摘要
本篇文章用STM32CubeMX和STM32CubeIDE软件编程,主控芯片为STM32F103C8T6驱动DHT11温湿度传感器,根据时序编写温湿度传感器的驱动代码,将传感器检测到的温度和湿度通过串口发送到窗口调试助手。由于使用完整的DHT11模块,所以电路结构比较简单。通过本文可以学会DHT11数字温湿度传感器的原理以及时序结构,并且根据其时序编写驱动程序。
所用工具:
1、芯片:STM32F103C8T6
2、驱动设备:DHT11温湿度传感器
3、配置软件:STM32CubeMX
4、IDE:STM32CubeIDE
知识概括:
通过本篇文章您将学到:
1、DHT11温湿度传感器的工作原理
2、DHT11温湿度传感器的驱动程序
3、定时器编写微秒级延时函数
4、代码动态改变GPIO输入输出方向
一、简介
1.DHT11数字温湿度传感器
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。本文使用的是DHT11模块,其实物图如下所示:
2.DHT11性能参数
? 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 20~90%RH,温度 0~50℃ ? 精度 :湿度±5%,温度±2℃ ? 分辨率 :湿度 1%,温度 1℃
2.DHT11数据结构
DHT11数字湿温度传感器采用单总线数据格式。即单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。其数据包由5Byte(40Bit)组成。数据分小数部分和整数部分,一次完整的数据传输为40bit,高位先出。DHT11 的数据格式为:8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit 校验和。其中校验和数据为前四个字节相加。 传感器数据输出的是未编码的二进制数据。数据(湿度、温度、整数、小数)之间应该分开处理。例如,某次从 DHT11 读到的数据如图所示:
由以上数据就可得到湿度和温度的值,计算方法: ??湿度=byte4.byte3=45.0 (%RH) ??温度=byte2.byte1=28.0 ( ℃) ??校验=byte4+byte3+byte2+byte1=73(=湿度+温度)(校验正确) 可以看出,DHT11的数据格式是十分简单的,DHT11和MCU的一次通信最大为3ms左右,建议主机连续读取时间间隔不要小于100ms。
2.DHT11传输时序
首先主机发送开始信号,即:拉低数据线,保持t1(至少 18ms)时间,然后拉高数据线t2(20-40us)时间,然后读取DHT11的响应,正常的话,DHT11会拉低数据线,保持t3(40-50us)时间,作为响应信号,然后DHT11拉高数据线,保持t4(40-50us)时间后,开始输出数据。DHT11 的数据发送流程如图所示:
DHT11 输出数字‘0’的时序如图所示:
DHT11 输出数字‘1’的时序如图所示:
二、硬件电路设计
1.模块内部电路
由于是已经封装好的模块,所以这部分了解即可。图中需要一个4.7K的上拉电阻R1,接通电源后LED常亮。
2.与单片机相连接电路
模块与单片机相连的电路也很简单,即将单片机的PB12引脚接到模块的OUT端口,模块VCC接3.3V,GND与单片机GND相连即可。
三、软件设计
1.CubeMX配置
(1)时钟配置 如下图分别为设置HSE(高速外部时钟)以及时钟树的配置。选定HSE之后芯片会自动选定两个引脚用来连接外部晶振,设置LSE之后配置时钟树,设置HCLK为72MHz(最高72MHz,也可以配置其他),其配置图如图所示。
(2)调试接口配置 如图所示,将调试接口设置的设置为SW模式,占用芯片两个引脚。
(3)GPIO配置 如图,在CubeMX中芯片的引脚中点击鼠标左键可以给引脚设置功能。这里将PB12设置为输出模式(由于DHT11只有一根数据线,所以其交互方式是半双工,也就是在运行时候需要动态改变该引脚的输入与输出方向,在这里只做简单的配置,其具体配置需要在代码里修改)。
(4)串口配置 为显示结果,用串口将转换结果传到电脑上,设置为异步模式,波特率为115200Bits/s,其UART配置如下图所示。设置完成之后会自动引出两个引脚用于串口通信。
(5)TIM定时器配置 由于HAL库中没有微秒级延时函数,所以这里采用定时器取计数,达到微秒级延迟。设置定时器为内部时钟,由于设置的MCU主频为72MHz,所以这边设置(72-1)分频,这样就刚好是1MHz,也就达到了1us的时间,后续就由软件实现延时函数。
(6)引脚使用情况
本次除了调试接口和外部震荡接口外,还有PB12连接DHT11传感器的数据传输引脚,还有一组串口RX和TX。使用情况如下图所示。
(7)保存 在ProjectManager中设置如如图所示,设置集成开发环境为STM32CubeIDE。运用其他平台比如IAR,Keil也可以对应选择。 下图勾选生成外围.c.h文件,个人习惯,也可以不勾选让外围文件生成在main文件里。
–
2.CubeIDE代码
(1)TIM定时器实现us级延时 作用:通过定时器实现us级延迟 位置:位于/* USER CODE BEGIN 4 */沙箱内。
void Delay_us(uint16_t delay)
{
__HAL_TIM_DISABLE(&htim3);
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3,0);
__HAL_TIM_ENABLE(&htim3);
uint16_t curCnt=0;
while(1)
{
curCnt=__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3);
if(curCnt>=delay)
break;
}
__HAL_TIM_DISABLE(&htim3);
}
(2)动态改变GPIO输入输出状态 作用:动态改变PB12引脚的方向,实现半双工传输。 位置:位于/* USER CODE BEGIN 4 */沙箱内。
void Dht11_DATA_OUT(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
void Dht11_DATA_IN(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
(3)DHT11驱动 作用:DHT11驱动程序,根据时序来实现。 位置:位于/* USER CODE BEGIN 4 */沙箱内。 (注:根据封装的思想这些函数应该自建dht11.c文件存放,这里为了方便直接写在主函数里,方便演示,读者可自行操作,并且自定义一些宏定义,方便对代码的理解)
void DHT11_Rst(void)
