實驗室作為學(xué)生實驗和科研活動的重要場所，實驗室環(huán)境指標(biāo)是否符合要求，直接關(guān)系到實驗?zāi)芊耥樌M行，乃至實驗的成敗，特別是對于醫(yī)學(xué)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(zhǔn)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯示等硬件電路實現(xiàn)，這種方案由于硬件系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，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(shè)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(gòu)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(dāng)溫濕度數(shù)據(jù)超出設(shè)定溫濕度值時，由單片機驅(qū)動報警裝置，實現(xiàn)現(xiàn)場報警功能。
圖1 報警系統(tǒng)原理圖
1.2 硬件選型
單片機選用國產(chǎn)宏晶科技生產(chǎn)的高性價比STC89C51RC系列，與傳統(tǒng)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(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(dāng)溫濕度超出設(shè)定值時，單片機I/O口輸出高電平，經(jīng)NPN型三極管驅(qū)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數(shù)字溫濕度傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)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 傳感器典型連接方式
DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采用單線雙向的串行接口技術(shù)，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(jié)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(yīng)的40bit數(shù)據(jù)為：0010 0100，0011 0010，0001 O110，0101 0000，1011 1100，其數(shù)值對應(yīng)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(yīng)，等開始信號結(jié)束后，延時等待20～40μs，DHT11然后發(fā)送80μs低電平響應(yīng)信號，然后主機讀取DHT11的響應(yīng)信號，若總線為低電平，說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后，再把總線拉高80μs，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每1 bit數(shù)據(jù)都以50μs低電平時隙開始，高電平的長短(26μs～28μs表示數(shù)字0;70μs表示數(shù)字1)決定了數(shù)據(jù)位是0或1。如果讀取響應(yīng)信號為高電平，則DHT11沒有響應(yīng)，應(yīng)當(dāng)檢測器件或電路。當(dāng)最后1 bit數(shù)據(jù)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(dāng)用戶MCU再次發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40blt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(dāng)前的溫濕度值。這一點特別值得注意。
2 系統(tǒng)軟件
軟件結(jié)構(gòu)比較簡單，主要包括了系統(tǒng)各部分的初始化，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(qū)動單個傳感器模塊，然后應(yīng)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(jié)
本文采用了單總線數(shù)字溫度、濕度傳感器，應(yīng)用單片機原理，LCD顯示技術(shù)，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(fēng)，加溫等裝置，達到自動控制實驗室環(huán)境的目的。