基于DHT11傳感器的機(jī)房溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐鑫秀 趙士原

摘? 要：機(jī)房?jī)?nèi)電子設(shè)備工作的穩(wěn)定性關(guān)系著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信性能，這些設(shè)備的性能受多種因素影響，其中溫濕度的變化是影響電子設(shè)備性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，而機(jī)房?jī)?nèi)的溫濕度不僅受自然環(huán)境影響，也會(huì)受到電子設(shè)備和線路本身在長(zhǎng)時(shí)間工作情況下散發(fā)的大量熱能的影響。因此，基于DHT11傳感器設(shè)計(jì)一款機(jī)房溫濕度控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)并調(diào)節(jié)機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度，不僅利于保障通信網(wǎng)絡(luò)的安全可靠，還能節(jié)約能源，該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：通信機(jī)房;溫濕度檢測(cè);STC89C52單片機(jī);DHT11

Abstract：The stability of the electronic device in the computer room work relations to the entire network of communication performance，the performance of these devices are influenced by many factors，including the change of temperature and humidity is one of the key factors influencing the performances of electronic equipment，and the room is not only affected by the natural environment of temperature and humidity，electronic devices and circuit itself under the condition of long time work also will send out a lot of heat. Therefore，the design of a temperature and humidity control system in the computer room based on the DHT11 sensor and the real-time detection and adjustment of temperature and humidity in the computer room are not only conducive to ensuring the safety and reliability of the communication network，but also can save energy. The system has the advantages of reliable operation and high cost performance.

Keywords：communication room;temperature and humidity detection;STC89C52 MCU;DHT11

0? 引? 言

隨著校園網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)的不斷深入，通信機(jī)房?jī)?nèi)儀器設(shè)備的工作狀態(tài)對(duì)于整個(gè)校園信息網(wǎng)運(yùn)行暢通越來(lái)越重要，設(shè)計(jì)人員對(duì)通信機(jī)房?jī)?nèi)的環(huán)境提出了越來(lái)越苛刻的要求[1]，尤其是對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的溫濕度、潔凈度以及空氣的流速等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制是現(xiàn)代通信機(jī)房的必然要求。本文正是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和調(diào)節(jié)而設(shè)計(jì)了一種溫濕度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)選擇DHT11傳感器采集室內(nèi)實(shí)時(shí)的溫濕度數(shù)據(jù)，然后用風(fēng)扇、空調(diào)等對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)操作，通過(guò)在本校系部機(jī)房的實(shí)際使用檢驗(yàn)，該系統(tǒng)基本能夠滿足小型機(jī)房的溫濕度調(diào)節(jié)要求。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求利用傳感器對(duì)機(jī)房室內(nèi)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)檢測(cè)，把所獲得的溫濕度數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)系統(tǒng)和預(yù)設(shè)的溫濕度上下限數(shù)值來(lái)進(jìn)行比較，并把測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送給顯示屏，讓其顯示所測(cè)出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，只要實(shí)時(shí)數(shù)值比自己提前設(shè)置好的值高或者較低的時(shí)候，就要打開空調(diào)或者風(fēng)扇，并把信息發(fā)送到遠(yuǎn)程界面。而當(dāng)溫度和濕度已經(jīng)處于提前設(shè)定好的范圍內(nèi)時(shí)則要停止空調(diào)和風(fēng)扇的工作，這樣最終能夠達(dá)到節(jié)能減排的基礎(chǔ)目的。該系統(tǒng)主要研究以下五個(gè)方面：

（1）可以調(diào)節(jié)所需最適合溫濕度的上下閾值;

（2）實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)房室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù);

（3）顯示所得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值;

（4）當(dāng)所測(cè)得數(shù)據(jù)值高于或低于所設(shè)置的閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出遠(yuǎn)程報(bào)警信息;

（5）當(dāng)實(shí)際值超出限值，自動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)或風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2? 系統(tǒng)總體方案

通過(guò)對(duì)系部通信機(jī)房實(shí)際環(huán)境檢測(cè)需求和溫濕度控制要求的調(diào)研，我們選擇了如圖1所示的系統(tǒng)總體方案，整個(gè)系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)主要模塊：電源、主控芯片、溫濕度數(shù)據(jù)采集（傳感器）模塊、LED液晶顯模塊、GSM無(wú)線發(fā)射模塊、指示燈、風(fēng)扇或空調(diào)，以及實(shí)現(xiàn)交互功能的按鍵。圖1是系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要框圖。

