[教程]一文搞懂STM32使用DHT11采集温湿度

1、DHT11简介

      DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高 的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测 温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快 响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的 湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内 部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集 成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使 其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚 封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供（来自于数据手册）。

2、原理分析

      简介中的重点，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，也就是说DHT11的组成实际是单片机通过ADC采集电压，并将采集处理好的数据根据一定的协议方式与其他设备进行通信。

      感湿电阻、NTC（温感电阻）随温湿度的变化阻值会产生变化，这样我们采集到的电压值就会跟着变化。（概念电路图如下）

2、应用

    暖通空调 、测试及检测设备、汽车 、数据记录器、消费品 、自动控制、气象站 、家电、湿度调节器 、医疗、除湿器

4、DHT11数据手册知识点概述

      DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数 部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下: 一次完整的数据传输为40bit,高位先出。 数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据 +8bi温度整数数据+8bit温度小数数据 +8bit校验和 数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据。

    其实从这段描述可以看出3点：1）单总线的方式进行数据传输（一根线进行数据的收发）2）完整的数据有40bit（需要连续读取40次）3）数据格式（可以确定温湿度在哪些位表示）。

5、时序图分析

1）总的通信过程

    首先我们对总的通信过程进行分析：从上图可以看出单片机作为主机，首先输出低电平（数据总线由高变低），持续一段时间的低电平，单片机再拉高总线。之后总线由输出变为输入 ，接收DHT11发送的低电平信号，这个低电平持续一段时间之后，又拉高（DHT11拉高的）一段时间，之后进行数据传输，可以看到，传输数据是0和1都是通过高电平实现的，通过高电平持续的时间来判断是数据1还是数据0，这里还有一个需要注意的点，每个数据传输有一段低电平的间隔时间。

2）起始和响应时序图分析（握手）

   上部分提到了，总的通信过程。后面的时序图都是详细的单个部分时序图。根据上图我们可以看到， 最开始单片机将总线电平由高拉低，持续时间为至少18ms，然后再拉高20-40us，这个过程是起始信号，然后总线状态由输出变为输入，如果DHT11正常且接收到了单片机发送的起始信号，DHT11会将总线拉低80us，之后再拉高80us，作为回应。这段主要就是握手的过程，单片机告诉DHT11我要接数据了，然后DHT11回应我准备好了。之后DHT11就开始发送温湿度数据了。

3）数据接收数据时序图分析

  根据数据接收时序图可以看出，每次数据发送的开始会有一段50us的低电平信号，之后就进行1bit的数据传输了，如果传输数据0，高电平持续26us-28us，如果传输数据1，高电平持续70us。

 6、程序设计

1）由于我们需要对一个GPIO口实现，收发两种功能所以首先写两个函数，分别是输入初始化和输出初始化。

static void DHT11_IO_IN(void)//初始化配置函数  输入
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    GPIO_InitStruct.Pin = DHT11_GPIO_PIN;//自己使用的DHT11与单片机连接的GPIO引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;//输入模式
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;//上拉输入
    HAL_GPIO_Init(DHT11_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

static void DHT11_IO_OUT(void)//初始化配置函数  输入
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    GPIO_InitStruct.Pin = DHT11_GPIO_PIN;//自己使用的DHT11与单片机连接的GPIO引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;//推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;//这个无所谓
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;//配置速度 这里配置的高速
    HAL_GPIO_Init(DHT11_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

2）接下来我们按照通信时序图一步一步写函数

a、单片机发送起始信号函数

void DHT11_Rst(void)
{
    DHT11_IO_OUT(); 	//SET OUTPUT  转换成输出模式
    HAL_GPIO_WritePin(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); 	//拉低DQ
    HAL_Delay(20);    	//拉低至少18ms
    HAL_GPIO_WritePin(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET);		//DQ=1
    delay_us(30);     	//主机拉高20~40us
}

 

起始信号函数，根据时序图，GPIO为输出模式，总线由高电平变为低电平，这里我们可以使用GPIO输出函数，直接输出低电平（因为DHT11数据总线默认硬件连了上拉电阻，所以他默认是高电平的）。低电平持续时间最少18ms，所以我们延时20ms来保障持续时间足够(实现上图红色部分)。之后拉高电平20到40us，这里我们通过输出高电平，并延时30us来实现（实现上图黄色部分）。

b 、检测DHT11响应函数

#define	DHT11_DQ_IN  		    HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN)
//等待DHT11的回应
//返回1:未检测到DHT11的存在
//返回0:存在
uint8_t DHT11_Check(void)
{
    uint8_t retry=0;
    DHT11_IO_IN();//输入模式
    while (DHT11_DQ_IN&&retry<100)//DHT11会拉低80us
    {
        retry++;
        delay_us(1);
    };
    if(retry>=100)return 1;
    else retry=0;
    while (!DHT11_DQ_IN&&retry<100)//DHT11拉低后会再次拉高80us
    {
        retry++;
        delay_us(1);
    };
    if(retry>=100)return 1;
    return 0;
}

