【正点原子MP157连载】第二十七章 DHT11数字温湿度传感器实验-摘自【正点原子】STM32MP1 M4裸机CubeIDE开发...
时间：2022-10-05 00:00:00
1）实验平台：正点原子STM32MP157开发板
2)购买链接:https://item.taobao.com/item.htm?&id=629270721801
3)全套实验源码 手册 视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-318813-1-1.html
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5）正点原子STM32MP157技术交流群:691905614
第二十七章 DHT数字温湿度传感器实验
本章将介绍数字温湿度传感器DHT11的使用，以及前一章DS18B与20温度传感器相比，该传感器不仅可以测量温度，还可以测量湿度。我们将学习如何获得它DHT11传感器的温湿度数据，并把数据通过串口打印出来。
本章分为以下几个部分：
27.1、DHT11简介；
27.二、硬件设计；
27.三、软件设计；
27.四、编译与测试；
27.1 DHT11简介
27.1.1 DHT11简介
DHT11是温湿度一体化的数字传感器。该传感器包括一个电阻测湿元件和一个NTC与高性能8位单片机连接的测温元件。本地湿度和温度可通过单片机等微处理器的简单电路连接实时采集。DHT简单的单总线可以在11和单片机之间通信，只需要一个I/O口。传感器内部湿度和温度数据共40个 bit数据一次性传输到单片机，数据通过验证和验证，有效保证了数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5V工作平均最大电流0.5mA。
DHT技术参数如下：
?工作电压范围：3.3V ~ 5.5V
?工作电流：平均0.5mA
?输出：单总线数字信号
?测量范围：湿度2090%RH，温度050℃
?精度：湿度±5%，温度±2℃
?分辨率：湿度1%，温度1%℃
DHT管脚排列如图431所示.1.1所示：
图27.1.1.1 DHT11管脚排列图
DHT11广泛应用于暖通空调、除湿器、农业、冷链储存、测试和测试设备
温湿度检测控制领域，如汽车、自动控制、数据记录器、气象站、家电、湿度调节器、医疗等。
27.1.2 DHT工作时序简介
- 单总线结构
DHT11装置采用单总线通信，只有一条数据线，系统中的数据交换和控制由单总线完成。单总线连接约4条.7kΩ上拉电阻，当总线闲置时，总线状态为高电平。关于我们前面的单总线DS18B第20章已经解释过了。编写后面的程序时，要注意总线占用的配置IO口为泄漏输出模式。 - 数据结构
单总线上的设备属于主从结构。只有当主机呼叫机器时，机器才能响应。因此，主机访问设备必须严格遵循单总线序列。如果序列混乱，设备将不响应主机。DHT11与DS18B20类似，都是单总线访问，但是DHT访问，相对DS18B20要简单得多。先来看看。DHT11数据结构。
单总线一次传输5 byte(40 bit)高位先发送数据，数据分为小数部分和整数部分，DHT11数据格式为：
8bit湿度数据 8bit湿度小数据 8bit温度整数数据 8bit温度小数据 8bit校验位。
其中，验证和数据是前四个字节。传感器数据输出未编码的二进制数据，数据(湿度、温度、整数、小数)应分开处理。
(1)温度为正数
例如，一次从DHT如下图所示如下图所示：
byte4 byte3 byte2 byte1 byte0
00110101 00000000 00011000 00000100 01010001
湿度高8位 湿度低8位 温度高8位 温度低8位 校验位
整数 小数 整数 小数 校验位
按上述数据计算：
1)检查数据接收情况
00110101 00000000 00011000 00000100=01010001
计算结果等于验证位，接收数据正确。如果计算值与验证位不一致，则接收数据不正确，放弃并重新接收数据。
2)计算湿度和温度的值
湿度：
00110101(整数)=35H=53%RH
00000000(小数)=00H=0.0%RH
最后湿度=>53%RH 0.0%RH=53.0%RH
温度：
00011000(整数)=18H=24℃
00000100 (小数)=04H=0.4℃
最后温度=>24℃ 0.4℃=24.4℃
(2)温度为负数
若温度低于0℃当温度数据低8位的最高位置为1时，该位置可视为0。如果温度为负，则验证位置和湿度计算与上述情况相同。以下是温度计算，如-10.1℃表示为00001010 计算方法为：
0000 1010(整数)=0AH=10℃
00000001(小数)=01H＝0.1℃
最后温度=>-(10℃ 0.1℃)＝-10.1℃ - DHT11时序
DHT11上电后（DHT11上电后要等1S以越过不稳定状态，在此期间不能发送任何指令)，等待1s之后，可以测试环境温湿度数据，DHT11的DATA数据线由上拉电阻拉高，保持高电平DHT11的DATA引脚处于输入状态，始终检测外部信号。让我们看看。DHT11的时序：
1)复位信号和响应信号时序
