湿敏传感器湿度计.doc

王 强 湿敏传感器湿度计
目 录

摘要 …………………………………………………………………………………………1
关键词 ………………………………………………………………………………………1
1 引言 ………………………………………………………………………………………1
2 湿敏传感器的组成 ………………………………………………………………………1
2.1 DHT11的特性 …………………………………………………………………………1
2.2.2电源引脚说明 ………………………………………………………………………2
2.2.2 串行接口 ……………………………………………………………………………2
2.3显示部分：LCD …………………………………………………………………………3
2.3.1 LCD1602液晶简介……………………………………………………………………3
2.3.2 LCD1602主要技术参数………………………………………………………………3
2.3.3引脚功能说明…………………………………………………………………………3
2.4单片机ST89C52…………………………………………………………………………4
2.4.1ST89C52引脚图………………………………………………………………………4
2.4.2 引脚功能 ……………………………………………………………………………5
3湿敏传感器湿度计原理……………………………………………………………………6
3.1 湿度定义 ………………………………………………………………………………6
3.2 湿度计量分类 …………………………………………………………………………6
3.3 湿度计湿度定义 ………………………………………………………………………6
3.4 湿度测量方法 …………………………………………………………………………6
3.5 湿度测量方案的选择 …………………………………………………………………7
3.6 精度的选择 ……………………………………………………………………………8
3.7 湿敏传感器原理图 ……………………………………………………………………9
4 结论 …………………………………………………………………………………… 10
致谢语 …………………………………………………………………………………… 10
参考文献 ………………………………………………………………………………… 10
英文翻译……………………………………………………………………………………11

湿敏传感器湿度计

王 强
重庆三峡学院机械工程学院机械设计专业2010级 重庆万州 404000
摘要: 湿度是生活生产中的重要的参数。本设计为基于单片机的湿度检测与控制系统，采用模块化、层次化设计。用新型的智能湿度传感器DHT11主要实现对湿度的检测，将湿度信号通过传感器进行信号的采集并转换成数字信号，再运用单片机ST89C52进行数据的分析和处理, 。单片机是常用于控制的芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，使用单片机能够实现湿度全程的自动控制，而且单片机易于学习掌握，性价比高。使用单片机设计湿度控制系统，可以即时精确的反应室内湿度的变化。将此系统应用到室内当中无疑为植被生长提供了更加适宜的环境。对于大棚种植和花圃、花卉栽培，必须在某些特定环境安装湿度装置对其进行监控。
关键词：单片机 DHT11湿度传感器 控制系统
1 引言
湿度是指大气中的水蒸气的含量，湿度直接影响到存储物资的使用寿命和工作可靠性。湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测的房间太大，就应放置多个传感器。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内湿度的监测工作。但传统的方法是用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和温度试纸等工具，通过人工进行监测，对不符合湿度的要求的库房进行通风、去湿，这种方法费力。传统的湿度采集方法费时且精度较差，而如今各个行业对湿度数据的要求越来越高，如科研实验室，因此新型的数字湿敏传感器湿度计大量出现，其中最普遍的是使用传感器和单片机组成采集电路就可以 获得较高的精仓库管理质量的重要指标。
2 湿敏传感器的组成
人类早已发明了毛发湿度计，干湿球湿度计，露点湿度计，但因其响应速度，灵敏度，准确性等性能都不高，而且难以与现代的控制设备相连接，所以只能用于家用。20世纪50年代后，出现了电阻性湿度计，使湿度的测量精度大大提高，但是，与其他物理量的检测相比，无论是敏感元件的性能，还是制造工艺和测量精度都差得多和困难的多。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。
2.1 DHT11的特性
　DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。
2.2.1 电源引脚说明
DHT11引脚说明
pin
名称
注释
1
VDD
供电3－5.5V
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，悬空
4
GND
接地，电源负极
DHT11的供电压是为3-5.5V;输出单总线数字信号；测量范围湿度20-90%RH， 温度0~50℃；测量精度湿度+-5%RH， 温度±2℃。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容。

2.2.2 串行接口
DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。
总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。如果读取响应响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检测数据线路是否连接正常。当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上啦电阻拉高进入空闲状态。
2.3 显示部分：LCD
2.3.1脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或（带背光）接口，各脚接口说明表如下：

LCD1602的管脚图
2.3.2LCD1602液晶简介
LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚。

LCD1602规格
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块
2.3.3CD1602主要技术参数
1602的主要技术参数
工作电压:
4.5—5.5V
容量
16×2个字符
最佳工作电压
5.0V
工作电流
2.0mA
字符尺寸
2.95×4.35(W×H)mm
2.4单片机ST89C52
2.4.1 ST89C52引脚图

