DHT11, DHT22 hőmérséklet- és páraszenzor

A projektben a DHT11/DHT22 hőmérséklet és páraszenzor kerül terítékre. Boncolva a belseje is megismerésre kerül – valamint Arduino segítségével vizsgáljuk, hogy a környezetben hogyan és mitől változik e két jellemző. A cikkben a jövőbeni lehetőségek is terítékre kerülnek – megágyazva a hasonló célú, ám fejlettebb érzékelőknek. Legvégül pedig a hátrányokról sem szabad megfeledkezni…

Tartalomjegyzék

Hozzávalók

Eszközök

Arduino UNO alaplap vagy Arduino Mega alaplap (de bármelyik Arduino kompatibilis alaplap megfelel)
DHT11 hő-/páraszenzor
Jumper/Dupont kábel (anya-anya) – 3 ér

Szoftver

Arduino IDE keretrendszer
A cikk a Windows alatti 1.8.13 verzióval készült.
Adafruit DHT eljáráskönyvtár (ver: 1.2.3)

DHT11/DHT22 a háttér

A DHT11/DHT22 (avagy az eredeti ASAIR (AOSONG) gyártói jelölés alapján: DHT11 és AM2302) érzékelők előre kalibráltak és nem igényelnek további alkatrészeket a méréshez és a használatukhoz. Így azonnal elkezdhető velük a relatív páratartalom és hőmérséklet mérése.

A DHTxx érzékelők egyik legjobb tulajdonsága, hogy mind a hőmérsékletet, mind a páratartalmat tized pontossággal mérik – így meglehetősen pontos eredményt adnak vissza. Azonban a DHT érzékelők egyik hátránya, hogy a többi hasonló célú eszközhöz képest ritkábban képesek csak mérni (egy mérés ideje: egy-két másodperc). Ezért a gyors folyamatok monitorozására nem igazán alkalmasak – de tekintve az árukat és tudásukat: nem lehet panasz rájuk.

(Az érzékelők kiválasztási szempontjairól más cikkben még esik még bőven szó, a DHT mérőszonda-család előny-hátrány összefüggései az összehasonlító cikkben elérhetőek el (majd): → DHT szenzorról bővebben és a kiválasztás.).

A DHT11 vagy a DHT22/AM2302 szenzor a legyen a tesztben?

A DHTxx szenzorsorozatból alapvetően két változat van. Kicsit hasonlónak tűnnek, ugyanaz a kivezetésük sorrendje – de eltérőek a jellemzőik. A részletek:

A DHT22 szenzor a drágább, amely jobb specifikációval is rendelkezik. A hőmérsékleti mérési tartománya -40°C és +125°C között van ±0,5 fokos pontossággal, míg a DHT11 hőmérsékleti méréstartománya 0°C és 50°C között van ±2 fokos pontossággal. Szintén a DHT22 szenzornak a jobb a páratartalom mérési tartománya, 0-tól 100RH%-ig 2-5RH%-os pontossággal, míg a DHT11 páratartalom mérési tartománya 20-80RH%-os 5RH%-os pontossággal.

	DHT11	DHT22
Tápfeszültség	3…5V	3…5V
Max. áramfelvétel	2.5mA	2.5mA
Páratartalom mérés	20-80RH% / 5RH%	0-100RH% / 2-5RH%
Hőmérséklet mérés	0…50°C / ± 2°C	-40…80°C / ± 0.5°C
Mintavételezés	1 Hz (mintavételezés: másodpercenként)	0.5 Hz (mintavételezés: 2 másodpercenként)
Méret	15.5mm x 12mm x 5.5mm	15.1mm x 25mm x 7.7mm
Előny	Alacsony ár	Jobb pontosság

Bár a DHT22 pontosabb, nagyobb hőmérséklet- és páratartalom-tartományban működik – azonban három dolog is van, ahol a DHT11 legyőzi a DHT22-t. Olcsóbb, kisebb méretű és sűrűbb mintavételezésre alkalmas. A DHT11 mintavételi frekvenciája 1 Hz, azaz másodpercenként egy leolvasás történhet – míg a DHT22 mintavételi frekvenciája 0,5 Hz, azaz két másodpercenként lehetséges egy leolvasás.

