7.1 DHT11温湿度传感器

本小节将讲解如何使用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 简介

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，其有效测量范围为：

  • 温度：0~50℃
  • 湿度：20~95%

DHT11实物如图所示。
第7章：外设实验 - 图1

可以看到，DHT11带有4个引脚，其功能说明见下表。

PIN（引脚） 名称 说明
1 VCC 供电引脚，3~5.5VDC
2 DATA 温湿度数据输出
3 NC 空置引脚
4 GND 地线引脚，接电源负极

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。

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。

配对（握手）
在发送数据前，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。
第7章：外设实验 - 图2

接收收据
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，如图所示。
第7章：外设实验 - 图3
第7章：外设实验 - 图4

通过这个方式，温湿度数据就发送给了CC2530了。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。

DHT11驱动API简介

基于以上原理，笔者设计了一套DHT11驱动API，使用起来非常方便。打开配套工程中的DHT11文件夹，即可找到DHT11驱动API，如图所示。
第7章：外设实验 - 图5

打开hal_dht11.h文件，可以找到API定义代码：

  1. //2. 51单片机入门/7. 外设实验/7.1 温湿度传感器DHT11/Workspace/code/DHT11_MAIN/hal_dht11.h
  2. /**
  3.  * @fn      halDHT11Init
  4.  * 
  5.  * @brief    初始化函数，使用DHT11前必须先调用此函数
  6.  */
  7. void halDHT11Init(void);   
  9. /**
  10.  * @fn      halDHT11GetData
  11.  * 
  12.  * @brief    获取DHT11的温湿度数据
  13.  *
  14.  * @return  温湿度数据值
  15.  */
  16. halDHT11Data_t  halDHT11GetData(void);

其中的halDHT11Data_t是一个结构体，用于保存温湿度数据，其定义代码如下：

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

使用DHT11驱动API

引脚配置
调用API前，需要先把DATA引脚与CC2530的IO口配对起来。ZigBee标准板是使用CC2530的P0_6引脚与DHT11的DATA引脚连接，可在hal_dht11.h文件中找到如下配置代码：

  1. 1.#define HAL_DHT11_PORT  0 //Port0.  
  2. 2.#define HAL_DHT11_PIN   6 //Pin6.

如果在硬件上DATA引脚需要与CC2530的其他引脚连接的话，只需要在这里修改引脚编号即可。

API调用示例
打开main.c文件，可以看到API调用示例代码：

  1. //2. 51单片机入门/7. 外设实验/7.1 温湿度传感器DHT11/Workspace/code/DHT11_MAIN/main.c
  2. void main(void)
  3. {
  4.     halDHT11Data_t dht11Dat;//定义温湿度数据结构体
  5.     uint8 tempStr[50], humiStr[50];
  7.     setSystemClk32MHZ();//初始化系统时钟频率
  9.     //初始化显示器
  10.     #ifdef LCD_OLED12864
  11.         //初始化OLED12864屏幕
  12.         halOLED12864Init()
  13.     #else
  14.         //初始化TFT屏幕
  15.         halTFTInit(HAL_TFT_PIXEL_WHITE);
  16.     #endif
  18.     halDHT11Init();//初始化DHT11温湿度传感器
  20.     while(1)
  21.     {
  22.         dht11Dat = halDHT11GetData();//获取温湿度数据
  25.         if (dht11Dat.ok) {//如果数据正确获取
  27.             sprintf((char *)tempStr, "Temp: %d", dht11Dat.temp);//显示温度
  28.             sprintf((char *)humiStr, "Humi: %d", dht11Dat.humi);//显示湿度
  30.             //把数据显示到屏幕中
  31.         #ifdef LCD_OLED12864
  32.             //显示到OLED12863屏幕
  33.             halOLED12864ShowX16(0,0, tempStr);
  34.             halOLED12864ShowX16(1,0, humiStr);
  35.         #else
  36.              //显示到TFT屏幕
  37.             halTFTShowX16(0,0, HAL_TFT_PIXEL_RED, HAL_TFT_PIXEL_WHITE, tempStr);
  38.             halTFTShowX16(0,16, HAL_TFT_PIXEL_RED, HAL_TFT_PIXEL_WHITE, humiStr);
  39.         #endif
  40.         }
  42.         delayMs(SYSCLK_32MHZ, 4000);//延迟
  43.     } /* while */
  44. }

