Temperatur- und Feuchtigkeitssensor DHT11

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Abbildung 1: Temperatur- & Feuchtigkeitssensor DHT11

Autor: Noah Greis
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Im Modul des Schwerpunktes Systems Design Engineering (SDE), in Zusammenhang mit der Vorlesung Sensortechnik, war es die Aufgabe einen beliebigen Sensor durch Recherche und Inbetriebnahme, die Funktionsweise zu verstehen und in einem Wiki-Artikel zu erläutern.

Einleitung

Dieser Artikel beschäftigt sich mit dem Temperatur- & Feuchtigkeitssensors DHT11. Dieser dient, wie der Name bereits vermuten lässt, der Messung der aktuellen Temperatur (in Grad Celsius) und der Luftfeuchte (in Prozent). Im folgenden wird erklärt wie der Sensor angeschlossen und in Betrieb genommen wird, sowie die Funktionsweise bei der Signalverarbeitung und Auswertung.

Technische Daten

DHT11 Pinout

Parameter	Werte
Spannungsbereich	3 - 5 V DC
Feuchtigkeitsmessbereich	20% - 90%
Temperaturmessbereich	0°C - 50°C
Messgenauigkeit Feuchtigkeit	± 5,0%
Messgenauigkeit Temperatur	± 2,0°C
Abtastrate	1 Hz

Pinout
Pin 1 / VCC	VCC (5 V DC)
Pin 2 / DATA	Digitaler Pin und über 10 kΩ an VCC
Pin 3 / NC	Not used
Pin 4 / GND	GND

Prinziperklärung

Der Temperatursensor

Zum Messen der Temperatur, hat der DHT11 einen Heißleiter, einen sogenannten Negative Temperature Coefficient Thermistor (NTC) verbaut. Dabei handelt es sich um einen Widerstand, welcher seinen Wert in Abhängigkeit der Temperatur ändert. Die Leitfähigkeit wird bei zunehmender Temperatur größer und somit wird der Widerstandswert kleiner. Daher auch die Bezeichnung "NTC", denn der Widerstandswert hat einen negativen Verlauf bei zunehmender Temperatur, wie auch in Abb.?? erkennbar.

Die Temperatur lässt dich dann durch Umstellen der Formel für den Widerstand ausrechnen. Dies wird direkt vom im DHT 11 verbauten IC (Integrierte Schaltung) vorgenommen und über die Datenleitung an den Arduino übergeben. Wie genau diese Übertragung abläuft wird im Punkt "Messkette" genauer erläutert.

$R_{T}=R_{N}\cdot e^{B\cdot(\dfrac {1}{T} - \dfrac {1}{T_{N}})}$

$T=\dfrac {1}{\dfrac {1}{T_{N}} + \dfrac {1}{B} \cdot \ln \dfrac {R_{T}}{R_{N}}}$

$R_{T}$: ermittelter Widerstand

$R_{N}$: Widerstand bei Nenntemperatur ($T_{N}$)

$B$: Thermistorkonstante

$T_{N}$: Nenntemperatur (meist 25°C)

$T$: ermittelte Temperatur

Der Feuchtigkeitssensor

Abbildung 3: DHT 11 Kondensator

Abbildung 4: Schematischer Kondensatoraufbau

Der DHT11 verfügt über eine eingebauten Kondensator, welcher auf Abb. 3 zu sehen ist. Der Aufbau des Kondensators ist vereinfacht in Abb. 4 dargestellt.

Der Kondensator besteht wie in der Abb. 4 zu erkennen ist aus zwei Elektroden, zwischen denen sich ein feuchtigkeitsempfindliches Substrat befindet. Wird der Sensor nun angeschlossen, entsteht durch die anliegende Spannung ein elektrisches Feld, welches eine Kapazität erzeugt. Diese Kapazität ist unter anderem von der Dielektrizitätszahl abhängig, welche wiederum von der Luftfeuchte abhängt. Steigt die Luftfeuchtigkeit, so steigt auch die Anzahl an Wassermolekülen, welche vom Substrat aufgenommen werden und sich im elektrischen Feld anordnen. Dies bewirkt eine steigende Dielektrizitätszahl und somit eine steigende Kapazität. Die Kapazität kann wie folgt berechnet werden:

$C=\frac{\mathbf{\varepsilon}_{r} \cdot \mathbf{\varepsilon}_{0} \cdot A}{d}$

$C$: Kapazität

$\mathbf{\varepsilon}_{r}$: Relative Permittivität

$\mathbf{\varepsilon}_{0}$: Elektrische Feldkonstante

$A$: Elektrodenfläche

$d$: Elektrodenabstand

Messkette

Bussystem

Der DHT11 Sensor, sendet seine Daten lediglich über einen einzelnen Daten Pin, welcher mit einem digitalen Pin des Arduinos verbunden wird.

Es wird somit kein Bussystem benötigt.

Equipment

Verwendete Software

• Arduino IDE

Verwendete Komponente

• Temperatur- & Luftfeuchtigkeitssensor DHT11
• 10 kΩ Widerstand
• Arduino UNO

Hardwareaufbau

Datenblatt

• Datenblatt des DHT11 [1]
  

Quellenverzeichnis

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