DHT11 温湿度传感器

面向学生

初学者，具备一定的单片机开发基础。

一、简介

本文将讲解如何使用DHT11温湿度传感器来感知环境温湿度，并且把数据在屏幕中显示出来。许多传感器的使用方法都是类似的，通过学习使用DHT11，相信读者可以做到举一反三，能够使用更多种类的传感器。
DHT11数字温湿度传感器是一款能够检测温湿度的复合传感器，其内置一个测温元件、一个电阻式感湿元件和一个单片机。以奥松公司生产的DHT11温湿度传感器为例，其有效测量范围见表。

其实物如图所示。

可以看到，DHT11带有4个引脚，其相关说明见表。

根据上表说明，可以从DATA引脚来获取温湿度数据，下面简单讲解一下其通信协议。
模块的引脚说明
传感器模块把DHT11的VCC、GND和DATA引脚引出，其对应关系为：

• 模块的+引脚对应DHT11的VCC引脚
• 模块的-引脚对应DHT11的GND引脚
• 模块的out引脚对应DHT11的DATA引脚

  二、DATA引脚的通信协议分析

  从DHT11中获取温湿度数据的方法较比简单，首先是CC2530与DHT11配对（握手），然后按照特定的协议从DATA引脚接收数据。

  1.配对（握手）

  在发送温湿度数据前，DHT11需要先和CC2530配对，配对的协议如下：
  （1）DATA引脚在初始的默认状态时处于高电平（3.3v）。
  （2）CC2530拉低DATA引脚的电平18ms毫秒以上，接着拉高电平20~40us，DHT11就会被激活。
  （3）DHT11会主动拉低DATA引脚的电平，并且持续80us，表示已经收到了CC2530的指令并且配对成功。
  （4）接着DHT11会再次拉高电平，80us后就开始发送温湿度数据给CC2530了。
  这个配对过程如图所示。
  

  2.接收数据

  DHT11的温湿度数据是以二进制数据表示的，这些二进制数据是按照一个比特位接着一个比特位这样顺序发送到CC2530的，具体的原理如下：
  （1）在发送每个比特位之前，DHT11都会把DATA引脚的电平拉低50us，以此告诉CC2530：“我接着要发送一个比特位了”。
  （2）接着，DHT11把DATA引脚的电平拉高，如果持续拉高26~28us，表示发送的是数据0；如果持续拉高70us，表示发送的是数据1，如图9-3所示。
  
  数据0
  
  数据1
  通过这个方式，温湿度数据就发送给了CC2530了。每当配对成功后，DHT11就会默认发送40个比特位，即一共5个字节，其中包含两个字节的当前温度值、两个字节是当前湿度值和一个校验值。DHT11的通信协议大致上介绍完毕，但还有多个细节还没讲解到，有兴趣的读者可查阅更多相关的资料或仔细研究一下接下来介绍的API的源代码。

  三、电路原理图

  模块的电路原理图如图所示。
  

  四、DHT11驱动API设计

  接下来，笔者根据以上原理，为DHT11设计了2个API，定义如下：

/**
 * @fn      halDHT11Init
 * 
 * @brief    初始化函数，使用DHT11前必须先调用此函数
 */
void halDHT11Init(void);
/**
 * @fn      halDHT11GetData
 * 
 * @brief    获取DHT11的温湿度数据
 *
 * @return  温湿度数据值
 */
halDHT11Data_t  halDHT11GetData(void);

上述的代码中的halDHT11Data_t是一个结构体，定义如下：

/*
* @brief   用于表示DHT11温湿度数据
*/  
typedef struct  {
    unsigned char ok;   //ok的值非0时温湿度数据才有效
    unsigned char temp; //温度值，取值范围：0~50
    unsigned char humi; //湿度值，取值范围：20~95
}halDHT11Data_t;