Ugyanakkor mindkét érzékelő üzemi feszültsége 3…5 V, míg a mérés során (illetve adatforgalomnál) az áramigény 2,5 mA. És a legjobb dolog az, hogy a DHT11 és DHT22 érzékelők „cserélhetőek egymással” – vagyis ha az egyikkel épül fel a projekt, egyszerűen kicserélhető az érzékelő a másik típusra. Ha a programkód nem univerzális, akkor a kódot kicsit módosítani kell! (De legalább a vezetékezés ugyanaz… (a hordozható/csereszabatos kódról a cikk végén esik majd szó)!)

Hardware áttekintés

Most jön az érdekesebb rész: a boncolás. Azaz lebontásra kerül mind a DHT11, mind a DHT22 érzékelő külső burka. Láthatóvá válik, hogy mi van belül…

Az érzékelő tokozat két részből áll, így csak egy éles kést kell elővenni és szét kell pattintani a ragasztásnál. A tokozat belsejében, a szenzor oldalon van egy páratartalom-érzékelő, valamint egy NTC hőmérséklet-érzékelő alkatrész.

01776 dht11 internal - Cseh Robert / TavIR - dht,dht11,dht22,dht11/dht22 — „Pucér” DHT11 – ruha nélkül…

A páratartalom mérése nem annyira egyszerű, mint ahogyan hangzik…

A szőke hajszállal lehet az egyik legegyszerűbb páraszenzort elkészíteni – de ez itt nem az igazi megoldás (→ Firka 2007). De ez elektronikusan is megoldható:

A nedvességérzékelő szenzor felépítéséhez két elektródát használnak, melyek közé ún. nedvességtartó szubsztrát (általában só vagy vezetőképes műanyag polimer) van elhelyezve. Amikor a szubsztrát a vízgőzt elnyeli – ionok válnak szabaddá, ami viszont növeli az elektródák között a vezetőképességet. A két elektróda közötti vezetőképesség változása arányos a relatív páratartalommal. A magasabb relatív páratartalom csökkenti az elektródák közötti ellenállást, míg az alacsonyabb relatív páratartalom növeli azt.

01776 dhtxx humidity sensor - Cseh Robert / TavIR - dht,dht11,dht22,dht11/dht22 — Páraszenzor felépítése

A páraszenzoron kívül az eszköz még egy NTC hőmérséklet-érzékelőből(termisztorból) áll. A termisztor nem más, mint egy hőfokfüggő ellenállás: azaz megváltoztatja ellenállását a hőmérséklettel összefüggésben. (Technikailag minden ellenállás termisztor – hiszen ellenállásuk enyhén változik a hőmérséklettel –, de ez a változás általában nagyon kicsi és nehezen mérhető.)

A termisztorok tulajdonsága, hogy az ellenállásuk a hőmérséklettel drasztikusan változik. Az „NTC” kifejezés „negatív hőmérsékleti együtthatót” jelent – ami azt jelenti, hogy az eszköz ellenállása a hőmérséklet emelkedésével csökken.

01776 ntc - Cseh Robert / TavIR - dht,dht11,dht22,dht11/dht22 — NTC termisztor karakterisztikus görbével

A érzékelő áramköri lapjának a másik oldalán van egy kis 8 bites SOIC-14 tokozású IC-vel. Ez abprogramozott áramkör méri és feldolgozza az analóg jelet a belső tárolt kalibrációs együtthatókkal, analóg-digitális átalakítást végez, és digitális kommunikációval visszaadja a mért hőmérsékleti és páratartalom adatokat.

DHT11 és DHT22 lábkiosztás

A DHT11 és DHT22 érzékelők csatlakoztatása az áramkörökhöz nagyon egyszerű. Négy kivezetéssel rendelkeznek:

Az érzékelő a Vcc kivezetésén keresztül kapja a tápfeszültséget. Bár ez 3.3 V és 5.5 V között lehet – az 5 V tápfeszültség javasolt. Ebben az esetben a mérőszonda és az adatfeldolgozó áramkör közti maximális távolság 20 méter is lehet, míg 3.3V tápellátás esetén a távolság maximum 1 méter. Az adatlapban megadott kábelhossz túllépése esetén a kommunikáció sérülhet – hibás/sérült adatcsomag érkezhet.