總的來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本滿足了系部通信機(jī)房溫濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)、且通過(guò)風(fēng)扇模塊及時(shí)地控制溫濕度，能夠達(dá)到節(jié)能并且減排的基礎(chǔ)目的，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也兼顧了經(jīng)濟(jì)性和通用性。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控芯片的選型非常關(guān)鍵[2]，選型過(guò)程中需主要考慮其使用的便捷性、穩(wěn)定性和性價(jià)比。因?yàn)闇貪穸葘?duì)于電子產(chǎn)品的性能有較大的影響，如果過(guò)高且不能及時(shí)得到有效控制會(huì)嚴(yán)重影響其工作效率，因此通信機(jī)房溫度控制系統(tǒng)需要具有良好的穩(wěn)定性[2]，如果主控芯片選擇得合適，那么整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用就會(huì)非?？煽浚瑫r(shí)也要滿足便捷性和性價(jià)比;但是如果單片機(jī)的型號(hào)選擇得不太恰當(dāng)時(shí)，就很有可能會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的安全遭到攻擊，同時(shí)也提高了成本要求，這樣也就會(huì)影響單片機(jī)工作時(shí)的正常運(yùn)行，甚至最終還會(huì)根本達(dá)不到之前設(shè)計(jì)要求完成的功能。綜合比較每一個(gè)可用元器件資源的費(fèi)用支出，還有開發(fā)和維護(hù)是否便捷等因素，最后決定選擇STC89C52單片機(jī)用作主控芯片。

3.1? 溫濕度傳感器模塊選型及電路設(shè)計(jì)

由于通信機(jī)房本身線路多而且復(fù)雜，設(shè)備也比較繁雜，所以溫濕度傳感器的選擇應(yīng)盡可能地滿足集約性和小型化，而且通信機(jī)房本身線路和設(shè)備功耗比較大[3]，因此作為直接測(cè)量通信設(shè)備溫濕度的器件，溫濕度傳感器的選擇要考慮其功耗的大小，當(dāng)然測(cè)量精度也要滿足本設(shè)計(jì)的需求和測(cè)量范圍，機(jī)房?jī)?nèi)的電子設(shè)備一般其最佳的運(yùn)行環(huán)境溫度是22.0～24.0 ℃，濕度是35%～50%RH之間。綜合考量，最后認(rèn)為傳感器可以選擇數(shù)字型傳感器DHT11作為本文通信機(jī)房溫濕度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11[4]濕度測(cè)量范圍為5%～95%RH，測(cè)量精度為±5%RH，溫度測(cè)量范圍為-20.0～+60.0 ℃，測(cè)量精度為0.2 ℃，可以滿足本設(shè)計(jì)的溫濕度測(cè)量范圍及精度，同時(shí)節(jié)約了成本，而且只用一個(gè)總線就能夠與主控芯片相接傳送數(shù)字信號(hào)。另外它還可以對(duì)數(shù)字信號(hào)修正使其更加精確，在一定程度上也可以使傳送數(shù)據(jù)的正確性得到保障。而且其功率消耗不高，非常合適本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，溫濕度檢測(cè)電路如圖2所示，將DHT11的引腳2（DHT）與STC89C52的引腳P10，圖中P5D為該模塊與供電系統(tǒng)連接引腳（下同）。

3.2? 按鍵電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中還存在一個(gè)按鍵電路，使用這些按鍵可以讓操作人員與系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)。這些按鍵由一個(gè)接口與主控芯片的輸出接口進(jìn)行連接，另一個(gè)與電源進(jìn)行連接用來(lái)提供高電位。這么做的原因是主控芯片的輸出接口懸置不工作的時(shí)候，正常情況下自動(dòng)認(rèn)為其處于高電位，所以說(shuō)沒有人為操控按鍵時(shí)可以認(rèn)為輸出接口是處于懸置狀態(tài)。具體電路如圖3所示。

其中按鍵的功能分別為：

第一個(gè)鍵（S1）：主要功能是來(lái)進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)把按鍵按下之后，顯示屏進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，連續(xù)進(jìn)行按下選擇設(shè)置溫度的數(shù)值或者濕度的數(shù)值，在液晶屏上就可以清楚地看到說(shuō)明。

