STM32 外设驱动模块五：DHT11 温湿度传感器

HT11是一款常见的数字温湿度传感器，广泛应用于环境监控、智能家居等领域，因其低成本、高稳定性、易于集成的特点，被嵌入式系统广泛采用。本文将详细讲解DHT11传感器的硬件原理、接线方式、使用注意事项，并提供STM32的驱动代码示例，帮助开发者快速上手。

一、DHT11 传感器简介

DHT11 是一款基于数字信号输出的温湿度传感器，采用单线制通信协议，能够测量环境的温度和湿度，适用于各种嵌入式系统中。它内置温湿度测量元件和数字信号处理模块，提供高精度的温湿度数据，响应迅速且稳定。

1.1 主要特性

• 温度范围：0°C 到 50°C，精度 ±2°C
• 湿度范围：20% 到 80% RH，精度 ±5% RH
• 工作电压：3V 到 5.5V，建议使用 5V 电源
• 接口：采用单线制串行接口进行数据传输，简单易用
• 数据传输方式：数字信号输出
• 测量分辨率：8-bit（温度）、8-bit（湿度）

1.2 典型应用场景

• 智能家居：温湿度监测，自动调节空调、加湿器等设备
• 环境监控：实时监控温湿度，避免设备过热或湿度过高
• 温控系统：用于自动化设备温度报警、温度控制等
• 农业温湿度监测：适用于农业温室、养殖场等环境中

二、硬件原理与接线说明

2.1 工作原理

DHT11传感器通过内部的温度传感器和湿度传感器获取环境数据，并通过单线制串行接口将数据传输给外部设备（如单片机）。传感器的数据传输过程包括温湿度的采样、A/D转换、数据格式化，并最终通过数字信号输出。

2.2 接线说明

2.2.1 引脚功能

• VCC：电源引脚，连接到 3V 到 5.5V 电源
• GND：地引脚，连接到地线
• DATA：数据传输引脚，连接到 MCU 的 GPIO 引脚

2.2.2 电源与滤波

建议为DHT11提供稳定的电源。在传感器的VDD和GND之间加入100nF的去耦电容，以滤除电源中的高频噪声，确保传感器的稳定工作。

2.2.3 数据线连接

• 上拉电阻：为了确保信号稳定，建议使用 4.7kΩ 或 10kΩ 的上拉电阻。对于连接线较长的情况，可能需要根据实际距离调整上拉电阻的阻值。
• 最大传输距离：DHT11支持的最大传输距离为20米，使用高质量的屏蔽线可以有效减少信号干扰，提高传输质量。

2.3 接线图

STM32 GPIO 引脚 --- DHT11 数据引脚 --- GND
         |
       上拉电阻

三、DHT11 驱动代码实现

本文基于 STM32 的标准外设库，提供 DHT11 的驱动代码，包括初始化、数据读取和传感器操作。

3.1 头文件引用

#include "stm32f10x.h"
#include "DHT11.h"
#include "Delay.h"

3.2 输入输出模式配置函数

DHT11的接口信号是单线通信，因此需要配置 GPIO 引脚为输入或输出模式。

3.2.1 设置 DHT11 数据引脚为输出模式

void DHT11_IO_OUT(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DHT11_IO;  // 选择端口号（0~15或all）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 设置IO接口速度
    GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

3.2.2 设置 DHT11 数据引脚为输入模式

void DHT11_IO_IN(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DHT11_IO;  // 选择端口号
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
    GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

3.3 复位 DHT11 端口并发出起始信号

void DHT11_RST(void) {
    DHT11_IO_OUT();                // 端口设置为输出模式
    GPIO_ResetBits(DHT11_PORT, DHT11_IO); // 使总线为低电平
    Delay_ms(20);                  // 拉低至少18ms
    GPIO_SetBits(DHT11_PORT, DHT11_IO);  // 使总线为高电平
    Delay_us(30);                  // 主机拉高20~40us
}

3.4 检查 DHT11 是否响应

u8 DHT11_Check(void) {
    u8 retry = 0;
    DHT11_IO_IN();                 // 设置为输入模式
    while ((GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_IO) == 1) && retry < 100) {
        retry++;
        Delay_us(1);               // 延时1微秒
    }
    if (retry >= 100) return 1;     // 超过最大重试次数，返回1（检测失败）
    retry = 0;
    while ((GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_IO) == 0) && retry < 100) {
        retry++;
        Delay_us(1);
    }
    if (retry >= 100) return 1;
    return 0;
}

3.5 读取数据函数

3.5.1 读取单个位数据

u8 DHT11_Read_Bit(void) {
    u8 retry = 0;
    while ((GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_IO) == 1) && retry < 100) {
        retry++;
        Delay_us(1);
    }
    retry = 0;
    while ((GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_IO) == 0) && retry < 100) {
        retry++;
        Delay_us(1);
    }
    Delay_us(40);                   // 等待40us
    return GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_IO) == 1 ? 1 : 0;  // 判断返回数据
}

3.5.2 读取一个字节数据

u8 DHT11_Read_Byte(void) {
    u8 i, dat = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        dat <<= 1;                  // 左移1位
        dat |= DHT11_Read_Bit();    // 获取数据位
    }
    return dat;
}

3.6 读取温湿度数据

u8 DHT11_Read_Data(u8 *temp, u8 *humi) {
    u8 buf[5], i;
    DHT11_RST();                    // 复位DHT11
    if (DHT11_Check() == 0) {       // 检查DHT11是否响应
        for (i = 0; i < 5; i++) {   // 读取5字节数据
            buf[i] = DHT11_Read_Byte();
        }
        if ((buf[0] + buf[1] + buf[2] + buf[3]) == buf[4]) {  // 校验数据
            *humi = buf[0];         // 湿度
            *temp = buf[2];         // 温度
        }
    } else {
        return 1;  // 读取失败
    }
    return 0;
}

四、使用注意事项

1. 温湿度范围：DHT11的测量范围为0°C到50°C，湿度为20%到80%，因此在使用时应避免环境条件超出此范围。
2. 供电电压：确保DHT11的电压在3V到5.5V之间，过高或过低的电压可能导致传感器损坏。
3. 通讯质量：数据线长度过长会影响通信质量，建议使用屏蔽线，并根据距离选择合适的上拉电阻。
4. 干扰问题：避免DHT11暴露在强电磁干扰或化学污染环境中，以防传感器灵敏度下降或损坏。