{
Dht11_DATA_OUT();
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(20);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);
Delay_us(30);
}
uint8_t DHT11_Check(void)
{
uint8_t retry=0;
Dht11_DATA_IN();
while(GPIO_PIN_SET==HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12) && retry<100)
{
retry++;
Delay_us(1);
}
if(retry>=100)
return 1;
else
retry=0;
while(GPIO_PIN_RESET==HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12) && retry<100)
{
retry++;
Delay_us(1);
}
if(retry>=100)
return 1;
return 0;
}
uint8_t DHT11_Read_Bit(void)
{
uint8_t retry=0;
while(GPIO_PIN_SET==HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12) && retry<100)
{
retry++;
Delay_us(1);
}
retry=0;
while(GPIO_PIN_RESET==HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12) && retry<100)
{
retry++;
Delay_us(1);
}
Delay_us(40);
if(GPIO_PIN_SET==HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12))
return 1;
else
return 0;
}
uint8_t DHT11_Read_Byte(void)
{
uint8_t dat=0;
for(uint8_t i=0;i<8;i++)
{
dat <<= 1;
dat |= DHT11_Read_Bit();
}
return dat;
}
uint8_t DHT11_Read_Data(uint8_t* humi,uint8_t* temp)
{
uint8_t buf[5];
DHT11_Rst();
if(DHT11_Check() == 0)
{
for(uint8_t i=0;i<5;i++)
buf[i]=DHT11_Read_Byte();
if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4])
{
*humi=buf[0];
*temp=buf[2];
}
}
else
return 1;
return 0;
}
(4)头文件 作用:使用打印函数sprintf和strlen。 位置:位于/* USER CODE BEGIN Includes */沙箱内。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
(5)函数声明 作用:声明函数。 位置:位于/* USER CODE BEGIN PM */沙箱内。 (注:根据封装的思想这些函数应该自建dht11.h文件存放,这里为了方便直接写在主函数里,方便演示,读者可自行操作,并且自定义一些宏定义,方便对代码的理解)
void Delay_us(uint16_t delay);
void Dht11_DATA_OUT(void);
void Dht11_DATA_IN(void);
void DHT11_Rst(void);
uint8_t DHT11_Check(void);
uint8_t DHT11_Read_Bit(void);
uint8_t DHT11_Read_Byte(void);
uint8_t DHT11_Read_Data(uint8_t* humi,uint8_t* temp);
(6)主函数变量声明 作用:声明主函数内变量。 位置:位于/* USER CODE BEGIN 1 */沙箱内。
uint8_t temperature = 1;
uint8_t humidity = 1;
char* CntState = "No Connect!\r\n";
uint8_t aTxBuffer[50];
(7)DHT11预处理 作用:复位DHT11并且检测DHT11是否存在。 位置:位于/* USER CODE BEGIN 2 */沙箱内。
DHT11_Rst();
while(DHT11_Check())
{
HAL_UART_Transmit(&huart1, CntState, strlen(CntState), 200);
HAL_Delay(500);
}
CntState = "Success!\r\n";
HAL_UART_Transmit(&huart1, CntState, strlen(CntState), 200);
(8)主函数 作用:这里用地址的概念拿出函数中计算的值并且直接打印。 位置:位于/* USER CODE END WHILE */沙箱内。
while (1)
{
DHT11_Read_Data(&humidity,&temperature);
sprintf(aTxBuffer,"temperature : %d ^C "
"humidity : %d %% \r\n", temperature,humidity);
HAL_UART_Transmit(&huart1,aTxBuffer,strlen((const char*)aTxBuffer),200);
HAL_Delay(500);
四、结果显示
(1)实物演示 上电后,DHT11模块的LED常亮。
(2)串口打印结果 可见,串口每500ms向上位机抛出数据,结果显示正确。
五、总结
本次设计了解了DHT11数字温湿度传感器,通过DHT11的协议取驱动该器件,实时传输温度与湿度的数据。在本次设计中,不仅学会了HAL库中的微秒级延迟函数的编写,还学会了动态改变GPIO的传输方向,这为以后任何一个用时序的器件驱动编写奠定了基础,该型号的温湿度传感器只适用于练手,其精度不太高,读者可以试试其他更高级的温湿度传感器。本设计参考正点原子探索者开发板教程和STM32Cube高效开发指南(高级篇)。
附录
完整代码
#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