2.4.2引脚功能
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部
必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，
这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管
脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位
地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内
部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输
出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚 备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程
序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
3 湿敏传感器湿度计原理
3.1 湿度定义
　湿度H=湿空气中水气的质量/湿空气中绝干空气的质量
空气的温度越高，它容纳水蒸气的能力就越高。虽然水蒸气可以与空气中的部分成分（比如悬浮的灰尘中的盐）进行化学反应，或者被多孔的粒子吸收，但这些过程或反应所占的比例非常小，相反的大多数水蒸气可以溶解在空气中。干空气一般可以看作一种理想气体，但随着其中水汽成分的增高它的理想性越来越低。这时只有使用范德华方程才能描写它的性能。
3.2 湿度计量分类
按测量方法分类：
　　 （1）点湿度计
　　 （2）伦湿度计
　　 （3）化学湿度计
　　 （4）学型湿度计
（5）湿球湿度计
3.3 湿度计湿度定义
在计量法中规定,湿度定义为"物象状态的量"。日常生活中所指的湿度为相对湿度，用RH%表示。总言之，即气体中（通常为空气中）所含水蒸气量（水蒸气压）与其空气相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸气压）的百分比。 湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值（重量或体积）等等。
3.4 湿度测量方法
一、湿度测量方法
着社会与科技的日益发展，人类对湿度的认识也不断深入，湿度的测量技术和测量方法也取得了飞速的发展，但从测试的输出参量上区分，主要分为以下几类：用物质几何尺寸变化的测湿法(伸缩法)，干湿球法，冷凝露点法，氯化锂露点法，电湿度测量法(电阻法、电容法)，电解法(库仑湿度计)以及其它测湿方法。下面主要介绍前几种。
（一）伸缩法
物质在湿度发生变化时其长度会随之变化，例如当相对湿度从 0 ％变到 100 ％时，通常人类毛发的总长度会伸长 2.5％。这一变化可以通过机械装置放大用指针指示出来，或通过机械 - 电量的转换，输出表征湿度水平的电信号，从而进行湿度的测量和控制，这种方法就叫伸缩法。
毛发湿度计是伸缩法测湿的典型应用。它与当代的各种湿度计相比，具有结构简单、使用方便、造价低廉的优点，从湿度测量的现状与要求来看，即使在科学技术高度发达的今天，毛发、肠衣之类湿度传感器仍将继续为人们沿用。但也存在滞后和精度不高等固有的缺点。
（二）干湿球法
干湿球湿度计由两支规格完全相同的温度计组成，一支称为干球温度计，其温泡暴露在空气中，用以测量环境温度；另一支称为湿球温度计，其温泡用特制的纱布包裹起来，并设法使纱布保持湿润，纱布中的水分不断向周围空气中蒸发并带走热量，使湿球温度下降。水分蒸发速率与周围空气含水量有关，空气湿度越低，水分蒸发速率越快，导致湿球温度越低。可见，空气湿度与干湿球温差之间存在某种函数关系。干湿球湿度计就是利用这一现象，通过测量干球温度和湿球温度来确定空气湿度的。
（三）冷凝露点法
露点法是一种古老的湿度测量方法，随着科学技术的发展，露点技术臻于完善。现代的光电露点仪采用热电制冷，并且可以自动补偿零点和连续跟踪测量露点。高精度露点仪在一般湿度范围的测量准确度可达±1℃ 露点温度。
（四）氯化锂露点法
露点式氯化锂湿度计是由美国的 Forboro 公司首先研制出来的，其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似，但工作原理却完全不同。简而言之，它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。
3.5 湿度测量方案的选择
　　现代湿度测量方案最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。下面对这两种方案进行比较，以便客户选择适合自己的湿度测量方法。
　　干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。
　　电子式湿度传感器的特点：
　　而电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2%一3%RH。
　　在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。
　　电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。
　　湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。
　　所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用
3.6 精度的选择
测量精度是湿度传感器最重要的指标，每提高-个百分点，对湿度传感器来说就是上一个台阶，甚至是上一个档次。因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。所以使用者一定要量体裁衣，不宜盲目追求"高、精、尖"。
　　如在不同温度下使用湿度传感器，其示值还要考虑温度漂移的影响。众所周知，相对湿度是温度的函数，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1℃。将产生0.5%RH的湿度变化（误差）。使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。
　　多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间是非密封的，±5%RH的精度就足够了。对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间，或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合，再选用±3%RH以上精度的湿度传感器。
　　而精度高于±2%RH的要求恐怕连校准传感器的标准湿度发生器也难以做到，更何况传感器自身了。相对湿度测量仪表，即使在20-25℃下，要达到2%RH的准确度仍是很困难的。通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃±10℃）和洁净的气体中测量的。
　　考虑时漂和温漂
　　在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，电子式湿度传器会产生老化，精度下降，电子式湿度传器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。
3.7 湿敏传感器原理图

