毕设保命模块——DHT11温湿度传感器从原理到代码全解析
DHT11温湿度传感器从原理到代码全解析
文章标题
一、DHT11温湿度传感器简介
DHT11是一款常用的数字温湿度传感器。传感器包括一个电容式感湿元件和一个 NTC 测温元件，能够测量皱纹环境的温湿度，常用于暖通空调、除湿器、农业、冷链仓储等方面。
二、DHT11数据手册分析
2.1 DHT11接口说明
| 引脚号 | 标识 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | DOUT | 通信端口 |
| 2 | GND | 电源地 |
| 3 | VCC | 3.3V/5V |
可以先接3.3V尝试一下，如果无法正常工作，再换成5V。
2.2 单总线串行通信分析
DHT11通过串行通信的方式，将采集到的环境温湿度信息传递给单片机。数据手册中，针对DHT11的串行通信做了详细介绍。
2.2.1 什么是单总线通信
DHT11 器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约 4.7kΩ 的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问器件都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，器件将不响应主机。
2.2.2 单总线传输数据位定义
DHT11的DATA引脚，用于单片机与 DHT11 之间的通讯和同步,采用单总线数据格式，一次传送 40 位数据，高位先出。数据格式
8bit 湿度整数数据 + 8bit 湿度小数数据 + 8bit 温度整数数据 + 8bit 温度小数数据 + 8bit 校验位
数据手册中写明，湿度的小数部分为0。8bit 校验位等于所得结果的末 8 位。
对于校验位，数据手册中举例说明。比如接收到的40位数据为
| 0011 0101 | 0000 0000 | 0001 1000 | 0000 0100 | 0101 0001 |
|---|---|---|---|---|
| 湿度高8位 | 湿度低8位 | 温度高8位 | 温度低8位 | 校验位 |
计算 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0100 + 0101 0001 = 0101 0001，与接收到的校验位相等，校验通过。如果校验不通过，则将此次接收到的数据丢弃，重新接收数据。
2.2.3 DHT11总线时序图分析
根据上面的介绍，如果单片机想要读取数据，需要先发送一个起始信号。起始信号需要拉低数据线至少18ms。
DHT11检测到起始信号之后，等待起始信号低电平结束，然后输出应答信号。应答信号是先将数据线拉低83us，再拉高87us。
然后DHT11就开始输出数据了，“0”和“1”的时序图如下
总时序图如下
三、DHT11程序设计
3.1 初始化GPIO
根据上面的介绍，STM32的GPIO既需要用作输出，也需要用作输入。因此，STM32的GPIO需要有两种配置
/*
*==============================================================================
*函数名称：Drv_Dht11_Gpio_OutInSet
*函数功能：DHT11引脚输出/输入设置
*输入参数：state：OUT：输出（0）；IN：输入（1）
*返回值：无
*备 注：无
*==============================================================================
*/
void Drv_Dht11_Gpio_OutInSet (u8 state)
{
// 结构体定义
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
// 开启时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
// 初始化GPIO结构体
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
if (state)
{
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
}
else
{
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽式输出
}
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
}
.h文件添加下面程序
// GPIO模式
#define OUT 0 // 输出模式
#define IN 1 // 输入模式
3.2 复位DHT11
/*
*==============================================================================
*函数名称：Drv_Dht11_Reset
*函数功能：复位DHT11
*输入参数：无
*返回值：无
*备 注：无
*==============================================================================
*/
void Drv_Dht11_Reset (void)
{
Drv_Dht11_Gpio_OutInSet(OUT); // 设置数据线为输出模式
DHT11_SDA_Clr(); // 拉低数据线
delay_ms(20); // 拉低至少18ms
DHT11_SDA_Set(); // 拉高一小段时间
delay_us(30); // 拉高20~40us
}
3.3 DHT11连接检测
/*
*==============================================================================
*函数名称：Drv_Dht11_ConnectCheck
*函数功能：检测DHT11是否连接
*输入参数：无
*返回值：0：已连接；1：未连接
*备 注：无
*==============================================================================
*/
u8 Drv_Dht11_ConnectCheck (void)
{
u8 tempVar = 0; // 定义临时变量
Drv_Dht11_Gpio_OutInSet(IN); // 设置数据线为输入模式
while ((GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_DHT11, GPIO_PIN_DHT11) == 1) && tempVar < 100) // DHT11会拉低40~80us
{
tempVar++;
delay_us(1);
};