=

调试仿真

可以运行本实验代码以观察运行结果，操作步骤如下：
（1）编译链接工程代码后，把程序烧录到配套的ZigBee开发板中。

（2）由于本实验需要用到DHT11温湿度传感器，ZigBee标准板中已经集成了DHT11温湿度传感器，并且DATA引脚默认连接着P0_6引脚，如图所示。
第7章：外设实验 - 图6

如果使用ZigBee Mini测试，需要在P0_6引脚处外接DHT11的DATA引脚，并且把该DHT11的VCC和GND引脚分别接入接入3.3v~5.5v的电源和地线。

（3）把OLED屏幕插入到标准板或者Mini板中，如图所示。
第7章：外设实验 - 图7
第7章：外设实验 - 图8
（4）给开发板上电，屏幕中即会显示环境温湿度数据。

7.2 NorFLASH读写实验

硬件准备

本节课需要用到NOR Flash存储器

  • ZigBee标准板带有NOR Flash存储器，如图所示。
    第7章：外设实验 - 图9
  • 由于ZigBee MiNi板默认无NOR Flash存储器，无标准板的读者可以跳过本节课

    Flash存储器简介

    Flash存储器可以用于保存信息，例如系统配置信息、资料文档等，用途用非常广泛。

按照内部存储结构不同，Flash存储器可分为NOR Flash和NAND Flash两种类型。

NOR Flash

NOR Flash存储器的读取速度快、存储可靠性高、支持使用随机地址访问存储空间支持，但是存储容量小、价格贵，多用于保存电子产品的程序。

NAND Flash

相对于NOR Flash，NAND Flash存储器的容量大、可反复读写次数高和价格便宜，但是读取数据速度慢、不支持随机地址访问存储空间，有点类似于光盘或硬盘，多用于存储卡、U盘中。

M25PE80简介

ZigBee标准板中带有一颗M25PE80芯片，这是一款NOR Flash，其容量是1024KB（8M bit）。另外，CC2530F256的内部也带有Flash存储器，其容量是256KB。也就是说，标准板上共有1024KB+256KB的Flash容量。

  • M25PE80实物图：
    第7章：外设实验 - 图10
  • M25PE80引脚图：
    第7章：外设实验 - 图11

    了解 M25PE80 API

    M25PE80的通信协议是SPI。在学习显示器的实验时，已经讲解过SPI驱动API的设计方式了，只需要基于通用SPI驱动API适配出M25PE80的专用SPI驱动API即可。

打开配套工程代码，展开Hal_Flash_Spi，可以看到笔者设计的通用SPI驱动API和M25Exx驱动专用的SPI驱动API，如图所示。

第7章：外设实验 - 图12

借助此API，M25PE80的使用非常简单，只需要学习一下hal_m25pexx.h/c文件中的3个API即可，其定义如下：

  1. /**
  2.  * @fn      halM25PExxInit
  3.  * 
  4.  * @brief    初始化M25PExx
  5.  *
  6.  * @return     none
  7.  */
  8. void halM25PExxInit(void);
  10. /**
  11.  * @fn      halM25PExxRead
  12.  * 
  13.  * @brief   从M25PExx中读取数据
  14.  *
  15.  * @param   addr - 将要读取的数据所在的存储器地址.
  16.  * @param   pBuf - 变量指针，用于保存储器中读出来的数据.
  17.  * @param   len - 指定从存储器中读取多少个字节的数据.
  18.  *
  19.  * @return  如果读取成功，则返回0
  20.  */
  21. int halM25PExxRead(uint32 addr, uint8 *pBuf, uint16 len);
  23. /**
  24.  * @fn      halM25PExxWrite
  25.  * 
  26.  * @brief   把数据写入到存储器中
  27.  *
  28.  * @param   addr - 说明把数据写入到存储器的哪个地址
  29.  * @param   pBuf - 变量指针，指向将要写入到存储器的数据
  30.  * @param   len - 指定把多少个字节的数据写入到存储器中
  31.  *
  32.  * @return  如果写入成功，则返回0
  33.  */
  34. int halM25PExxWrite(uint32 addr, uint8 *pBuf, uint16 len);

