漲姿勢！一個簡單的溫度感測器原來是這樣工作的

最新 03-25

1.溫濕度感測器簡介

1.1溫度、濕度的相關概念

由於溫度與濕度不管是從由於溫度與濕度不管是從物理量本身還是在實際人們的生活中都有著密切的關係，所以溫濕度一體的感測器就會相應產生。溫濕度感測器是指能將溫度量和濕度量轉換成容易被測量處理的電信號的設備或裝置。市場上的溫濕度感測器一般是測量溫度量和相對濕度量。

溫度：度量物體冷熱的物理量，是國際單位制中7個基本物理量之一。在生產和科學研究中，許多物理現象和化學過程都是在一定的溫度下進行的，人們的生活也和他密切相關。

濕度：濕度很久以前就與生活存在著密切的關係,但用數量來進行表示較為困難。

日常生活中最常用的表示濕度的物理量是空氣的相對濕度。用%RH表示。在物理量的導出上相對濕度與溫度有著密切的關係。一定體積的密閉氣體，其溫度越高相對濕度越低，溫度越低，其相對濕度越高。其中涉及到複雜的熱力工程學知識。

有關濕度的一些定義：

絕對濕度：指單位容積的空氣里實際所含的水汽量，一般以克為單位。溫度對絕對濕度有著直接影響，一般情況下，溫度越高，水蒸氣發得越多，絕對濕度就越大；相反，絕對濕度就小。

飽和濕度：在一定溫度下，單位容積，空氣中所能容納的水汽量的最大限度。如果超過這個限度，多餘的水蒸氣就會凝結，變成水滴，此時的空氣濕度變稱為飽和濕度。空氣的飽和濕度不是固定不變的，它隨著溫度的變化而變化。溫度越高，單位容積空氣中能容納的水蒸氣就越多，飽和濕度就越大。

露點：指含有一定量水蒸氣（絕對濕度）的空氣，當溫度下降到一定程度時所含的水蒸氣就會達到飽和狀態

（飽和濕度）並開始液化成水，這種現象叫做凝露。水蒸氣開始液化成水時的溫度叫做「露點溫度」簡稱「露點」。如果溫度繼續下降到露點以下，空氣中超飽和的水蒸氣就會在物體表面上凝結成水滴。此外，風與空氣中的溫濕度有密切關係，也是影響空氣溫濕度變化的重要因素之一。

1.2溫度、濕度的測量方法

濕度測量技術來由已久。隨著電子技術的發展，近代測量技術也有了飛速的發展。濕度測量從原理上劃分二、三十種之多。對濕度的表示方法有絕對濕度、相對濕度、露點、濕氣與干氣的比值（重量或體積）等等。但濕度測量始終是世界計量領域中最著名的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相當複雜的物理—化學理論分析和計算，初涉者可能會忽略在濕度測量中必需注意的許多因素，因而影響的合理使用。

常見的濕度測量方法有：動態法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態法（飽和鹽法、硫酸法），露點法、乾濕球法和形形色色的電子式感測器法。

這裡雙壓法、雙溫法是基於熱力學P、V、T平衡原理，平衡時間較長，分流法是基於絕對濕氣和絕對干空氣的精確混合。由於採用了現代測控手段，這些設備可以做得相當精密，卻因設備複雜，昂貴，運作費時費工，主要作為標準計量之用，其測量精度可達±2%RH -±1.5%RH。

靜態法中的飽和鹽法，是濕度測量中最常見的方法，簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴，對環境溫度的穩定要求較高。用起來要求等很長時間去平衡，低濕點要求更長。特別在室內濕度和瓶內濕度差值較大時，每次開啟都需要平衡6~8小時。

露點法是測量濕空氣達到飽和時的溫度，是熱力學的直接結果，準確度高，測量範圍寬。計量用的精密露點儀準確度可達±0.2℃甚至更高。但用現代光—電原理的冷鏡式露點儀價格昂貴，常和標準濕度發生器配套使用。

乾濕球法，這是18世紀就發明的測濕方法。歷史悠久，使用最普遍。乾濕球法是一種間接方法，它用乾濕球方程換算出濕度值，而此方程是有條件的：即在濕球附近的風速必需達到2.5m/s以上。普通用的乾濕球溫度計將此條件簡化了，所以其準確度只有5~7%RH,明顯低於電子濕度感測器。顯然乾濕球也不屬於靜態法，不要簡單地認為只要提高兩支溫度計的測量精度就等於提高了濕度計的測量精度。

這裡強調兩點：第一，由於濕度是溫度的函數，溫度的變化決定性地影響著濕度的測量結果。無論那種方法，精確地測量和控制溫度是第一位的。須知即使是一個隔熱良好的恆溫恆濕箱，其工作室內的溫度也存在一定的梯度。所以此空間內的濕度也難以完全均勻一致。第二，由於原理和方法差異較大，各種測量方法之間難以直接校準和認定，大多只能用間接辦法比對。所以在兩種測濕方法之間相互校對全濕程（相對濕度0~100%RH）的測量結果，或者要在所有溫度範圍內校準各點的測量結果，是十分困難的事。例如通風乾濕球濕度計要求有規定風速的流動空氣，而飽和鹽法則要求嚴格密封，兩者無法比對。最好的辦法還是按國家對濕度計量器具檢定系統（標準）規定的傳遞方式和檢定規程去逐級認定。

2數字溫濕度感測器DHT11

2.1DHT11簡介

DHT11數字溫濕度感測器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度複合感測器。它應用專用的數字模塊採集技術和溫濕度感測技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。感測器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，並與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11感測器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準係數以程序的形式儲存在OTP內存中，感測器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準係數。單線制串列介面，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產品為 4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。

