采用數字溫濕度傳感器的多點(diǎn)溫濕度報警系統設計

　　實(shí)驗室作為學(xué)生實(shí)驗和科研活動(dòng)的重要場(chǎng)所，實(shí)驗室環(huán)境指標是否符合要求，直接關(guān)系到實(shí)驗能否順利進(jìn)行，乃至實(shí)驗的成敗，特別是對于醫學(xué)院校生物、生理等實(shí)驗課程，都要求穩定的實(shí)驗室環(huán)境，所以對于實(shí)驗室環(huán)境參數的檢測就顯得尤為重要。傳統的實(shí)驗室溫度濕度檢測方案基本使用溫濕度傳感器采集信號，經(jīng)放大、濾波、校準、模數轉換、顯示等硬件電路實(shí)現，這種方案由于硬件系統復雜，調試困難，使用時(shí)系統小元件故障就可能造成系統不穩定乃至癱瘓。鑒于此，我們采用數字溫濕度傳感器DHT11對傳統溫濕度檢測方案進(jìn)行改進(jìn)設計，對實(shí)驗室溫濕度參數采用多點(diǎn)檢測，實(shí)現了實(shí)時(shí)綜合評估實(shí)驗室溫濕度環(huán)境適宜性的目的。

　　1 系統原理及硬件構成

　　1.1 系統原理

　　實(shí)驗室多點(diǎn)溫濕度報警系統原理框圖如圖1所示，由低性?xún)r(jià)比單片機對數字溫濕度傳感器控制，通過(guò)模擬溫度傳感器通訊時(shí)序，實(shí)現對溫濕度數據采集，并對數據處理、顯示。當溫濕度數據超出設定溫濕度值時(shí)，由單片機驅動(dòng)報警裝置，實(shí)現現場(chǎng)報警功能。

圖1 報警系統原理圖

　　1.2 硬件選型

　　單片機選用國產(chǎn)宏晶科技生產(chǎn)的高性?xún)r(jià)比STC89C51RC系列，與傳統8051單片機相比，其具有功耗低，抗外部電磁輻射干擾強，程序下載方式為UART方式等優(yōu)點(diǎn)，使用非常方便。顯示模塊采用自帶漢字庫的LCD12864，主控芯片為ST7921，要求支持串口通信(部分LCD模塊需要跳線(xiàn)才能實(shí)現串口通信功能)。報警裝置采用LED與蜂鳴器實(shí)現聲光報警，當溫濕度超出設定值時(shí)，單片機I/O口輸出高電平，經(jīng)NPN型三極管驅動(dòng)大電流蜂鳴器和高亮發(fā)光管，實(shí)現報警功能。

　　1.3 DHT11特性研究

　　DHT11數字溫濕度傳感器，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。測量范圍相對濕度20%～90%RH，攝氏溫度0～50℃。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機相連接。數據接口采用單線(xiàn)制串行接口，信號傳輸距離可達20 m以上。傳感器典型連接方式如圖2所示，電源正與地跟單片機電源正和地相連接，8路數據接口分別接5.1 k上拉電阻與單片機P1口連接。

圖2 傳感器典型連接方式

　　DHT11數字溫濕度傳感器采用單線(xiàn)雙向的串行接口技術(shù)，一次通訊時(shí)間約4ms，數據分小數部分和整數部分，一次完整的數據傳輸為40bit，高位在先。即8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit校驗碼，其中校驗數據等于上述4個(gè)8bit數據之和所得結果的末8位。例如：讀取數據為：濕度為：36.50%;溫度為22.80℃，則對應的40bit數據為：0010 0100，0011 0010，0001 O110，0101 0000，1011 1100，其數值對應于溫濕度如表1所示。

　　DHT11與單片機主機通訊過(guò)程時(shí)序如圖3所示，總線(xiàn)空閑狀態(tài)為高電平，主機把總線(xiàn)拉低大于18ms等待DHT11響應，等開(kāi)始信號結束后，延時(shí)等待20～40μs，DHT11然后發(fā)送80μs低電平響應信號，然后主機讀取DHT11的響應信號，若總線(xiàn)為低電平，說(shuō)明DHT11發(fā)送響應信號，DHT11發(fā)送響應信號后，再把總線(xiàn)拉高80μs，準備發(fā)送數據，每1 bit數據都以50μs低電平時(shí)隙開(kāi)始，高電平的長(cháng)短(26μs～28μs表示數字0;70μs表示數字1)決定了數據位是0或1。如果讀取響應信號為高電平，則DHT11沒(méi)有響應，應當檢測器件或電路。當最后1 bit數據傳送完畢后，DHT11拉低總線(xiàn)50μs，隨后總線(xiàn)由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。當用戶(hù)MCU再次發(fā)送一次開(kāi)始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開(kāi)始信號結束后，DHT11發(fā)送響應信號，送出40blt的數據，這是讀到的數據為上次測量的數據，要得到實(shí)時(shí)溫濕度數據，必須連續兩次讀取溫濕度值，且第二次讀到的值為當前的溫濕度值。這一點(diǎn)特別值得注意。

　　2 系統軟件

　　軟件結構比較簡(jiǎn)單，主要包括了系統各部分的初始化，數據的讀取、計算、顯示、超限判斷等。程序編寫(xiě)首先要用單片機軟件模擬DHT11時(shí)序，驅動(dòng)單個(gè)傳感器模塊，然后應用模塊化編程方法集成整個(gè)系統軟件，以實(shí)現各項功能。

　　3 總結

　　本文采用了單總線(xiàn)數字溫度、濕度傳感器，應用單片機原理，LCD顯示技術(shù)，實(shí)現了實(shí)驗室多點(diǎn)溫濕度參數的實(shí)時(shí)顯示和超限報警系統，保障了實(shí)驗室環(huán)境的可靠性，有效地提高了實(shí)驗成功率。本系統還可以根據需要增加其他模塊，通過(guò)控制比如通風(fēng)，加溫等裝置，達到自動(dòng)控制實(shí)驗室環(huán)境的目的。