第二個(gè)鍵（S2）：若選中了溫度或濕度的數(shù)值之后，按下此鍵可以進(jìn)行對(duì)其上限的閾值進(jìn)行加值，提高其上限。

第三個(gè)鍵（S3）：若選中了溫度或濕度的數(shù)值之后，按下此鍵可以進(jìn)行對(duì)其上限的閾值進(jìn)行減值，降低其上限。

第四個(gè)鍵（S4）：若選中了溫度或濕度的數(shù)值之后，按下此鍵可以進(jìn)行對(duì)其下限的閾值進(jìn)行加值，提高其下限。

第五個(gè)鍵（S5）：若選中了溫度或濕度的數(shù)值之后，按下此鍵可以進(jìn)行對(duì)其下限的閾值進(jìn)行減值，降低其下限。

3.3? 液晶顯示模塊接口電路

在智能自動(dòng)控制系統(tǒng)中，人機(jī)交互是至關(guān)重要的[5]。在本系統(tǒng)中所采用的液晶顯示模塊為L(zhǎng)CD1602，該模塊界面簡(jiǎn)潔、使用方便，其驅(qū)動(dòng)電路的連接方式也十分容易。STC89C52與LCD1602模塊的接口電路連接如圖4所示，其中LCD1602的8個(gè)數(shù)據(jù)傳輸引腳D0-D7引腳與STC89C52的P07-P00引腳相接，數(shù)據(jù)/命令選擇端RS、使能端EN分別接至STC89C52的P26、P27。

3.4? GSM無(wú)線發(fā)射模塊接口設(shè)計(jì)

SIM800L模塊負(fù)責(zé)在本系統(tǒng)中向用戶發(fā)送報(bào)警信息，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警功能的核心模塊。SIM800L模塊的體積小，滿足本系統(tǒng)對(duì)實(shí)物焊接的要求，SIM800L短信模塊通過(guò)串行端口連接到單片機(jī)芯片，并通過(guò)軟件編程來(lái)對(duì)SIM800L模塊進(jìn)行控制，圖5為SIM800L模塊的接口設(shè)計(jì)電路：SIM800L模塊在使用時(shí)需要與單片機(jī)STC89C52的串行口進(jìn)行連接。由于SIM800L模塊的引腳在與單片機(jī)未連接時(shí)所使用的是TTL電平，而單片機(jī)自身在通信的時(shí)候使用的也是TTL電平，所以STC89C52單片機(jī)與SIM800L模塊的引腳連接為：TXD引腳與此模塊的RX連接，RXD與此模塊的TX連接，二者的GND共在一起，就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與模塊的通訊。

3.5? 電源電路

電源電路作為單片機(jī)最小系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)USB接口+5.0 V適配器取電，也可以使用三節(jié)1.5 V的干電池供電，沒有電源電路就無(wú)法為單片機(jī)提供電源，單片機(jī)就不能正常工作。因?yàn)閁SB接口電源自身沒有濾波電路，所以要在USB器件上加上一個(gè)電容C2，為它提供一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波電路。因?yàn)樵陔娫吹妮敵鲭妷褐胁▌?dòng)比較大，如果波動(dòng)過(guò)大，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的效果，所以要對(duì)它的輸出電壓進(jìn)行濾波，這樣測(cè)到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才會(huì)準(zhǔn)確。電源電路如圖6所示。

4? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包含：主程序、溫濕度采集子程序、LCD1602顯示子程序、按鍵設(shè)定子程序、無(wú)線模塊和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)子程序。按鍵設(shè)定子程序主要是完成對(duì)溫濕度上下線閾值的設(shè)定和存儲(chǔ);無(wú)線模塊和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)子程序主要是用來(lái)完成對(duì)報(bào)警電路和風(fēng)扇或者空調(diào)驅(qū)動(dòng)電路的輸出控制，圖7為主程序流程圖。

5? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前述硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最終制作的實(shí)物如圖8所示。

6? 結(jié)? 論

根據(jù)通信機(jī)房溫濕度控制系統(tǒng)的整體要求，進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)和主要模塊的選擇，包括主控芯片、溫濕度傳感器、顯示屏的選型，在選型過(guò)程中我們不僅考慮了機(jī)房的溫濕度環(huán)境，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用需求兼顧選型的經(jīng)濟(jì)性和通用性，通過(guò)合理的對(duì)照、慎重考慮之后選擇的器件型號(hào)滿足了簡(jiǎn)潔廉價(jià)又合理的設(shè)計(jì)要求。

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作者簡(jiǎn)介：徐鑫秀（1984.11—），男，漢族，山西朔州人，就職于電子工程系，助教，碩士，研究方向：機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺;趙士原（1982.10—），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，助理工程師，本科，研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程、機(jī)器學(xué)習(xí)、算法。