使用 M25PE80 API

打开main.c文件，可以使用 M25PE80 API读写数据的示例代码：

  1. void main(void)
  2. {
  3.     uint8 writeVal = 0;//此变量的值将会被写入到存储器中
  4.     uint8 readVal  = 0;//从存储器读取到的值将会存入此变量中
  5.     char  str[50];
  7.     setSystemClk32MHZ();//初始化系统时钟为32MHz
  8.     initUart0(USART_BAUDRATE_115200);//初始化串口0
  9.     halM25PExxInit();//初始化M25PE80存储器
  11.     //进入到循环中
  12.     while(1) {   
  13.         /* 1.写数据到M25PE80存储器中 */
  15.         //串口通信
  16.         sprintf(str, "Write: %d\r\n", writeVal);
  17.         uart0Send((unsigned char *)str, strlen(str));
  19.         //把writeVal的值写入到存储器中地址为0x12345的存储空间中；由于writeVal的类型为uint8，也就1个字节，所以传入的数据长度为1
  20.         if (halM25PExxWrite(0x12345, &writeVal, 1) != 0) {
  21.             uart0Send("Write Error\r\n", 13);//如果函数返回值不等于0，表示写入错误
  22.             continue;
  23.         }
  25.         writeVal++;//把写入值增加1
  27.         delayMs(SYSCLK_32MHZ, 1000);//延迟
  29.         /* 2.从M25PE80存储器中读取数据 */
  30.         //从halM25PExxRead的0x12345处读取1个字节的数据，并将其保存到readVal中
  32.         if (halM25PExxRead(0x12345, &readVal, 1) != 0) {
  33.             uart0Send("Read Error\r\n", 12);//如果函数返回值不等于0，表示读取错误
  34.             continue;
  35.         }
  37.         //串口通信
  39.         sprintf(str, "Read: %d\r\n", readVal);
  40.         uart0Send((uint8 *)str, strlen(str));
  42.         delayMs(SYSCLK_32MHZ, 1000);//延迟
  43.     }
  44. }

调试仿真

在学习本节课前，需要先掌握基本的程序下载及仿真操作，参考：程序下载及仿真
1.使用仿真器连接ZigBee标准板到电脑中，
2.按一下仿真器中的复位按键
3.打开配套工程，编译源代码并烧录程序到ZigBee标准板中
4.断开仿真器连接，用Micro USB线连接开发板到电脑，并且打开串口调试助手，可以看到写入和读取的过程：
第7章：外设实验 - 图13

7.3 继电器控制实验

本小节将讲解如何使用继电器去控制强电设备。

继电器简介

常见的LED小灯、小型电机或小型传感器的工作电压在3.3v左右，故可以让单片机直接控制其开关。但是像家用电灯泡、家用电风扇或电磁锁的工作电压是220v，故单片机无法直接控制其开关。这时候，单片机可以借助继电器来控制高电压用电器的开关。ZigBee标准板集成了继电器，如图所示。
第7章：外设实验 - 图14

其中的绿色部分是接线端子，共有3接线口，每个接线口的上方均有一个螺丝孔。
第7章：外设实验 - 图15

以220v家用灯泡为例简单讲解一下继电器的接线方法，用螺丝刀拧开第1、2号口的螺丝，分别塞入零线后再拧紧螺丝，如图所示。此时，继电器充当了一个开关，可以控制零线的断开或者闭合，从而控制灯泡的开关。也可以把零线分别塞入到第2、3号口，区别在与如果介入第1、2号口，那么在默认状态下是断开的；如果接入第2、3号口，那么在默认状态是闭合的。
第7章：外设实验 - 图16

