آشنایی با سنسور دیجیتال دما و رطوبت DHT11

سلام بر همه همراهان آکادمی اسمارت کامپ! امیدواریم حال همگی خوب باشه و در زندگیتون موفق باشید. در این آموزش، قصد داریم به شما راجع به سنسور دما و رطوبت DHT11 اطلاعات دقیقی را ارائه کنیم. DHT11 یک سنسور یکپارچه است که برای اندازه گیری دما و رطوبت محیط اطراف استفاده می شود و خروجی دیجیتال کالیبره شده را ارائه می دهد. این سنسور می تواند دما را در محدوده 0 تا 50 درجه سانتی گراد با دقت 2 ± درجه سانتی گراد اندازه گیری کند. محدوده رطوبت آن از 20% تا 80% با دقت 5±% می باشد. این یک سنسور یکپارچه کوچک، کم هزینه و با رابط کاربری آسان است.

برای آشنایی با برنامه نویسی میکروکنترلرهای AVR به دو لینک زیر مراجعه کنید:

http://smartcomp.ir/product-4

http://smartcomp.ir/product-6

در این آموزش عملکرد، پایه ها، پروتکل و رابط آن با سایر میکروکنترلرها را به طور کامل توضیح خواهیم داد.

چند ویژگی مهم DHT11 در جدول زیر آورده شده است:

مقدمه ای بر DHT11

DHT11 یک سنسور یکپارچه ارزان قیمت، کوچک و با کارکرد آسان است، متشکل از 4 پین، که برای اندازه گیری دما (0 تا 50 درجه سانتی گراد با دقت ± 2 درجه سانتی گراد) و رطوبت نسبی (20٪ تا 80٪ با دقت ± 5٪) با خروجی دیجیتال کالیبره شده بکار گرفته می شود.

پایه هایDHT11

DHT11 در کل از 4 پین تشکیل شده است که در زیر از چپ به راست فهرست شده است:

Vcc: نیاز به تامین +5V در این پایه است.

داده: این پین خروجی دیجیتال است که 0 ولت یا 5 ولت می دهد.

NC: متصل نیست. (برای طراحی آینده خالی مانده است)

GND: نیاز به اعمال زمین در این پایه.

DHT11 دارای سنسور خازنی برای اندازه گیری رطوبت و ترمیستور NTC برای سنجش دما است. (در ادامه به آنها خواهیم پرداخت)

این محصول در یک بسته متشکل از 4 پین با فاصله 0.1 اینچی بین آنها عرضه می شود.

DHT11 مقدار خروجی را هر 2 ثانیه یک بار به روز می کند.

خروجی اندازه کوچک، کم هزینه، دقیق و کالیبره شده و انتقال سیگنال تا 20 متر آن را از سایر سنسورها متمایز می کند.

DHT11 از یک رابط سریال تک سیم برای پردازش داده ها استفاده می کند.

رطوبت را با استفاده از ضرایب رطوبت کالیبره می کند که در حافظه برنامه OTP کنترلر داخلی ذخیره می شود.

ولتاژ کاری آن 3 ولت تا 5.5 ولت است، بنابراین با هر سیستم میکروکنترلری با ولتاژهای کاری 3.3 و 5 ولت کار می کند.

فرکانس نمونه برداری 1 هرتز دارد، بنابراین پس از هر 1 ثانیه از داده ها نمونه برداری می کند.

DHT11 دارای ابعاد 27mm x 59mm x 13.5mm (1.05 x 2.32 x 0.53 اینچ) است، بنابراین بسیار کوچک است و به راحتی می توان آن را در پروژه های تعبیه شده مستقل قرار داد.

در مقایسه با سایر سنسورهای گران قیمتی مثل SHT10، DS18B20 و غیره در خواندن داده ها بسیار دقیق و کم خطا است.

تا اینجای کار ویژگی های اساسی سنسور رطوبت DHT11 را مورد بحث قرار دادیم. حالا بیایید نگاهی به پایه هایDHT11  و توضیحات آن بیندازیم:

پایه بندی DHT11 و توصیف پایه ها

DHT11  در مجموع از 4 پین تشکیل شده است که در جدول زیر نشان داده شده است:

برای درک بهتر اجازه دهید تصویر آن را که در زیر آورده شده است بررسی کنیم:

اصول کاری DHT11

اکنون، بیایید اصل کار سنسور دما و رطوبت DHT11 را بررسی کنیم.

همانطور که قبلاً گفتیم، دو سنسور در داخل DHT11 وجود دارد، بنابراین بیایید هر دو را جداگانه بررسی کنیم:

سنجش دما DHT11

در داخل این ماژول برای سنجش دما، یک سنسور دما NTC (ضریب دمای منفی) (که ترمیستور نیز نامیده می‌شود) روی سطح داخل محفظه پلاستیکی نصب شده است.