首先，主机发送开始信号（也称为复位信号），即降低数据线并保持它t1（至少18ms，最大不超过30ms）时间，然后主机拉高数据线t2（2040us）然后主机读取时间DHT正常情况下，11的响应，DHT11将降低数据线并保持数据线t3（4050us）时间作为响应信号，然后DHT11拉高数据线，保持t4（40~50us）时间后，DHT11开始输出数据。
图27.1.2.1 开始信号和响应信号
2）DHT11输出数字‘0’时序
DHT11每发送的1 bit 数据从低电平开始，低电平的延迟时间约为1214us，然后DHT11拉高总线，如果总线拉高2628us，表示发送0，然后DHT再次将总线拉低121~14us，为下一次发送数据做准备。(注意，在此时序图中，按位发送。
图27.1.2.2 DHT11输出数字0
3）DHT11输出数字1时序
如果DHT11拉低总线1214us然后将总线拉高116118us，表示发送数字1，然后DHT再次将总线拉低121~14us，为下一次发送数据做准备。（注意，此时序图中，为按位发送。）
图27.1.2.3 DHT11输出数字‘1’
27.2 硬件设计
- 例程功能
把DHT11传感器插入预留接口，测试当前环境温度和湿度，并通过串口打印温度和湿度。在实验中观察LED0闪烁提示程序正在运行中。开发板底板预留接口如下：
图27.2.1 开发板硬件示意图
上图中开发板预留接口的四个引脚从左到右依次VCC、DQ、GND、GND，所以DHT这样插入开发板(注意不要插错！
图27.2.2硬件连接示意图
2. 硬件资源
1）LED灯：LED0
2）UART4
3）DS18B20（接在PF2上）
表27.21硬件资源
3. 原理图
如下图，DS18B20接在PF2上，我们通过该IO口模拟单总线的时序来控制DS18B20：
图27.2.3原理图部分
27.3 软件设计
本实验配置好的实验工程已经放到了开发板光盘中，路径为：开发板光盘A-基础资料\1、程序源码\11、M4 CubeIDE裸机驱动例程\CubeIDE_project\ 20 DHT11。
27.3.1 新建和配置工程
新建工程DHT11，然后配置LED0和UART4，再配置PF2为开漏输出、上拉、高速模式：
图26.3.1.1 配置GPIO
本节实验会用到微秒延时函数，需要将第二十三章实验的delay.h和delay.c文件。将上一章节实验的BSP文件夹拷贝到M4工程的Core/Src下，然后在BSP文件夹下新建dht11.c文件，在BSP/Include下新建dht11.h文件，最后的部分工程如下：
图26.3.2 工程部分目录
27.3.2 添加用户代码
关于LED0和UART4相关的代码请参考前面实验章节部分，DHT11驱动代码我们把它放在dht11.c和dht11.h文件中。首先我们先看一下dht11.c头文件里面的内容。
1. dht11.h文件代码
dht11.h文件代码如下：
#ifndef __DHT11_H
#define __DHT11_H
#include"gpio.h"
/* DHT11 引脚 定义 */
#define DHT11_DQ_GPIO_PORT GPIOF
#define DHT11_DQ_GPIO_PIN GPIO_PIN_2
/* PF口时钟使能 */
#define DHT11_DQ_GPIO_CLK_ENABLE() do{
__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE(); }while(0)
/* IO操作函数 */
#define DHT11_DQ_OUT(x) do{
x ? \ HAL_GPIO_WritePin(DHT11_DQ_GPIO_PORT, DHT11_DQ_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \ HAL_GPIO_WritePin(DHT11_DQ_GPIO_PORT, DHT11_DQ_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \ }while(0) /* 数据端口输出 */
/* 数据端口输入 */
#define DHT11_DQ_IN HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_DQ_GPIO_PORT, DHT11_DQ_GPIO_PIN)
uint8_t dht11_init(void); /* 初始化DHT11 */
uint8_t dht11_check(void); /* 检测是否存在DHT11 */
uint8_t dht11_read_data(uint8_t *temp,uint8_t *humi); /* 读取温湿度 */
#endif
以上主要是对DHT11的相关引脚、时钟使能和IO操作函数进行宏定义，方便程序中调用。
2. dht11.c文件代码
根据前面对DHT11的时序分析，我们按照时序部分进行程序设计，首先是复位DHT11函数，如下：
（1）复位DHT11
/** * @brief 复位DHT11 * @param 无 * @retval 无 */
static void dht11_reset(void)
{
DHT11_DQ_OUT(0); /* 拉低DQ */