3 结论
本系统具有较强的实用性， DHT11传感器价格也很便宜。低廉的价格、小巧的体积、准确稳定的测量数据、简单的单总线控制方式、简洁的电路连接，这些将使DHT11拥有良好的应用前景。1602液晶也比较便宜，操作比较简单。另外，本系统还具有较高的扩展性，可以集时钟，计算器，湿度测量等于一体，具有一定的市场价值。
为正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测的房间太大，就应放置多个传感器。有的湿度传感器对供电电源要求比较高，否则将影响测量精度。或者传感器之间相互干扰，甚至无法工作。设计的核心组成部分单片机的基本构成和原理，简要的说明了单片机的最小系统，中断系统，复位电路和时钟电路。然后介绍了显示部分LCD1602的各个引脚和指令说明，为下面的编程做准备。
学单片机不仅要学习理论知识，实践操作也很重要。学过单片机的人都有这样的经历，就是把自己写的程序烧录到单片机里面的时候会发现与自己想要的结果有很大的不同。这就是因为实践操作少了，经验不足的缘故。推荐大家从简单的东西学起，当我们积累了一定的东西之后就可以动手做一些比较复杂的东西了。
设计本系统的过程中遇到了很多的问题，在编写DHT11的测量程序的过程中遇到了很多的问题，刚开始始终的不到数据，研究了很长时间都弄不出来。同学提示我要注意一下时序，然后我又按照DHT11的通讯时序和接收时序将程序一条条的重写，在经过几次调试之后，终于得到了自己想要的结果；液晶显示部分也出了一点点小问题，就是送数据过去的时候忘了显示字符必须送字符的ASCII码。
本系统具有较强的实用性， DHT11传感器价格也很便宜。低廉的价格、小巧的体积、准确稳定的测量数据、简单的单总线控制方式、简洁的电路连接，这些将使DHT11拥有良好的应用前景。1602液晶也比较便宜，操作比较简单。另外，本系统还具有较高的扩展性，可以集时钟，计算器，湿度测量等于一体，具有一定的市场价值。
致 谢
在这次湿敏传感器的设计中自始至终都是在吴老师老师全面、具体的指导下进行的。 吴光杰老师渊博的学识、敏锐的思维、民主而严谨的作风，使我受益匪浅，终生难忘。吴光杰老师严谨的治学态度和对工作兢兢业业、一丝不苟的精神将永远激励和鞭策我认真学习、努力工作。
感谢我的指导教师吴光杰老师对我的关心、指导和教诲！
感谢我的学友和朋友们对我的关心和帮助！
参考文献

[1]吴光杰 王海宝 传感器与检测技术 重庆大学出版社 2011.7
[2] 张冬林 李鑫 .基于DHT11的湿度自动控制系统设计 现代农业科技 2010.8
[3] 陈汝全 实用微机与单片机控制技术 电子科技大学出版社 2005
[4] 王耀南.计算智能信息处理技术及其应用 湖南大学出版社，1999
英文翻译
Wet sensor hygrometer
Wang qiang
（school of mechanical engineering. Chongqing Three Gorges University, Wanzhou 404000)

Abstract: the humidity is an important parameter in the production of the life. This design based on single chip microcomputer of humidity measurement and control system, the modular and hierarchical design. With new type of intelligent humidity sensor DHT11 main realization of humidity examination, the humidity signal through the sensor signal acquisition conerted to digital signal, using the single chip microcomputer ST89C52 data analysis and processing,. The chip, controlled by the microcontroller is often used in intelligent instruments, industrial control, mechanical and electrical integration aspects have made remarkable achievements, using the single chip microcomputer to realize the humidity automatic control of the distance, and single chip microcomputer is easy to learn, high performance to price ratio. Humidity control system using single chip design, can real-time accurate response indoor humidity changes. There is no doubt that will be applied to the interior of the system of vegetation growth provides a more comfortable environment. For plastic plant and the flower, flower cultivation, and must be installed in a specific environment humidity devices to monitor it.
Keywords: Single chip microcomputer DHT11 humidity sensor control system

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