Az adat kivezetés az érzékelő és a mikrokontroller közötti kommunikációra szolgál. Az érzékelők lábkiosztása:

Vcc – tápellátás (3…5V)
Data pin – adatvonal/mérési eredmény digitális kommunikáció
NC – nincs bekötve
GND – rendszerföld

DHT11 és DHT22 összekötése az Arduino lappal

Most, hogy a DHT11/DHT22 érzékelők működése megismerésre került – akár az Arduinora is lehetne kötni…

Szerencsére elég könnyű a DHT11/DHT22 szenzorok Arduinohoz csatlakoztatása. A szenzorok hosszú lábakkal, 0,1” osztásközű kivezetésekkel rendelkeznek, így könnyedén csatlakoztathatók bármilyen breadboardhoz vagy akár közvetlenül az Arduino laphoz. A rendszer 5V tápfeszültsége és a GND összekötése egyértelmű, míg az adatvonalat a D4 Arduino kivezetésre kell bekötni (de bármelyik digitális I/O kivezetésre megfelelő e célra). Az adatvonal és a Vcc (tápfeszültség) közé szükséges még egy 10 kOhm felhúzó-ellenállás. Tipp: ha DHTxx modulként áll rendelkezésre az érzékelő, akkor a felhúzó ellenállás ott az áramköri lapon már elhelyezésre került.

01776 arduino dht11 - Cseh Robert / TavIR - dht,dht11,dht22,dht11/dht22 — DHT11 bekötése az Uno lapra

Arduino program – szenzoradatok kiírása a soros terminálra

A DHT11 és DHT22 érzékelőknek saját egyvezetékes protokolljuk van az adatok átvitelére – azonban ez nem csereszabatos a Dallas OneWire busszal! A protokoll az időzítésre érzékeny, de szerencsére nem kell sokat aggódnunk emiatt, mert a DHT eljárás könyvtár (több írótól is) rendelkezésre áll és szinte mindenről gondoskodik. Viszont ez okozza a problémát is. A kódok minősége sosem egyenletes az Arduino esetén. Több DHT eljáráskönyvtárat kipróbálva, hibákba lehet belefutni:

a szenzor lekérdezésekor időtúllépésre fut – így az adat helyett „Nincs adat/hibás szenzor” eredményt kapunk
a szenzor típusát be kell állítani – nem ismeri fel automatikusan, hogy DHT11 vagy DHT22 a szenzor
a program nem ellenőrzi a kommunikációt és nem használja a hibaellenőrzést
csak az alapfunkciók vannak megírva az eljárásban (a kényelmi segédprogramok nem: Fahreinheit átszámítás, abszolút páratartalom kiszámítása, hőérzetszámítás, stb.)

A DHT függvénykönyvtárakból a keretrendszer többet is felkínál telepítésre:

DHT sensor library (Adafruit) 1.2.3
Nincs autodetect funkció. Az újabb kiadások plusz eljáráskönyvtárakat (függőségeket) is telepítenek! Hőérzet számítást is tartalmaz.
DHTlib (Rob Tillaart) 0.1.34
Nincs autodetect funkció. Kommunikációs hibák típusát is kiírja. Csak az alap hőfok/páratartalmat adja vissza.
DHTNew (Rob Tillaart) 0.4.10
Hibás működés, szenzorokat eldobja időnként. Elvileg autodetect funkcióval rendelkezik- gyakorlatilag hibára fut.
DHTStable (Rob Tillaart) 1.1.0
Nincs autodetect funkció. Kommunikációs hibák típusát is kiírja. Csak az alap hőfok/páratartalmat adja vissza.
SDHT (Helder Rodrigues) 2.0.0
Nem jól települ – nem jelenik meg a példák közt.
SimpleDHT (Vinlin) 1.0.15
Nem jól települ – nem jelenik meg a példák közt.
TroykaDHT (Dementiev)
Alapfunkciók, nincs autodetect.

A legjobbnak a DHT sensor library (Adafruit) könyvtára tűnik, így a mintában is ezt használtam.

A DHTxx függvénykönyvtár telepítése

A telepítés az Arduino beépített könyvtárkezelőjével lehetséges. Ehhez meg kell nyitni a Vázlat – Könyvtár tartalmazása – Könyvtárak kezelése… útvonalon a Könyvtárkezelőt.

Az előugró ablakban a keresőmezőbe a DHT szöveget megadva és ENTER-t ütve – a lista leszűrésre kerül. Itt a DHT sensor library by Adafruit telepítést kell kiválasztani – a lenyíló menüből az 1.2.3 verziót választva.

A Telepítés gombra kattintva az eljáráskönyvtár letöltésre és installálásra is kerül. (Az Arduino keretrendszer újraindítása javasolt a telepítés után!)

Ellenőrizni a Fájl – Példák – DHT sensor library – DHTtester megnyitásával lehet a sikeres telepítést.