delay_ms(20); /* 拉低至少18ms */
DHT11_DQ_OUT(1); /* DQ=1 */
delay_us(30); /* 主机拉高20~40us */
}
（2）等待DHT11应答
/** * @brief 等待DHT11的回应 * @param 无 * @retval 0, DHT11正常 * 1, DHT11异常/不存在 */
uint8_t dht11_check(void)
{
uint8_t retry = 0;
uint8_t rval = 0;
while (DHT11_DQ_IN && retry < 100) /* DHT11会拉低40~80us */
{
retry++;
delay_us(1);
}
if (retry >= 100) /* 超时，DHT11异常 */
{
rval = 1;
}
else
{
retry = 0;
while (!DHT11_DQ_IN && retry < 100) /* DHT11拉低后会再次拉高40~80us */
{
retry++;
delay_us(1);
}
if (retry >= 100) rval = 1; /* 超时，DHT11异常 */
}
return rval;
}
应答信号也是按照前面的时序图进行编写的，首先DHT11将总线拉低，所以程序先等待总线变为低电平，这里在测试引脚电平的时候，设置最大的检测时间是100us，如果超过100us内电平没有变化，则认为DHT11异常。如果DHT11拉低总线后，再释放总线，则总线为高电平，所以，在测试总线拉低以后，再检测总线是否被拉高。
（3）从DHT11读取一个位
和DS18B20不一样，DHT11不需要写的过程，直接可以读取温湿度数据：
1 /** 2 * @brief 从DHT11读取一个位 3 * @param 无 4 * @retval 读取到的位值: 0 / 1 5 */
6 uint8_t dht11_read_bit(void)
7 {
8 uint8_t retry = 0;
9 while (DHT11_DQ_IN && retry < 100) /* 等待变为低电平 */
10 {
11 retry++;
12 delay_us(1);
13 }
14 retry = 0;
15 while (!DHT11_DQ_IN && retry < 100) /* 等待变高电平 */
16 {
17 retry++;
18 delay_us(1);
19 }
20 delay_us(40); /* 等待40us */
21 if (DHT11_DQ_IN) /* 根据引脚状态返回 bit */
22 {
23 return 1;
24 }
25 else
26 {
27 return 0;
28 }
29 }
DHT11输出数字0或者1都是先以低电平开始的，所以第9~13行在等待DHT11变为低电平，同样，测试的最大时间为100us。DHT11通过拉高总线发送数字0或1，第15~19行在等待总线拉高，总线拉高后，延时40us后检查DHT11的IO的状态，如果此时引脚为高电平，则认为从DHT11读取到1，反之则从DHT11读取到0。
（4）从DHT11读取一个字节
读取一个字节需要对读取一个位循环8次，如下：
/** * @brief 从DHT11读取一个字节 * @param 无 * @retval 读到的数据 */
static uint8_t dht11_read_byte(void)
{
uint8_t i, data = 0;
for (i = 0; i < 8; i++) /* 循环读取8位数据 */
{
data <<= 1; /* 高位数据先输出, 先左移一位 */
data |= dht11_read_bit(); /* 读取1bit数据 */
}
return data;
}
（5）从DHT11读取一次数据
DHT11的数据组成我们前面已经分析过了，40位（5个字节）数据中，高位先发送，我们设置5和Buffer用于存储这5个字节的数据，所以接收到的数据中，Buffer4是检验位，Buffer3和Buffer2分别是温度的小数和整数部分，而Buffer1和Buffer0分别是湿度的小数和整数部分。 我们先获取到这5个字节的数据，然后先通过校验位检查接收到的数据是否正确，如果正确的话，通过指针的方式指向温度和湿度的整数位。
/** * @brief 从DHT11读取一次数据 * @param temp: 温度值(范围:0~50°) * @param humi: 湿度值(范围:20%~90%) * @retval 0, 正常. * 1, 失败 */
uint8_t dht11_read_data(uint8_t *temp, uint8_t *humi)
{
uint8_t buf[5];
uint8_t i;
dht11_reset();
if (dht11_check() == 0)
{
for (i = 0; i < 5; i++) /* 读取40位数据 */
{
buf[i] = dht11_read_byte();/* 读到的值存在buf[i]中 */
}
/* 通过校验位检查读取到的数据是否正确 */
