【分享】2021级余林芝DHT11温湿度传感器

18817014408

温湿度传感器的设计原理和思路
一、设计原理
（一）湿度测量原理
电容式湿度传感：多数温湿度传感器利用电容变化来检测湿度。其核心部件是电容式感湿元件，通常由吸湿材料（如聚合物薄膜、多孔陶瓷等）作为电介质，夹在两个电极之间。当环境湿度改变时，吸湿材料吸附或释放水分子，导致其介电常数发生变化，进而使电容值改变。根据电容与湿度的特定函数关系，通过测量电容值就能推算出环境湿度。例如，在高湿度环境下，吸湿材料吸附大量水分子，介电常数增大，电容值随之升高；低湿度时则相反。
电阻式湿度传感：部分传感器采用电阻变化原理。一些特殊的湿敏电阻材料（如氯化锂等），其电阻值会随环境湿度变化而改变。湿度升高，材料表面吸附水分，离子导电能力增强，电阻减小；湿度降低电阻增大。通过测量电阻并经过换算得到湿度值，不过电阻式湿度传感器相比电容式，精度和稳定性稍逊一筹。
（二）温度测量原理
热敏电阻测温：常见的热敏电阻分为正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻。在温湿度传感器中，NTC 热敏电阻应用广泛。它的电阻值随环境温度升高而降低，遵循特定的电阻 - 温度特性曲线。当温度变化时，热敏电阻的阻值改变，利用电路将电阻变化转换为可测量的电信号（如电压），再依据预先标定的曲线关系计算出温度值。例如，在一个简单的分压电路中，将热敏电阻与固定电阻串联，随着温度上升，热敏电阻阻值减小，其两端电压降低，通过测量该电压就能间接得知温度。
热电偶测温：基于塞贝克效应，当两种不同金属组成的热电偶节点处于不同温度时，会产生热电势差。在温湿度传感器设计里，如果采用热电偶，通常一个节点作为测量端暴露在环境中感知温度，另一个节点保持在恒定参考温度（如通过内置的恒温装置）。测量热电势差，并依据热电偶的分度表将其转换为对应的温度值。不过，由于成本、精度要求及小型化难度等因素，在常规民用温湿度传感器中热电偶应用相对较少，更多见于工业高温高精度测量场景。
二、设计思路
（一）传感器选型
精度需求：根据应用场景确定所需精度。对于精密实验室环境监测、药品仓储等对温湿度要求苛刻的领域，需选用高精度传感器，如 SHT30、HIH-4000 等型号，温度精度可达 ±0.2 - ±0.3°C，倍数精度 ±1.5 - ±3% RH；而对于普通室内环境监控、农业大棚粗放式监测，精度要求稍低，DHT11 等成本较低的传感器即可满足，其温度精度 ±2°C，湿度精度 ±5% RH。
测量范围：考虑传感器将要工作的环境温度和湿度区间。在高温高湿的工业发酵车间，要选能耐受高温（如上限 80 - 100°C）且湿度测量上限高（如 95% - 100% RH）的传感器；若在寒冷地区户外使用，要确保低温性能，能准确测量零下几十度的低温，像某些专为低温环境设计的传感器，工作温度下限可至 -40°C。
响应时间：不同应用对传感器响应时间有不同要求。快速变化的环境，如通风管道内气流温湿度监测，需选用响应迅速的传感器，响应时间在数秒以内；而像博物馆文物保存环境这种温湿度相对稳定、
变化缓慢的场景，响应时间稍长的传感器也可满足，可节省成本，一般响应时间几十秒也无妨。
（二）硬件电路设计
供电电路：根据传感器工作电压要求设计稳定供电。多数传感器工作在 3.3V 或 5V，采用电池供电时，需考虑电池电量衰减对电压的影响，加入稳压电路，如线性稳压芯片（如 LM317）或开关稳压芯片（如 LM2596），确保供电稳定，避免电压波动影响传感器精度和寿命。对于低功耗要求高的移动或偏远地区应用，还要优化供电电路，采用低功耗的 LDO（低压差线性稳压器），降低静态电流消耗。