类似地，使用继电器连接12v电磁锁的示意图如图所示。图中的12v电池是用于给电磁锁供电的。
第7章：外设实验 - 图17

使用继电器

继电器的使用方式非常简单，控制继电器的控制引脚的电平即可控制其开合。

引脚配置
使用继电器前，需要先把继电器的控制引脚与CC2530的IO口配对起来。ZigBee标准板是使用CC2530的P0_5引脚与继电器的控制引脚连接的。打开本实验代码代码，可以找到ioConfig.c文件，如图所示。
第7章：外设实验 - 图18

可在本实验代码的ioConfig.c文件中找到如下配置代码：

  1. #define RELAY_PORT        0 
  2. #define RELAY_PIN         5
  3. #define RELAY             P0_5

P0_5是由头文件ioCC2530.h所定义的，用于表示P0_5引脚，因此RELAY实际上就表示P0_5引脚。如果继电器控制引脚需要与CC2530的其他引脚连接的话，只需要在这里修改引脚映射即可，例如如果需要在P1_2引脚外接继电器控制引脚，代码如下：

  1. #define RELAY_PORT        1
  2. #define RELAY_PIN         2
  3. #define RELAY             P1_2

控制继电器
控制继电器的开合，本质上就是控制P0_5引脚的电平，在ioConfig.c中可找到示例代码：

  1. //2. 51单片机入门/7. 外设实验/7.3 继电器开关控制/Workspace/code/ioConfig/ioConfig.c
  2. #include "cc2530_ioctl.h"
  3. #include <stdio.h>
  5. /** @brief  GPIO映射定义 */
  6. #define RELAY_PORT        0
  7. #define RELAY_PIN         5
  8. #define RELAY             P0_5
  10. /** @brief  继电器开关状态定义 */
  11. #define RELAY_ON          1
  12. #define RELAY_OFF         0
  14. static void delayMs(uint16_t nMs);
  15. static void initRelay(void);
  17. void main()
  18. {
  19.     initRelay();
  21.     while(1) {
  22.         delayMs(1000);//延迟
  23.         //反转RELAY引脚的电平状态
  24.         RELAY = (RELAY == RELAY_ON)? RELAY_OFF : RELAY_ON;
  25.     } /* while */
  26. }
  28. /*
  29.  * 延迟指定的时间
  30.  * 
  31.  * @param   nMs - 时间长度，单位为微秒
  32.  */
  33. static void delayMs(uint16_t nMs)
  34. {
  35.     uint16_t i,j;
  36.     for (i = 0; i < nMs; i++)
  37.         for (j = 0; j < 535; j++);
  38. }
  40. /*
  41.  * 初始化继电器
  42.  */
  43. static void initRelay()
  44. {
  45.     CC2530_IOCTL(
  46.         RELAY_PORT,
  47.         RELAY_PIN,
  48.         CC2530_OUTPUT);
  49.     RELAY = RELAY_OFF;
  50. }

上述代码实现了不断开关继电器的功能。可见，继电器的使用其实非常简单的。

调试仿真

可以运行本实验代码以观察运行结果，操作步骤如下：
（1）编译链接配套的工程代码后，把程序烧录到配套的ZigBee开发板中。
（2）由于本实验需要用到继电器，ZigBee标准板中已经集成了继电器，并且其控制引脚默认连接着P0_5引脚。如果使用ZigBee Mini板测试，需要在P0_5引脚处外接继电器控制引脚，并且把该继电器的VCC和GND引脚分别接入到5v的电源和地线。
（3）通过MicroUSB线给开发板上电，即可观察到继电器不断的开合。
必须要使用Micro USB线给开发板供电才能使用继电器！