圖4.5.2 DHT11產品實物圖

2.2DHT11的應用領域

DHT11廣泛應用在一下幾個方面：暖通、空調、測試及檢測設備、汽車數據記錄器、消費品自動控制、氣象站、家電、濕度調節器、醫療、除濕器

2.3DHT11的產品特點

2.4DHT11的外形尺寸

圖4.5.3DHT11的外形尺寸圖

2.5產品參數

2.5.1產品電路圖

圖4.5.4 DHT11引腳圖

2.5.2DHT11引腳說明

表4.5.1 DHT11 引腳說明

2.5電氣特性

VDD=5V，T = 25℃，除非特殊標註

表4.5.3 DHT11電氣特性

注:採樣周期間隔不得低於1秒鐘。

2.6典型電路

2.6.1典型應用1

建議連接線長度短於20米時用5K上拉電阻,大於20米時根據實際情況使用合適的上拉電阻。示意圖見圖4.5.5

圖4.5.5 DHT11典型應用1

2.6.2典型應用2

微處理器與 DHT11 的連接典型應用電路如圖4.5.7所示，DATA 上拉後與微處理器的 I/O 埠相連。

1.典型應用電路中建議連接線長度短於 20 米時用 5.1K 上拉電阻，大於 20 米時根據實際情況降低上拉電阻的阻值。

(2) 使用 3.5V 電壓供電時連接線長度不得大於 20cm。否則線路壓降會導致感測器供電不足，造成測量

偏差。

(3) 每次讀出的溫濕度數值是上一次測量的結果，欲獲取實時數據,需連續讀取兩次，但不建議連續多次讀取感測器，每次讀取感測器間隔大於 5 秒即可獲得準確的數據。

圖4.5.6 DHT11典型應用2

2.7串列通信說明（單線雙向）

2.7.1單匯流排說明

DHT11 器件採用簡化的單匯流排通信。單匯流排即只有一根數據線，系統中的數據交換、控制均由單匯流排完成。設備（主機或從機）通過一個漏枀開路或三態埠連至該數據線，以允許設備在不發送數據時能夠釋放匯流排，而讓其它設備使用匯流排；單匯流排通常要求外接一個約 5.1kΩ 的上拉電阻，這樣，當匯流排閑置時，其狀態為高電平。由於它們是主從結極，只有主機呼叫從機時，從機才能應答，因此主機訪問器件都必須嚴格遵循單匯流排序列，如果出現序列混亂，器件將不響應主機。

2.7.2單匯流排傳送及數據位定義

DATA 用於微處理器與 DHT11 之間的通訊和同步,採用單匯流排數據格式，一次傳送 40 位數據，高位先出。

數據格式: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 校驗位。

2.7.3校驗位數據定義

2.8數據時序圖

圖4.5.7 數據時序圖

匯流排空閑狀態為高電平,主機把匯流排拉低等待DHT11響應,主機把匯流排拉低必須大於18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機的開始信號後,等待主機開始信號結束,然後發送80us低電平響應信號.主機發送開始信號結束後,延時等待20-40us後, 讀取DHT11的響應信號,主機發送開始信號後,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可, 匯流排由上拉電阻拉高。

匯流排為低電平,說明DHT11發送響應信號,DHT11發送響應信號後,再把匯流排拉高80us,準備發送數據,每一bit數據都以50us低電平時隙開始,高電平的長短定了數據位是0還是1.格式見下面圖示.如果讀取響應信號為高電平,則DHT11沒有響應,請檢查線路是否連接正常.當最後一bit數據傳送完畢後，DHT11拉低匯流排50us,隨後匯流排由上拉電阻拉高進入空閑狀態。

圖4.5.8 主機發送起始信號及從機響應信號

數字0信號表示方法如圖3所示

圖4.5.9 數字0信號表示方法

數字1信號表示方法.如圖4.5.10所示

圖4.5.10 數字0信號表示方法

2.9應用信息

2.9.1工作與貯存條件

超出建議的工作範圍可能導致高達3%RH的臨時性漂移信號。返回正常工作條後，感測器會緩慢地向校準狀態恢復。在非正常工作條件下長時間使用會加速產品的老化過程。

2.9.2暴露在化學物質中

電阻式濕度感測器的感應層會受到化學蒸汽的干擾，化學物質在感應層中的擴散可能導致測量值漂移和靈敏度下降。在一個純凈的環境中，污染物質會緩慢地釋放出去。下文所述的恢復處理將加速實現這一過程。高濃度的化學污染會導致感測器感應層的徹底損壞。

2.9.3恢復處理

置於極限工作條件下或化學蒸汽中的感測器，通過如下處理程序，可使其恢復到校準時的狀態。在50-60℃和70%RH的濕度條件下保持 5小時以上。

2.9.4溫度影響

氣體的相對濕度，在很大程度上依賴於溫度。因此在測量濕度時，應儘可能保證濕度感測器在同一溫度下工作。如果與釋放熱量的電子元件共用一個印刷線路板，在安裝時應儘可能將DHT11遠離電子元件，並安裝在熱源下方，同時保持外殼的良好通風。為降低熱傳導，DHT11與印刷電路板的其它部分的銅鍍層應儘可能最小，並在兩者之間留出一道縫隙。

2.9.5光線

長時間暴露在太陽光下或強烈的紫外線輻射中，會使性能降低。

2.9.6配線注意事項

DATA信號線材質量會影響通訊距離和通訊質量,推薦使用高質量屏蔽線。

3．DHT11獲取溫濕度的流程

溫濕度採集程序的流程圖如圖4.5.12所示。