سنسورهای دمای NTC سنسورهای مقاومتی متغیری هستند که مقاومت آنها با افزایش دمای محیط کاهش می یابد.

ترمیستورها با ذوب سطحی مواد نیمه هادی مانند سرامیک یا پلیمرها طراحی می شوند و با تغییر دما کم، تغییر زیادی در مقاومت ایجاد می کنند.

در اینجا نمودار، رابطه بین دما و مقاومت سنسور DHT11 را نشان می دهد:

اندازه گیری رطوبت DHT11

ماژول DHT11 برای اندازه‌گیری رطوبت، از یک حسگر رطوبت خازنی استفاده می‌کند که دارای دو الکترود و یک ماده بستر (substrate) است.

مواد بستر یا زیرلایه برای نگه داشتن رطوبت روی سطح آن استفاده می شود.

همانطور که رطوبت در محیط ما تغییر می کند، آنها روی مواد بستر اشباع می شوند که به نوبه خود مقاومت بین الکترودها را تغییر می دهد.

این تغییر در مقاومت الکترود سپس با استفاده از ضریب رطوبت (ذخیره شده در حافظه OTP) کالیبره می شود و مقدار رطوبت نسبی نهایی به ما داده می شود.

در اینجا تصویر ساختار داخلی سنسور رطوبت DHT11 را نشان می دهد:

پروتکل ارتباطی DHT11

سنسور DHT11 از پروتکل سریال دو طرفه تک سیمی برای برقراری ارتباط با تجهیزات جانبی که معمولاً میکروکنترلرها هستند استفاده می کند.

ما آن را تک سیم می نامیم زیرا ارتباط از طریق یک پایه انجام می شود.

این ارتباط دو طرفه است زیرا DHT11 دستورات را از میکروکنترلر دریافت می کند و سپس به داده های مورد نیاز پاسخ می دهد.

داده های ارسال شده توسط سنسور 40  بیت است و ابتدا بیت های داده بالاتر را ارسال می کند.

داده ها شامل مقادیر انتگرال و اعشاری دما و رطوبت نسبی به همراه مقدار صحت جمع هستند.

فرمت داده DHT11

DHT11 داده های سریال 40 بیتی را در قالب زیر ارسال می کند:

رطوبت 8 بیتی (انتگرال)

رطوبت 8 بیتی (اعشاری)

دمای 8 بیت (انتگرال)

دمای 8 بیت (اعشاری)

کنترل 8 بیتی

اگر DHT11 داده های صحیحی را ارسال می کند، در پایان باید یک داده Checksum  8 بیتی ارسال کند.

ارتباط DHT11 با میکروکنترلر

نمودار مدار رابط DHT11 با میکروکنترلر در شکل زیر نشان داده شده است:

قرار دادن مقاومت بالاکش(pull-up) 5 کیلو اهم در پایه داده سنسور DHT11 توصیه می شود.

در شرایط عادی، پایه داده DHT11 در سطح ولتاژ HIGH باقی می ماند و سنسور در حالت مصرف انرژی کم باقی می ماند.

برای دریافت داده ها از سنسور DHT11، میکروکنترلر باید پایه داده را حداقل 18 میکروثانیه LOW کند تا سنسور بتواند آن را حس کند.

هنگامی که سنسور DHT11 سیگنال LOW را در پایه Data  احساس کرد، وضعیت خود را از حالت مصرف کم به حالت اجرا تغییر می‌دهد و منتظر می‌ماند تا پین داده HIGH شود.

با بالا رفتن مجدد پین داده توسط میکروکنترلر، DHT11 مقدار خروجی کالیبره شده 40 بیتی را به صورت سریال ارسال می کند.

پس از ارسال داده ها، DHT11 به حالت کم مصرف برمی گردد و منتظر دستور بعدی میکروکنترلر می ماند.

میکروکنترلر برای دریافت پاسخ از سنسور DHT11 باید 20-40 us منتظر باشد.

کاربردهای DHT11

DHT11 به دلیل اندازه کوچک، هزینه کم و توانایی کار با دو ولتاژ، طیف وسیعی از کاربردها را دارد:

DHT11 در پروژه های اتوماسیون خانگی برای حفظ مقادیر جوی ثابت با کنترل وسایل (مانند AC، فن و غیره) بر اساس خوانش سنسور استفاده می شود.

همچنین در ایستگاه های هواشناسی برای سنجش دما و رطوبت استفاده می شود.

همچنین در دستگاه های کنترل آب و هوای اتوماتیک استفاده می شود.

دستگاه های نظارت بر محیط نیز از این سنسور استفاده می کنند.

سیستم های نظارت بر باغ نیز از سنسورهای DHT11 استفاده می کنند.