Saját DHT11/DHT22 mintakód

A gyári mintakód is használható DHT11/22 szenzor működésének ellenőrzésére. De a működés bemutatása a cikkbeli programkódon keresztül a legegyszerűbb.

A programkód lefordítása és feltöltése után az Arduino lapka a hőmérséklet és a relatív páratartalom értékeket írja ki a megnyitott soros monitorra.

#include &lt;DHT.h&gt;
#define DHTpin 4
#define DHTTYPE DHT11   // DHT 11
//#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302), AM2321
//#define DHTTYPE DHT21 // DHT 21 (AM2301)
DHT dht(DHTpin, DHTTYPE);
void setup() 
{
    Serial.begin(9600);
    dht.begin();
    delay(2000);
}
void loop() 
{
    float t = dht.readTemperature();
    float h = dht.readHumidity();
    Serial.print("Temperature = ");
    Serial.print(t);
    Serial.print(" *C | ");
    Serial.print((t * 9.0) / 5.0 + 32.0);
    Serial.print(" *F | Humidity = ");
    Serial.print(h);
    Serial.println(" % ");
    Serial.println("");
    delay(2000);
}

#include <DHT.h>

#define DHTpin 4

#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11

//#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302), AM2321

//#define DHTTYPE DHT21 // DHT 21 (AM2301)

DHT dht(DHTpin, DHTTYPE);

void setup()

{

Serial.begin(9600);

dht.begin();

delay(2000);

}

void loop()

{

float t = dht.readTemperature();

float h = dht.readHumidity();

Serial.print("Temperature = ");

Serial.print(t);

Serial.print(" *C | ");

Serial.print((t * 9.0) / 5.0 + 32.0);

Serial.print(" *F | Humidity = ");

Serial.print(h);

Serial.println(" % ");

Serial.println("");

delay(2000);

}

Ha mindent jól csináltunk, akkor a soros terminál ablakban ilyet kell látni:

A program működése

A program elején megadásra kerül, hogy a DHT11/DHT22 modul melyik Arduino kivezetésre kapcsolódik (dataPin). Majd DHT eljáráskönyvtár hozzáadásával előkészítésre kerül, hogy később a mérőszondát mely függvények fogják kezelni (DHT.h meghivatkozása). És definiálni kell még, hogy melyik típusú érzékelőt használjuk, és a program ennek megfelelően kell majd hogy kiválassza. Ez a DHTTYPE definícióval lehetséges (az a sor, amelyik a típusra utal – az fordításra kerül, míg a nem használt érzékelők a // jellel megjegyzésként kerülnek leírásra. Ezen adatok segítségével létrehozásra kerül egy DHT nevű objektum – amin keresztül elérhetőek a könyvtárban megvalósított funkciók.

#define dataPin 4
#include &lt;DHT.h&gt;
#define DHTpin 4 
#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11 
//#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302), AM2321 
//#define DHTTYPE DHT21 // DHT 21 (AM2301) 

DHT dht(DHTpin, DHTTYPE);

#define dataPin 4

#include <DHT.h>

#define DHTpin 4

#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11

//#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302), AM2321

//#define DHTTYPE DHT21 // DHT 21 (AM2301)

DHT dht(DHTpin, DHTTYPE);

A setup() funkcióban a soros kommunikáció beállításra kerül – hiszen a mérési eredményt ezen keresztül küldjük a PC felé – ahol az Arduino beépített soros termináljában kerül megjelenítésre. A dht.begin() utasítás a dht objektumon keresztül a mérőszondát mérési állapotra készíti fel, ahogy az Arduino lapot is a kiolvasásra. Végül 2000 msec várakozás szükséges az első mérés lefutásához, a mérőszonda inicializálásához.

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    dht.begin();
    delay(2000);
}

void setup() {

Serial.begin(9600);

dht.begin();

delay(2000);

}

A loop() függvényben a dht.readTemperature() kiolvassa a hőmérsékletet – a dht.readHumidity()pedig a páratartalmat. A kapott adatok a Serial.print() utasítással a soros monitorra kiírásra kerülnek.

    float t = dht.readTemperature();
    float h = dht.readHumidity();
    Serial.print("Temperature = ");
    Serial.print(t);
    Serial.print(" *C | ");
    Serial.print((t * 9.0) / 5.0 + 32.0);
    Serial.print(" *F | Humidity = ");
    Serial.print(h);
    Serial.println(" % ");
    Serial.println("");
    delay(2000);

float t = dht.readTemperature();

float h = dht.readHumidity();

Serial.print("Temperature = ");

Serial.print(t);