上述API的实现的参考代码如下：

/*配置DHT11的Data引脚与单片机的P0_6连接，读者可修改为其他的GPIO*/
#define HAL_DHT11_PORT  0
#define HAL_DHT11_PIN   6
/* Boolean value. */
#define HAL_DHT11_FALSE         0
#define HAL_DHT11_TRUE          1
/* DHT11 状态码定义*/
#define HAL_DHT11_SC_ERR                HAL_DHT11_FALSE//测量值错误
#define HAL_DHT11_SC_OK                 HAL_DHT11_TRUE//测量值正确
#define HAL_DHT11_SC_HUMI_OUTOFRANGE    0xF1//湿度值超出标准测量范围
#define HAL_DHT11_SC_TEMP_OUTOFRANGE    0xF2//温度值超出标准测量范围
#define HAL_DHT11_SC_HT_OUTOFRANGE      0xF3//温度和湿度值超出测量范围
/*把GPIO设置为输入或输出模式*/
#define HAL_DHT11_IO_OUTPUT()   CC2530_IOCTL(HAL_DHT11_PORT, HAL_DHT11_PIN, CC2530_OUTPUT)//设置为输出模式，读者需要根据不同的单片机来修改此函数
#define HAL_DHT11_IO_INPUT()    CC2530_IOCTL(HAL_DHT11_PORT, HAL_DHT11_PIN, CC2530_INPUT_PULLDOWN)//设置为输入模式，读者需要根据不同的单片机来修改此函数
/*获取DHT11 Data引脚的电平状态*/
#define HAL_DHT11_IO_GET(port, pin) CC2530_GPIO_GET(port, pin)//获取指定GPIO的电平状态，读者需要根据不同的单片机来修改此函数
#define HAL_DHT11_IO() HAL_DHT11_IO_GET(HAL_DHT11_PORT, HAL_DHT11_PIN)//获取DHT11的Data引脚的电平状态
/*设置DHT11 Data引脚的电平状态*/
#define HAL_DHT11_IO_SET_LO()  HAL_DHT11_IO_SET(HAL_DHT11_PORT, HAL_DHT11_PIN, 0)//设置地电平
#define HAL_DHT11_IO_SET_HI()  HAL_DHT11_IO_SET(HAL_DHT11_PORT, HAL_DHT11_PIN, 1)//设置高电平
/* 测量结果合法性检测*/ 
#define HAL_DHT11_TEMP_OK(t)    ((t) <= 50)//检测温度值是否合法
#define HAL_DHT11_HUMI_OK(h)    ((h) >= 20 && (h) <= 95)//检测湿度值是否合法
static void halDHT11SetIdle(void)；
static uint8_t halDHT11ReadByte(void);
static uint8_t halDHT11CheckData(uint8_t TempI, uint8_t HumiI);
/**
 * @fn      halDHT11Init
 * 
 * @brief    初始化函数，使用DHT11前必须先调用此函数
 */
void halDHT11Init(void)
{
    halDHT11SetIdle();
}
/**
 * @fn      halDHT11GetData
 * 
 * @brief    获取DHT11的温湿度数据
 *
 * @return  温湿度数据值
 */
halDHT11Data_t  halDHT11GetData(void)
{
    uint8_t HumiI, HumiF, TempI, TempF, CheckSum;
    halDHT11Data_t dht11Dat = { .ok = HAL_DHT11_FALSE };
    /* >18ms, keeping gpio low-level */
    HAL_DHT11_IO_SET_LO();//拉低Data引脚的电平
    HAL_DHT11_DELAY_MS(30);//持续30ms
    HAL_DHT11_IO_SET_HI();//拉高Data引脚的电平
    HAL_DHT11_DELAY_US(32);//延迟32us
    HAL_DHT11_IO_INPUT();//把Data引脚对应的GPIO设置为输入模式，接收DHT11的测量结果
    if (!HAL_DHT11_IO()) {//如果Data引脚的电平为低电平
        /*计时等待低电平结束*/
        uint16_t cnt = 1070; //cnt用于在while循环中计时，1070表示约计时1ms（不同的单片的计数值会不同）
        while (!HAL_DHT11_IO() && cnt--);
        if(!cnt) goto Exit;//如果计时结束，表示在规定时限内DHT11仍未输出高电平
        /*计时等待高电平结束*/
        cnt = 1070;
        HAL_DHT11_DELAY_US(80);//延时80us
        while (HAL_DHT11_IO() && cnt--);
        if(!cnt) goto Exit;
        /* 读取数据 */
        HumiI = halDHT11ReadByte();
        HumiF = halDHT11ReadByte();
        TempI = halDHT11ReadByte();
        TempF = halDHT11ReadByte();
        CheckSum = halDHT11ReadByte();//读取校验码
        if (CheckSum == (HumiI + HumiF + TempI + TempF)) {//如果数据校验正确
            dht11Dat.temp = TempI;//保存温度值
            dht11Dat.humi = HumiI;//保存湿度值
            dht11Dat.ok = halDHT11CheckData(TempI, HumiI);//检测温度和湿度是否合法
        }
    }
Exit:
    halDHT11SetIdle();
    return dht11Dat;
}
/*
* 初始化GPIO
*/
static void halDHT11SetIdle(void)
{
    HAL_DHT11_IO_OUTPUT();//把GPIO配置为输出模式
    HAL_DHT11_IO_SET_HI();//把GPIO口配置为高电平
}
/*
*从DHT11的Data引脚中读取一个字节
*/
static uint8_t halDHT11ReadByte(void)
{
    uint8_t dat = 0;//保存读取到的字节
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {//循环8次
        /*计时等待低电平结束*/
        uint16_t cnt = 5350;//cnt用于在while循环中计时，5350表示约计时1ms（不同的单片的计数值会不同）
        while (!HAL_DHT11_IO() && cnt--);
        if(!cnt) break;//如果计时结束，表示在规定时限内DHT11仍未输出高电平
        /* 基于高电平的持续时间来获取的一个bit:
         * 持续时间为26~28us: 0
         * 持续时间>70us:   1
         */
        /*延迟50us后再检测Data的电平状态*/
        HAL_DHT11_DELAY_US(50);
        if (HAL_DHT11_IO()) {//如果为高电平，dat的最低位输入0
            dat <<= 1;
            dat |= 1;
        }
        else {//如果为低电平，dat的最低位输入1
            dat <<= 1;
            continue;
        }
        /*计时等待高电平结束*/
        cnt = 1070;//cnt用于在while循环中计时，1070表示约计时1ms（不同的单片的计数值会不同）
        while(HAL_DHT11_IO() && cnt--);
        if(!cnt) break;
    }
    return dat;
}
/*
* 测量结果合法性检测
*/
static uint8_t halDHT11CheckData(uint8_t TempI, uint8_t HumiI)
{
    if (HAL_DHT11_HUMI_OK(HumiI)) {
        if(HAL_DHT11_TEMP_OK(TempI)) return HAL_DHT11_SC_OK;
        else return HAL_DHT11_SC_TEMP_OUTOFRANGE;
    }
    if (HAL_DHT11_TEMP_OK(TempI)) return HAL_DHT11_SC_HUMI_OUTOFRANGE;
    else return HAL_DHT11_SC_HT_OUTOFRANGE;
}