void Delay_us(uint16_t delay);
void Dht11_DATA_OUT(void);
void Dht11_DATA_IN(void);
void DHT11_Rst(void);
uint8_t DHT11_Check(void);
uint8_t DHT11_Read_Bit(void);
uint8_t DHT11_Read_Byte(void);
uint8_t DHT11_Read_Data(uint8_t* humi,uint8_t* temp);
void SystemClock_Config(void);
int main(void)
{
uint8_t temperature = 1;
uint8_t humidity = 1;
char* CntState = "No Connect!\r\n";
uint8_t aTxBuffer[50];
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_USART1_UART_Init();
MX_TIM3_Init();
DHT11_Rst();
while(DHT11_Check())
{
HAL_UART_Transmit(&huart1, CntState, strlen(CntState), 200);
HAL_Delay(500);
}
CntState = "Success!\r\n";
HAL_UART_Transmit(&huart1, CntState, strlen(CntState), 200);
while (1)
{
DHT11_Read_Data(&humidity,&temperature);
sprintf(aTxBuffer,"temperature : %d ^C "
"humidity : %d %% \r\n", temperature,humidity);
HAL_UART_Transmit(&huart1,aTxBuffer,strlen((const char*)aTxBuffer),200);
HAL_Delay(500);
}
}
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
void Delay_us(uint16_t delay)
{
__HAL_TIM_DISABLE(&htim3);
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3,0);
__HAL_TIM_ENABLE(&htim3);
uint16_t curCnt=0;
while(1)
{
curCnt=__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3);
if(curCnt>=delay)
break;
}
__HAL_TIM_DISABLE(&htim3);
}
void Dht11_DATA_OUT(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
void Dht11_DATA_IN(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
void DHT11_Rst(void)
{
Dht11_DATA_OUT();
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(20);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);
Delay_us(30);
}
uint8_t DHT11_Check(void)
{
uint8_t retry=0;
Dht11_DATA_IN();
while(GPIO_PIN_SET==HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12) && retry<100)
{
retry++;
Delay_us(1);
}
if(retry>=100)
return 1;
else
retry=0;
while(GPIO_PIN_RESET==HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12) && retry<100)
{
retry++;
Delay_us(1);
}
if(retry>=100)
return 1;
return 0;
}
uint8_t DHT11_Read_Bit(void)
{
uint8_t retry=0;
while(GPIO_PIN_SET==HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12) && retry<100)
{
retry++;
Delay_us(1);
}
retry=0;
while(GPIO_PIN_RESET==HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12) && retry<100)
{
retry++;
Delay_us(1);
}
Delay_us(40);
if(GPIO_PIN_SET==HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12))
return 1;
else
return 0;
}
uint8_t DHT11_Read_Byte(void)
{
uint8_t dat=0;
for(uint8_t i=0;i<8;i++)
{
dat <<= 1;
dat |= DHT11_Read_Bit();
}
return dat;
}
uint8_t DHT11_Read_Data(uint8_t* humi,uint8_t* temp)
{
uint8_t buf[5];
DHT11_Rst();
if(DHT11_Check() == 0)
{
for(uint8_t i=0;i<5;i++)
buf[i]=DHT11_Read_Byte();
if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4])
{
*humi=buf[0];
*temp=buf[2];
}
}
else
return 1;
return 0;
}
void Error_Handler(void)
{
__disable_irq();
while (1)
{
}
}
#ifdef USE_FULL_ASSERT
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
}
#endif
|