王志宏，白翠珍

（山西醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，山西太原 030001）

0 引言

實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)和科研活動(dòng)的重要場(chǎng)所，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境指標(biāo)是否符合要求，直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行，乃至實(shí)驗(yàn)的成敗，特別是對(duì)于醫(yī)學(xué)院校生物、生理等實(shí)驗(yàn)課程，都要求穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，所以對(duì)于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室溫度濕度檢測(cè)方案基本使用溫濕度傳感器采集信號(hào)，經(jīng)放大、濾波、校準(zhǔn)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯示等硬件電路實(shí)現(xiàn)，這種方案由于硬件系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，使用時(shí)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(duì)傳統(tǒng)溫濕度檢測(cè)方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫濕度參數(shù)采用多點(diǎn)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)綜合評(píng)估實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室多點(diǎn)溫濕度報(bào)警系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，由低性價(jià)比單片機(jī)對(duì)數(shù)字溫濕度傳感器控制，通過(guò)模擬溫度傳感器通訊時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)采集，并對(duì)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(shí)，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警功能。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件選型

單片機(jī)選用國(guó)產(chǎn)宏晶科技生產(chǎn)的高性價(jià)比STC89C51RC 系列［1］，與傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)［3］相比，其具有功耗低，抗外部電磁輻射干擾強(qiáng)，程序下載方式為UART方式等優(yōu)點(diǎn)，使用非常方便。顯示模塊采用自帶漢字庫(kù)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(shí)現(xiàn)串口通信功能）。報(bào)警裝置采用LED與蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，當(dāng)溫濕度超出設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)I/O口輸出高電平，經(jīng)NPN型三極管驅(qū)動(dòng)大電流蜂鳴器和高亮發(fā)光管，實(shí)現(xiàn)報(bào)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(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。測(cè)量范圍相對(duì)濕度20%～90%RH，攝氏溫度0～50℃。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。數(shù)據(jù)接口采用單線制串行接口，信號(hào)傳輸距離可達(dá)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(jī)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(jī)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(shù)，一次通訊時(shí)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(yàn)碼，其中校驗(yàn)數(shù)據(jù)等于上述4個(gè)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(duì)應(yīng)的40bit數(shù)據(jù)為:0010 0100，0011 0010，0001 0110，0101 0000，1011 1100，其數(shù)值對(duì)應(yīng)于溫濕度如表1所示。

表1 40bit數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

DHT11與單片機(jī)主機(jī)通訊過(guò)程時(shí)序如圖3所示，總線空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線拉低大于18 ms等待DHT11響應(yīng)，等開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待20～40 μs，DHT11然后發(fā)送80 μs低電平響應(yīng)信號(hào)，然后主機(jī)讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)，若總線為低電平，說(shuō)明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后，再把總線拉高80 μs，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每1bit數(shù)據(jù)都以50 μs低電平時(shí)隙開(kāi)始，高電平的長(zhǎng)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(yīng)信號(hào)為高電平，則DHT11沒(méi)有響應(yīng)，應(yīng)當(dāng)檢測(cè)器件或電路。當(dāng)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(jìn)入空閑狀態(tài)。當(dāng)用戶MCU再次發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，這是讀到的數(shù)據(jù)為上次測(cè)量的數(shù)據(jù)，要得到實(shí)時(shí)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(diǎn)特別值得注意。

圖3 DATA數(shù)據(jù)通訊時(shí)序圖

2 系統(tǒng)軟件

軟件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(jì)算、顯示、超限判斷等。程序編寫(xiě)首先要用單片機(jī)軟件模擬DHT11時(shí)序，驅(qū)動(dòng)單個(gè)傳感器模塊，然后應(yīng)用模塊化編程方法集成整個(gè)系統(tǒng)軟件，以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)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(jī)原理，LCD顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室多點(diǎn)溫濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和超限報(bào)警系統(tǒng)，保障了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的可靠性，有效地提高了實(shí)驗(yàn)成功率。本系統(tǒng)還可以根據(jù)需要增加其他模塊，通過(guò)控制比如通風(fēng)，加溫等裝置，達(dá)到自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的目的。

圖4 程序流程圖

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

［2］溫濕度模塊DHT11產(chǎn)品手冊(cè)［EB/OL］.http//www.aosong.com.

［3］李泉溪.單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例仿真［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:266-269.

［4］劉向宇.PIC單片機(jī)C語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)例精粹［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010:181-182.