Serial.print(" *C | ");

Serial.print((t * 9.0) / 5.0 + 32.0);

Serial.print(" *F | Humidity = ");

Serial.print(h);

Serial.println(" % ");

Serial.println("");

delay(2000);

A dht.readTemperature() Celsius (°C) hőmérsékleti értéket ad vissza. Fahrenheit-re (°F) konvertálható egy egyszerű képlet segítségével:

T(°F) = T(°C) × 9/5 + 32

A kapott Fahreinheit adat is kiírható a Serial.print() utasítás segítségével. Tipp: a hőmérséklet fok jele a kiírásban * jellel került helyettesítésre. Így a speciális karakter kiírása elkerülhető.

Grafikon rajzolása

Az Arduino beépítve tartalmazza az ún. plotter funkciót. Az Arduino IDE használata során ehhez a kirajzolandó adatokat speciálisan formázva kell a PC fele soros vonalon küldeni. Az adatküldésnél a kiírandó adatokat szóköz, /t (tabulátor) kell hogy elválassza, és az összetartozó adatok sorát a sorvége jellel kell lezárni. Azaz az előző programban a kiíratási rész már módosításra került:

#include &lt;DHT.h&gt;
#define DHTpin 4
#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11
//#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302), AM2321
//#define DHTTYPE DHT21 // DHT 21 (AM2301)
DHT dht(DHTpin, DHTTYPE);
void setup() 
{
    Serial.begin(9600);
    dht.begin();
    delay(2000);}
void loop() 
{
    float t = dht.readTemperature();
    float h = dht.readHumidity();
    <span style="color: #ff0000;"><strong>Serial.print(t);
    Serial.print(" ");
    Serial.println(h);</strong></span>
    delay(2000);
}

#include <DHT.h>

#define DHTpin 4

#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11

//#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302), AM2321

//#define DHTTYPE DHT21 // DHT 21 (AM2301)

DHT dht(DHTpin, DHTTYPE);

void setup()

{

Serial.begin(9600);

dht.begin();

delay(2000);}

void loop()

{

float t = dht.readTemperature();

float h = dht.readHumidity();

<span style="color: #ff0000;"><strong>Serial.print(t);

Serial.print(" ");

Serial.println(h);</strong></span>

delay(2000);

}

A programkódban a változás piros színnel lett kiemelve. Fordítás és letöltés után az Arduino keretrendszerben a görbe rajzolása az Eszközök – Soros plotter alatt lehetséges. (Fontos! A lenyíló menüben a Soremelés és kocsi vissza is legyen kiválasztva) Ha mindent jól végeztünk, akkor képernyőn megjelenő görbe ehhez hasonló lesz:

01776 dht11 plotter - Cseh Robert / TavIR - dht,dht11,dht22,dht11/dht22 — Arduino – Soros plotterben megjelenő görbesereg

Az Adafruit DHT eljáráskönyvtár egyéb szolgáltatásai

Az Adafruit eljáráskönyvtár (verzió: 1.2.3) segítségével a hőmérséklet kiolvasható Fahreinheit fokban is:

// Read temperature as Fahrenheit (isFahrenheit = true)
 float f = dht.readTemperature(true);

1 2	// Read temperature as Fahrenheit (isFahrenheit = true) float f = dht.readTemperature(true);

A kiolvasás után, ha a változók nem érvényes adatot adnak vissza, akkor a hiba lekezelhető az alábbi módon:

// Check if any reads failed and exit early (to try again).
if (isnan(h) || isnan(t) || isnan(f)) {
    Serial.println("Failed to read from DHT sensor!");
    return;
}

// Check if any reads failed and exit early (to try again).

if (isnan(h) || isnan(t) || isnan(f)) {

Serial.println("Failed to read from DHT sensor!");

return;

}

Az eljáráskönyvtár a hőérzet számítást is tartalmazza (Hőérzet: magasabb páratartalom esetén javul, azaz ugyanazt a hőmérsékletet magasabbnak, alacsony páratartalom mellett pedig romlik hőérzetünk, azaz ugyanazt a hőmérsékletet alacsonyabbnak érezzük.)

// Compute heat index in Fahrenheit (the default) 
float hif = dht.computeHeatIndex(f, h); 
// Compute heat index in Celsius (isFahreheit = false) 
float hic = dht.computeHeatIndex(t, h, false);

// Compute heat index in Fahrenheit (the default)

float hif = dht.computeHeatIndex(f, h);

// Compute heat index in Celsius (isFahreheit = false)