]由于单片机的程序存储区域可以直接运行程序，单片机的内部可以直接寻址找到程序所在的地址，在连接单片机外部外部存储芯片时，要和芯片的读取地址相对应，所以外部存储的连接位置是不可改变的，从而确定P2作为复用引脚的地址位置。通过对P2口地址的访问，可以读取外部存储芯片中的数据，也可以对相应的地址为写入数据。外部连接的存储芯片的大小可以选择，通常选用的标准是根据程序的大小来决定的。
P3口是一个可复用的端口。P3口的第一功能是作为数据的输入输出，通过对P3口的地址写入数据，从而控制高低电平的变化。当单片机设置了第二功能是，单片机的第一功能就不再工作，两种模式只能选用其中的一种。
另外P3口还可以设置第二功能。STC89C51单片机内部集成了6个中断。中断的作用是使程序更高效的执行，其中两个外部中断通过外部引脚进行触发，提供感知外部的电压变化进入中断。定时器一共有3个中断，这些中断是单片机的内部中断，根
[4]据设置相关的寄存器来触发定时器中断。中断的相应与设置的相应中断标志位有关，
一旦中断响应，就立即进入用户写的中断程序中。另外一个是串口中断，来检测串口接收或者发送数据的。串口对于单片机来说是一个与外界通讯的接口。有了串口，可以完成单片机对PC的通讯，或者单片机对单片机的通讯。通过串口传输数据，完成对单片机的控制任务。
通过上面所述，可以知道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。下图为以STC89C51单片机为控制芯片的系统连接图：
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图2.1 控制系统框图
遥控电路 电源电路 STC89C51 温度检测 加热电路 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是一款8位芯片。它的片内资源要比51单片机丰富，它的片机集成A/D转换器，片内有大容量的程序存储器以及数据存储区。但是它的成本比较贵。通过上面的综合考虑，这次设计硬件电路时，并不需要处理器片内丰富的资源，这次写入的程序较小，普通的51单片机就足以应付这次的系统设计，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比较方便快捷，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。
2.3 本章小结
本章主要对此次设计的家用电热水器控制系统的控制器方案选择上做了决定，最终决定使用结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低的STC89C51单片机作为控制器。
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