if(tempVar >= 100)
{
return 1;
}
else
{
tempVar = 0;
}
while ((GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_DHT11, GPIO_PIN_DHT11) == 0) && tempVar < 100) // DHT11拉低后会再次拉高40~80us
{
tempVar++;
delay_us(1);
};
if(tempVar >= 100)
{
return 1;
}
return 0;
}
3.4 发送起始信号
单片机的 I/O 设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于 18ms(最大不得超过 30ms)，然后单片机的 I/O 设置为输入状态，由于上拉电阻，单片机器的 I/O 即 DHT11 的 DATA 数据线也随之变高，等待 DHT11 作出回答信号。程序设计如下
/*
*==============================================================================
*函数名称：Drv_Dht11_Start
*函数功能：向DHT11发送起始信号
*输入参数：state：OUT：输出（0）；IN：输入（1）
*返回值：无
*备 注：无
*==============================================================================
*/
void Drv_Dht11_Start (void)
{
OLED_SDA_Set(); // 拉高一小段时间
delay_us(30);
Drv_Dht11_Gpio_OutInSet(OUT); // GPIO配置为输出模式
OLED_SDA_Clr(); // 拉低数据线
delay_ms(20); // 保持20ms
OLED_SDA_Set(); // 拉高一小段时间
delay_us(30);
Drv_Dht11_Gpio_OutInSet(IN); // GPIO配置为输入模式
}
3.5 DHT11初始化
/*
*==============================================================================
*函数名称：Drv_Dht11_Gpio_OutInSet
*函数功能：DHT11引脚输出/输入设置
*输入参数：state：OUT：输出（0）；IN：输入（1）
*返回值：无
*备 注：这里的连接检测用的是while语句，如果DHT11一直连接异常，程序会一直卡在
在这里，如果有显示器件或者串口调试，建议这里添加一个异常信息的输出。
如果没有显示器件，建议不进行连接检测。
*==============================================================================
*/
void Med_Dht11_Init (void)
{
Drv_Dht11_Reset(); // 复位DHT11
while(Drv_Dht11_ConnectCheck()) // DHT11连接检测
{
Med_Oled_ShowString(2,0,"DHT11 Error!",8); // 在OLED上显示字符串
Med_Oled_ShowString(4,2,"Please Check Connect!",8); // 在OLED上显示字符串
}
Med_Oled_Clear(); // 清屏
Med_Oled_ShowString(2,7,"ertu 2023.10.26",8); // 在OLED上显示字符串
}
3.6 接收一个字节数据
/*
*==============================================================================
*函数名称：Med_Dht11_ReceOneByte
*函数功能：接收一帧数据
*输入参数：无
*返回值：一字节接收数据
*备 注：无
*==============================================================================
*/
u8 Med_Dht11_ReceOneByte (void)
{
u8 tempVar = 0; // 临时循环变量
u8 receData = 0; // 接收数据
for (tempVar = 0;tempVar < 8;tempVar ++)
{
receData <<= 1; // 左移
while (DHT11_SDA_DATA); // 等待高电平过去
while (!DHT11_SDA_DATA); // 等待54us的低电平过去
delay_us(40); // 延时30us之后判断是0还是1
// 如果30us之后依旧为高电平
if (DHT11_SDA_DATA)
{
receData |= 1; // 接收数据为1
}
else
{
receData |= 0; // 接收数据为0
}
}
return receData;
}
3.7 接收温湿度信息并校准
/*
*==============================================================================
*函数名称：Med_Dht11_GetData
*函数功能：获取温湿度数据
*输入参数：*temp：存储温度数据变量地址；*humi：存储湿度数据变量地址
*返回值：0：读取成功；1：读取失败
*备 注：无
*==============================================================================
*/
u8 Med_Dht11_GetData (u8 *temp, u8 *humi)
{
u8 buf[5];
u8 i;
Drv_Dht11_Reset(); // 复位DHT11
if(Drv_Dht11_ConnectCheck() == 0)
{
for(i = 0; i < 5; i++) //读取40位数据
{
buf[i] = Med_Dht11_ReceOneByte();
}
if((buf[0] + buf[1] + buf[2] + buf[3]) == buf[4])
{
*humi = buf[0];
*temp = buf[2];
}
}
else
{
return 1;
}
return 0;
}
四、DHT11仿真设计与实现
我们在Proteus中搭建了DHT11仿真电路，主要包含以下元件
- STM32F103C8T6最小系统
- DHT11温湿度传感器
- .96寸OLED显示屏（I2C接口）
仿真效果如下
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