采用SHT11数字式温湿度传感器实现环境温湿度测量系统的设计

时间： 2023-11-27 来源：水浸监测

为了有效地开展现代混凝土结构耐久性的基础研究，揭示混凝土结构生命全过程的损伤演变规律，从根本上改善混凝土工程的耐久性，保证其应有的常规使用的寿命，对混凝土使用环境进行温湿度检测显得很重要

通常使用热敏电阻和湿敏电容来分别测量温度和湿度，A/D转换后送入计算机，但这种测量方法一般都要设计相应的信号调理电路，还要经过复杂的标定过程，其测量精度很难保证。这种测量温湿度的系统在测量点数较少，而且精度要求不高的场合还可以胜任，而需要多点测量且精度要求比较高时，其缺点就显露无疑了。而且，当涉及到两个参数的监测时，每一个测量点都一定要使用两个独立的传感器和独立的信号调理电路，这不仅使得测量系统的成本和体积大为提高，也在某些特定的程度上增加了系统模块设计的复杂性。本文将采用SHT11芯片，实现更为优化的设计方案。

SHT11数字式温湿度传感器采用CMOSens（Ce-mo-Sens）专利技术（CMOS和传感器技术的融合）制造，它的特点为：全量程标定，二线数字输出;湿度测量范围为0~100%RH，温度测量范围为-40℃~+123.8℃，湿度测量精度为±3.0% RH，温度测量精度为±0.4℃，响应时间《4s;低功耗（ 30mW），可完全浸没。其外观尺寸仅为7.5mm×5mm×2.5mm，体积与大火柴头相近。芯片能输出经过完全校准的相对湿度和温度数字信号，便于实现系统的集成。

其内部结构如图1所示。最重要的包含：相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位ADC、校准存储器E2PROM、RAM、CRC（循环冗余校验码）寄存器、二线制串行接口和低压监测电路等。

该芯片的DATA引脚在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿之后有效，所以，微控制器可以在SCK高电平时读出数据，而当其向SHT11发送数据时，则一定要保证DATA上的电平状态在SCK高电平段稳定。在需要输出高电平时，微控制器将置为高阻态，由外部的上拉电阻将信号拉至高电平，以此来实现高电平输出。

首先由两个传感器分别产生相对湿度和温度信号，经过放大后分别送到14位的ADC进行A/D转换、标准和纠错，最后通过二线制的串行接口，将相对湿度和温度的数据送至微控制器，再利用微控制器完成非线性补偿和温度补偿。

本系统以PIC16F73单片机作为微控制器。PIC16F73为8位28引脚微处理器，具有4KB的FLASH程序存储器;22条双向可编程I/O口线位A/D通道。

该系统由测量、显示和通信三部分所组成。由于PIC16F73具备I2C总线接口，所以不有必要进行虚拟。分别在DATA端接入1个4.7KW的上拉电阻，在VDD和GND端接入一个0.1mF的去耦电容。硬件连线系统硬件电路图

SHT11采用二线制的数据传输方式，为节省有限的I/O口资源，采用如下连接方式：将每个SHT11的SCK线都接到微控制器的同一个I/O口线上，而DATA线则分别挂接到不同I/O端口。同时，这样的接线方式还有一个优点：由于多个SHT11共用一条SCK线，因此，在每次测量中可以同时发出测量指令，这样，各个传感器一起进行测量，只需一次等待时间就能够实现整体数据的采集。缩短了数据的采集时间，从而为控制管理系统的快速响应提供了条件。

显示部分电路采取带有高速串行接口的4位LED控制驱动器ZLG7219实现，接口采用同步串行外设接口SPI，编程简单而且节省I/O口。温度和湿度显示各用4位，通过改变连接电源与ISET端口的电阻值，能调节数码管的显示亮度。

与上位机的数据通信部分采用接口芯片MAX232实现的RS-232的通信方式。为提高系统的可靠性，由MAX813LEUA组成看门狗电路，以防止程序跑飞而使系统失控。如果在1.6s内PIC16F73不给WDI输入端发送触发信号，说明程序跑飞，MAX813LEUA将发出复位信号，使系统复位重新进行。

温湿度测量系统软件的设计在单片机内部写有数据的采集和显示等程序，能使当前的温湿度值实时显示在现场，另外，该温湿度值通过RS-232总线接口送至PC，运行VB程序使温湿度值在监控界面上显示。单片机软件的流程如图3所示。

图3 软件流程图为实现温湿度测量，使用VB编写了上位机显示画面，能实时显示出当前现场每个点位的温湿度值，下面是对温湿度进行转化的部分程序：

图4是对其中的一个点进行采集的画面，在图中有串口号、波特率、检验位、数据位和停止位等设置，被测量点的当前温湿度一目了然。

这里显示的只是一个点，当然，也可以把所要显示的多个点一起显示，也可以切换到每一个点的历史温湿度值曲线，只要在程序上做一些修改就可以了。

本文采用PIC16F73单片机和SHT11温湿度传感器及相关外围芯片构成了高性能温湿度采集系统，并使用VB实现了数据现场和上位机的实时通信，从而很方便地知晓现场每个点位的温湿度状况，为混凝土结构的使用提供了强有力的依据。

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