信号调理电路：由于传感器输出的电信号（电容、电阻变化或微弱电压等）很微弱且可能存在噪声，需设计信号调理电路。对于电容式湿度传感器，采用电容测量芯片（如 AD7746）将电容变化转换为数字信号；热敏电阻测温时，通过运放组成的放大电路、滤波电路对其分压信号进行放大和降噪处理，使信号满足后续微控制器（MCU）的采集要求，提高测量准确性。
通信接口电路：为将传感器数据传输给上位机或控制系统，要设计合适通信接口。常见的有 I2C、SPI 和单总线接口。I2C 接口只需两根线（时钟线 SCL 和数据线 SDA），简单易用，适合多传感器连接的系统；SPI 接口速度快，但引脚多（一般 4 根线：时钟、片选、数据输入、数据输出），适用于对数据传输速率要求高的场合；单总线如 DHT11 所用，只需一根数据线实现数据传输，成本低、电路简单，在对成本敏感且数据传输量不大的小型系统中优势明显。
（三）软件设计
数据采集程序：在 MCU（如 Arduino、STM32 等）中编写程序，按照传感器的通信时序要求，定时触发数据采集。对于 I2C 接口传感器，要遵循 I2C 协议规范，发送起始信号、设备地址、寄存器地址等指令，读取传感器返回的数据；单总线传感器则严格按照其初始化、数据传输时序，精准控制引脚电平变化与延时，确保正确采集数据，一般采用定时器中断或主程序循环延时方式实现周期性采集。
数据处理算法：采集到的原始数据需进行如上文所述的处理。首先是校准算法，由于传感器存在个体差异和温漂等问题，预先存储校准参数，在程序中对采集数据进行补偿校正；然后是滤波算法，采用滑动平均滤波、中值滤波等去除噪声干扰，若环境中有突发干扰源（如瞬间强光、电磁脉冲），滤波算法能有效平滑数据，提高数据稳定性，使输出的温湿度值更接近真实环境值，满足实际应用需求。
（四）与迪文屏的交互设计
连接方式：迪文屏一般具备多种通信接口，如串口（RS232、RS485）、USB 等，温湿度传感器可通过相应的转换模块连接至迪文屏。若传感器采用串口通信，可直接与迪文屏的串口相连，设置好波特率、数据位、停止位等参数，确保双方通信匹配。例如，将传感器的 TX 引脚连接到迪文屏的 RX 引脚，传感器的 RX 引脚连接到迪文屏的 TX 引脚，共地连接后，在迪文屏和传感器端分别配置相同的串口通信参数，如波特率设为 9600bps，数据位 8 位，停止位 1 位。
数据显示：在迪文屏上进行界面设计，创建用于显示温湿度数值的文本框或图形化组件。通过编写迪文屏的组态软件程序，接收来自传感器的数据，并将其实时更新显示在相应位置。可以设置不同的字体、颜色、大小来突出温湿度信息，让用户直观地看到环境温湿度状况。例如，使用迪文屏自带的图形编辑工具，绘制一个大的数字显示区域用于温度值，旁边配上一个小的图标示意温度，再用类似的方式设置湿度显示区域，使整个界面简洁明了，易于读取数据。
交互操作：迪文屏支持触摸操作，可添加一些交互按钮或菜单。比如设置一个 “历史数据查看” 按钮，当用户点击后，迪文屏切换到历史数据显示页面，该页面通过与存储历史数据的设备（如 SD 卡、内部存储器等）通信，读取并展示过去一段时间内的温湿度变化曲线或表格数据，方便用户分析环境温湿度的变化趋势；还可以设置 “报警阈值设置” 按钮，用户点击进入设置界面，通过触摸输入或下拉菜单选择想要设定的温湿度上限和下限，当实时监测数据超出阈值范围时，迪文屏触发声光报警提示用户，增强系统的实用性和智能化程度。
https://v.kuaishou.com/cmTsOr 迪文屏。温湿度传感器 该作品在快手被播放过1次，点击链接，打开【快手】直接观看！

moyan

源文件如下