    这里目的是读取DHT11的响应信号，首先我们将IO的模式配置为输入模式。DHT11_DQ_IN是读取IO电平的一个宏定义，文中出现的所有DHT11_DQ_IN都等价于HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN)（读取的IO口就是我们一直用的DHT11的数据总线），可以看到，如果IO电平为高电平且retry变量小于100，我们进入while循环，进1次延时1us并retry加1，这里得到目的是如果一直到大于100us（其实这里耗时会比100us大，因为执行retry加1也需要耗时间，这里忽略不计），IO口的电平状态还是高电平，执行下面语句if(retry>=100)return 1;返回1证明我们没有检测到DHT11，因为根据时序图我们可以看到DHT11如果正常响应了会回应80us的响应信号（上图红色部分）。下面判断上图中 黄色部分，将上图中DHT11_DQ_IN读取到的值取反，即如果是低电平，且retry小于100时延时1us，retry加1。这样做的目的同样是判断DHT11是否响应了，只不过这里是图中黄色部分的高电平响应。同样识别到响应信号了返回0，大于100us了还没有响应返回1。

c 、读取数据

  读取数据我们写3个函数分别是，读取1位，读取8位即1个字节，读取40位即，DHT11发来的一次完整数据。

//从DHT11读取一个位
//返回值：1/0
uint8_t DHT11_Read_Bit(void)
{
    uint8_t retry=0;
    while(DHT11_DQ_IN&&retry<100)//等待变为低电平
    {
        retry++;
        delay_us(1);
    }
    retry=0;
    while(!DHT11_DQ_IN&&retry<100)//等待变高电平
    {
        retry++;
        delay_us(1);
    }
    delay_us(40);//等待40us
    if(DHT11_DQ_IN)return 1;
    else return 0;
}

  这里实现的是读取1位数据，程序中首先同样用while的方法等待50us的低电平（上图红色部分），之后再等待高电平，这里的高电平就是我们要接收的数据0或者1，当识别到高电平时不进入第二个while函数，执行延时40us这里40us远远大于28us（图中黄色部分），且远远小于70us（70us为数据1，上图只显示出了0）。延时之后执行    if(DHT11_DQ_IN)return 1;else return 0;这段函数，也就是说，如果40us之后检测IO电平还是高电平，那么数据肯定时1我们返回1，如果变低了那么就返回0。

//从DHT11读取一个字节
//返回值：读到的数据
uint8_t DHT11_Read_Byte(void)
{
    uint8_t i,dat;
    dat=0;
    for (i=0; i<8; i++)
    {
        dat<<=1;
        dat|=DHT11_Read_Bit();
    }
    return dat;
}

   这里读取1个字节，这里就简单了，我们直接调用上面实现1位的函数，然后循环8次就可以了。

//从DHT11读取一次数据
//temp:温度值(范围:0~50°)
//humi:湿度值(范围:20%~90%)
//返回值：HAL_OK,正常;1,读取失败
uint8_t DHT11_Read_Data(uint8_t *humiH,uint8_t *humiL,uint8_t *tempH,uint8_t *tempL)
{
    uint8_t buf[5];
    uint8_t i;
    DHT11_Rst();
    if(DHT11_Check()==0)
    {
        for(i=0; i<5; i++) //读取40位数据
        {
            buf[i]=DHT11_Read_Byte();
        }
        if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4])
        {
            *humiH=buf[0];
            *humiL=buf[1];
            *tempH=buf[2];
            *tempL=buf[3];
        }
    } else
        return HAL_ERROR;

    return HAL_OK;
}

   这里我们读取一次完整的数据即40bit ，首先判断DHT11_Check()的返回值，这是我们前面写的函数（DHT11响应信号函数），如果返回1证明DHT11没有回响应信号，不进入IF，返回HAL_ERROR，如果DHT11_Check()的返回值为0证明DHT11正确回复了响应信号，程序进入IF执行，IF里先循环5次执行读出完整数据，接下来验证校验和，如果前4个字节数加起来等于第五个字节（校验和）数据正确进入IF，返回读取到的温湿度数据。我们需要读取DHT11数据的地方，直接调用，我们这个函数就可以了。

d 、上电初始化

//初始化DHT11的IO口 DQ 同时检测DHT11的存在
//返回1:不存在
//返回0:存在
uint8_t FS_DHT11_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    GPIO_InitStruct.Pin = DHT11_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(DHT11_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    HAL_GPIO_WritePin(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET);	// 输出高
    DHT11_Rst();  //复位DHT11
    return DHT11_Check();//等待DHT11的回应
}

  这里我们写个函数，上电初始化使用，先配置为推挽输出模式，然后输出高电平，这里的目的是为了软件端保障DHT11上电默认总线为高电平。之后使用DHT11_Rst(); 对DHT11发送起始信号，然后等待DHT11响应使用了return DHT11_Check();函数，即如果正确响应了返回0，没有正确响应返回0。

  到这里我们的DHT11程序编写就讲解完成了，使用时上电初始化调用FS_DHT11_Init()函数，之后需要读取温湿度数据的地方调用 DHT11_Read_Data(uint8_t *humiH,uint8_t *humiL,uint8_t *tempH,uint8_t *tempL)函数就可以了。