1、目 录摘要 .1关键词 .1引言 .11 单片机的发展与应用 .11.1 单片机简介 .11.2 单片机的技术发展 .11.3 单片机的应用 .22 单片机 AT89C51的基本数据 .32.1 AT89C51概述 .32.2 AT89C51功能特性概述 .42.3 AT89C51的最小系统 .63 智能电热壶的基本数据 .73.1智能电热壶的工作原理 .73.2 报警电路的实现 .83.3.1报警电路控制元件的选择 .93.2.2报警电路的工作原理 .93.2.3报警电路的电路设计 .103.3 控制电路的实现 .113.3.1控制电路控制元件的选择 .113.3.2 控制电路的工作原理 .
2、113.3.3 控制电路的电路设计 .123.4 其它电路的实现 .153.4.1 时钟电路的实现 .153.4.2 复位电路的实现 .154 具体设计 .164.1 硬件连接总原理图 .164.2 程序设计 .174.2.1 程序流程图 .174.2.2总程序及各函数功能简介 .185 系统调试与结果 .246 总结 .257 致谢 .25参考文献 .261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，
3、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
4、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(IO)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-Micro Controller，简称单片机)或微控制单元(MicroController Unit，简称MCU)2。
5、 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。2（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
6、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 IO 接口、8 位定时器计数器、RAM 和 ROM等功能部件，但无串行 IO 接口，寻址范围不大于 4 KB。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)
7、。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 64 KB。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232 B，ROM 为 8KB，
8、且片内集成有高速 IO 部件、多通道 10位模数(AD)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(AD)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
9、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3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
10、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
11、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
12、着高性能和多品种方向发展，尤其是 MCS51 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4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
13、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。2.1 AT89C51 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：
14、图 1 AT89C51 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2.2 AT89C51 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(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能 CMOS 8位微处理器。AT89C20
15、51 是一种带 2K字节5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 2 AT89C51 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；(
16、2)控制引脚 、ALE、 、RESET(即 RST)；PSENA(3)IO 口引脚P0、P1、P2、P3，为 4个 8位 IO 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。6(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，
17、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 PCEAEA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 4KB Flash存储器地址范围)时，将自动转向
18、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0000HFFFFH，片内的 4KB Flash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 P0PROG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
19、存储器编程时，此PROG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PSEN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)OE端；在访问外部 RAM时 信号无效 9。PS2.2.3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7内部上拉电阻。在 FL
20、ASH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，
21、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
22、1所示 11：表 1 P3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。2.3 AT89C51 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：8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
23、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
24、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。9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
