数字温湿度传感器的多点温湿度报警系统设计

实验室作为学生实验和科研活动的重要场所，实验室环境指标是否符合要求，直接关系到实验能否顺利进行，乃至实验的成败，特别是对于医学院校生物、生理等实验课程，都要求稳定的实验室环境，所以对于实验室环境参数的检测就显得尤为重要。传统的实验室温度湿度检测方案基本使用温湿度传感器采集信号，经放大、滤波、校准、模数转换、显示等硬件电路实现，这种方案由于硬件系统复杂，调试困难，使用时系统小元件故障就可能造成系统不稳定乃至瘫痪。鉴于此，我们采用数字温湿度传感器DHT11对传统温湿度检测方案进行改进设计，对实验室温湿度参数采用多点检测，实现了实时综合评估实验室温湿度环境适宜性的目的。

1 系统原理及硬件构成

1.1 系统原理

实验室多点温湿度报警系统原理框图如图1所示，由低性价比单片机对数字温湿度传感器控制，通过模拟温度传感器通讯时序，实现对温湿度数据采集，并对数据处理、显示。当温湿度数据超出设定温湿度值时，由单片机驱动报警装置，实现现场报警功能。



图1 报警系统原理图

1.2 硬件选型

单片机选用国产宏晶科技生产的高性价比STC89C51RC系列，与传统8051单片机相比，其具有功耗低，抗外部电磁辐射干扰强，程序下载方式为UART方式等优点，使用非常方便。显示模块采用自带汉字库的LCD12864，主控芯片为ST7921，要求支持串口通信(部分LCD模块需要跳线才能实现串口通信功能)。报警装置采用LED与蜂鸣器实现声光报警，当温湿度超出设定值时，单片机I/O口输出高电平，经NPN型三极管驱动大电流蜂鸣器和高亮发光管，实现报警功能。

1.3 DHT11特性研究

DHT11数字温湿度传感器，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。测量范围相对湿度20%～90%RH，摄氏温度0～50℃。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。数据接口采用单线制串行接口，信号传输距离可达20 m以上。传感器典型连接方式如图2所示，电源正与地跟单片机电源正和地相连接，8路数据接口分别接5.1 k上拉电阻与单片机P1口连接。



图2 传感器典型连接方式

DHT11数字温湿度传感器采用单线双向的串行接口技术，一次通讯时间约4ms，数据分小数部分和整数部分，一次完整的数据传输为40bit，高位在先。即8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验码，其中校验数据等于上述4个8bit数据之和所得结果的末8位。例如：读取数据为：湿度为：36.50%;温度为22.80℃，则对应的40bit数据为：0010 0100，0011 0010，0001 O110，0101 0000，1011 1100，其数值对应于温湿度如表1所示。



DHT11与单片机主机通讯过程时序如图3所示，总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低大于18ms等待DHT11响应，等开始信号结束后，延时等待20～40μs，DHT11然后发送80μs低电平响应信号，然后主机读取DHT11的响应信号，若总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80μs，准备发送数据，每1 bit数据都以50μs低电平时隙开始，高电平的长短(26μs～28μs表示数字0;70μs表示数字1)决定了数据位是0或1。如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，应当检测器件或电路。当最后1 bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50μs，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。当用户MCU再次发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40blt的数据，这是读到的数据为上次测量的数据，要得到实时温湿度数据，必须连续两次读取温湿度值，且第二次读到的值为当前的温湿度值。这一点特别值得注意。



2 系统软件

软件结构比较简单，主要包括了系统各部分的初始化，数据的读取、计算、显示、超限判断等。程序编写首先要用单片机软件模拟DHT11时序，驱动单个传感器模块，然后应用模块化编程方法集成整个系统软件，以实现各项功能。

3 总结

本文采用了单总线数字温度、湿度传感器，应用单片机原理，LCD显示技术，实现了实验室多点温湿度参数的实时显示和超限报警系统，保障了实验室环境的可靠性，有效地提高了实验成功率。本系统还可以根据需要增加其他模块，通过控制比如通风，加温等装置，达到自动控制实验室环境的目的。