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)境參數的檢測就顯得尤為重要。傳統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，經放大、濾波、校準、模數轉換、顯示等硬件電路實現，這種方案由于硬件系統復雜，調試困難，使用時系統小元件故障就可能造成系統不穩(wěn)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行改進設計，對實驗室溫濕度參數采用多點檢測，實現了實時綜合評估實驗室溫濕度環(huán)境適宜性的目的。

1 系統原理及硬件構成

1.1 系統原理

實驗室多點溫濕度報警系統原理框圖如圖1所示，由低性價比單片機對數字溫濕度傳感器控制，通過模擬溫度傳感器通訊時序，實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，由單片機驅動報警裝置，實現現場報警功能。



圖1 報警系統原理圖

1.2 硬件選型

單片機選用國產宏晶科技生產的高性價比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，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串口通信功能)。報警裝置采用LED與蜂鳴器實現聲光報警，當溫濕度超出設定值時，單片機I/O口輸出高電平，經NPN型三極管驅動大電流蜂鳴器和高亮發(fā)光管，實現報警功能。

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。數據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雙向的串行接口技術，一次通訊時間約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18ms等待DHT11響應，等開始信號結束后，延時等待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80μs，準備發(fā)送數據，每1 bit數據都以50μs低電平時隙開始，高電平的長短(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50μs，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40blt的數據，這是讀到的數據為上次測量的數據，要得到實時溫濕度數據，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。



2 系統軟件

軟件結構比較簡單，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軟件，以實現各項功能。

3 總結

本文采用了單總線數字溫度、濕度傳感器，應用單片機原理，LCD顯示技術，實現了實驗室多點溫濕度參數的實時顯示和超限報警系統，保障了實驗室環(huán)境的可靠性，有效地提高了實驗成功率。本系統還可以根據需要增加其他模塊，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。