基于DHT11的實驗室多點溫濕度報警系統(tǒng)設計

王志宏，白翠珍

（山西醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院，山西太原 030001）

0 引言

實驗室作為學生實驗和科研活動的重要場所，實驗室環(huán)境指標是否符合要求，直接關系到實驗能否順利進行，乃至實驗的成敗，特別是對于醫(yī)學院校生物、生理等實驗課程，都要求穩(wěn)定的實驗室環(huán)境，所以對于實驗室環(huán)境參數(shù)的檢測就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的實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(shù)轉換、顯示等硬件電路實現(xiàn)，這種方案由于硬件系統(tǒng)復雜，調試困難，使用時系統(tǒng)小元件故障就可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定乃至癱瘓。鑒于此，我們采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11對傳統(tǒng)溫濕度檢測方案進行改進設計，對實驗室溫濕度參數(shù)采用多點檢測，實現(xiàn)了實時綜合評估實驗室溫濕度環(huán)境適宜性的目的。

1 系統(tǒng)原理及硬件構成

1.1 系統(tǒng)原理

實驗室多點溫濕度報警系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，由低性價比單片機對數(shù)字溫濕度傳感器控制，通過模擬溫度傳感器通訊時序，實現(xiàn)對溫濕度數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)處理、顯示。當溫濕度數(shù)據(jù)超出設定溫濕度值時，由單片機驅動報警裝置，實現(xiàn)現(xiàn)場報警功能。

圖1 系統(tǒng)原理結構框圖

1.2 硬件選型

單片機選用國產宏晶科技生產的高性價比STC89C51RC 系列［1］，與傳統(tǒng) 8051 單片機［3］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，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模塊需要跳線才能實現(xiàn)串口通信功能）。報警裝置采用LED與蜂鳴器實現(xiàn)聲光報警，當溫濕度超出設定值時，單片機I/O口輸出高電平，經(jīng)NPN型三極管驅動大電流蜂鳴器和高亮發(fā)光管，實現(xiàn)報警功能。

1.3 DHT11特性研究

DHT11［2］數(shù)字溫濕度傳感器，是一款含有已校準數(shù)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℃。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。數(shù)據(jù)接口采用單線制串行接口，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(shù)據(jù)接口分別接5.1 k上拉電阻與單片機P1口連接。

圖2 DHT11典型連接圖

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采用單線雙向的串行接口技術，一次通訊時間約4ms，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位在先。即8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗碼，其中校驗數(shù)據(jù)等于上述4個8bit數(shù)據(jù)之和所得結果的末8位。例如:讀取數(shù)據(jù)為:濕度為:36.50%;溫度為22.80℃，則對應的40bit數(shù)據(jù)為:0010 0100，0011 0010，0001 0110，0101 0000，1011 1100，其數(shù)值對應于溫濕度如表1所示。

表1 40bit數(shù)據(jù)結構表

DHT11與單片機主機通訊過程時序如圖3所示，總線空閑狀態(tài)為高電平，主機把總線拉低大于18 ms等待DHT11響應，等開始信號結束后，延時等待20～40 μs，DHT11然后發(fā)送80 μs低電平響應信號，然后主機讀取DHT11的響應信號，若總線為低電平，說明DHT11發(fā)送響應信號，DHT11發(fā)送響應信號后，再把總線拉高80 μs，準備發(fā)送數(shù)據(jù)，每1bit數(shù)據(jù)都以50 μs低電平時隙開始，高電平的長短（26 μs～28 μs表示數(shù)字0;70 μs表示數(shù)字1）決定了數(shù)據(jù)位是0或1。如果讀取響應信號為高電平，則DHT11沒有響應，應當檢測器件或電路。當最后1bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50 μs，隨后總線由上拉電阻拉高進入空閑狀態(tài)。當用戶MCU再次發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發(fā)送響應信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，這是讀到的數(shù)據(jù)為上次測量的數(shù)據(jù)，要得到實時溫濕度數(shù)據(jù)，必須連續(xù)兩次讀取溫濕度值，且第二次讀到的值為當前的溫濕度值。這一點特別值得注意。

圖3 DATA數(shù)據(jù)通訊時序圖

2 系統(tǒng)軟件

軟件結構比較簡單，總體流程如圖4所示。主要包括了系統(tǒng)各部分的初始化［4］，數(shù)據(jù)的讀取、計算、顯示、超限判斷等。程序編寫首先要用單片機軟件模擬DHT11時序，驅動單個傳感器模塊，然后應用模塊化編程方法集成整個系統(tǒng)軟件，以實現(xiàn)各項功能。

3 總結

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

圖4 程序流程圖

［1］STC89C51RC/RD+系列單片機器件手冊［EB/OL］.http//www.MCU-Memory.com.2009.02.02.

［2］溫濕度模塊DHT11產品手冊［EB/OL］.http//www.aosong.com.

［3］李泉溪.單片機原理與應用實例仿真［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009:266-269.

［4］劉向宇.PIC單片機C語言設計實例精粹［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010:181-182.