if ((buf[0] + buf[1] + buf[2] + buf[3]) == buf[4])
{
*humi = buf[0]; /* 湿度整数和小数分别在buf[0]和buf[1]中 */
*temp = buf[2]; /* 温度整数和小数分别在buf[2]和buf[3]中 */
}
}
else /* DHT11没有应答 */
{
return 1;
}
return 0;
}
（6）初始化DHT11的IO口
最后，不要忘了要初始化IO口才可以使用IO口，如下是DHT11的IO口初始化函数，配置IO口为开漏输出、上拉、高速模式，单总线中一定要配置总线为开漏输出，这点我们在前面部分已经分析过。
/** * @brief 初始化DHT11的IO口 DQ 同时检测DHT11的存在 * @param 无 * @retval 0, 正常 * 1, 不存在/不正常 */
uint8_t dht11_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
DHT11_DQ_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 开启DQ引脚时钟 */
gpio_init_struct.Pin = DHT11_DQ_GPIO_PIN;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; /* 开漏输出 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP; /* 上拉 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; /* 高速 */
/* 初始化DHT11_DQ引脚 */
HAL_GPIO_Init(DHT11_DQ_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
/* DHT11_DQ引脚模式设置,开漏输出,上拉, 这样就不用再设置IO方向了, 开漏输出的时候(=1), 也可以读取外部信号的高低电平 */
dht11_reset(); /* 复位DHT11 */
return dht11_check(); /* 等待DHT11的回应 */
}
3. main.c文件代码
main.c文件的部分代码如下，我们需要在标红的字体之间手动添加代码：
1 #include "main.h"
2 #include "usart.h"
3 #include "gpio.h"
4 /* USER CODE BEGIN Includes */
5 #include "./BSP/Include/led.h"
6 #include "./BSP/Include/delay.h"
7 #include "./BSP/Include/dht11.h"
8 /* USER CODE END Includes */
9
10 void SystemClock_Config(void);
11
12 int main(void)
13 {
14 HAL_Init();
15 if(IS_ENGINEERING_BOOT_MODE())
16 {
17 SystemClock_Config();
18 }
19 MX_GPIO_Init();
20 MX_UART4_Init();
21 /* USER CODE BEGIN 2 */
22 HAL_UART_Receive_IT(&huart4,&RxBuffer,1); /* 以中断方式接收函数 */
23 led_init(); /* 初始化LED */
24 delay_init(209); /* 延时初始化延时函数 */
25 uint8_t t = 0;
26 uint8_t temperature;
27 uint8_t humidity;
28 /* USER CODE END 2 */
29 while (1)
30 {
31 /* USER CODE BEGIN 3 */
32 while (dht11_init()) /* DHT11初始化函数 */
33 {
34 printf("DHT11 Error!\r\n"); /* 如果DHT11不在，打印信息 */
35 delay_ms(1000); /* 延时1s */
36 }
37 while (1)
38 {
39 t++;
40 if (t == 20)
41 {
42 t = 0;
43 dht11_read_data(&temperature, &humidity); /* 读DHT11 */
44 /* 打印温度值和湿度值 */
45 printf("DHT11 Temp=%d\r, Humi=%d%%\r\n", temperature, humidity);
46 LED0_TOGGLE(); /* LED0闪烁 */
47 }
48 delay_ms(10); /* 延时10ms*/
49 }
50 }
51 /* USER CODE END 3 */
52 }
27.4 编译和测试
开发板上电，进入仿真运行后结果如下，串口打印此时测试的环境温度为24℃，湿度为63%，且LED0在闪烁。
图27.4.1 运行结果
