STM32筆記(26)：讀取DHT11溫濕度感測值

DHT11 是一個常見的溫濕度感測器，過去曾使用不同的開發板(Arduino 及 Raspberry Pi)讀取溫濕度顯示在 LCD 上。本篇將繼續深入瞭解 DHT11 的運作方式，如何藉由高低電位的改變，讓 DHT11 回傳一串 40 Bits 帶有溫濕度的感測值，然後將溫濕度顯示在 OLED 上。

DHT11 是經過校準的數位溫濕度傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件。其他特性還有：

1. 訊號傳輸型式: 數位 (Digital)
2. 電壓範圍：3.3 ～ 5.5V。
3. 測溫範圍：濕度 20 ～ 90%RH，溫度 0 ～ 50℃
4. 精度：濕度 ±5%，溫度 ±2℃

STM32 在發送啟動信號後，DHT11 從低功耗模式轉換到高速模式，STM32 直到啟動信號結束，DHT11 發出響應信號，發送 40 bits 的數據並觸發信號採集。如果沒有接收到 STM32 主機發送開始信號，DHT11 不會主動進行溫濕度採集，採集數據後轉換到低速模式。信號傳輸的時序圖如下：

STM32 如要讀取 DHT11 外部設備的數據，之間的通信可以透過以下步驟完成：

• DHT11 通電後，這時等待通過不穩定期間，不適宜發送任何命令。初始化時，經上拉電阻提高 DATA 數據線的電位，並保持高電位；這時 DHT11 的 DATA pin 為輸入狀態，等待輸入外部信號。
• STM32 將連接 DHT11 DATA 的 I/O ，設置為低電位，保持時間不能小於 18 ms，再拉高 I/O 的電位，此時 STM32 進入設置狀態，等待 DHT11 應答信號。發射信號如下圖(左)：

• 當 DHT11 DATA 引腳檢測到外部信號為低電位時，等待低電平結束，等待 DHT11 延時過後，DATA 引腳變更為輸出，輸出低電位 80 微秒響應信號，接著輸出 80 微秒通知第二個高電位外設準備好接收數據，此時 STM32 處於輸入狀態，檢測 I/O 為低電位，直到 80 微秒高電位，數據收發信號如下圖(右)：
• 由 DHT11 DATA 引腳輸出的 40 位元數據，STM32 根據 I/O 電位接收 40 位元數據，如要表示訊號「0」：高電位持續 50 微秒，接著低電位 26～28 微秒；訊號「1」：低電位 50 微秒，接著 70 微秒高電位。數據「0」、「1」格式信號如下圖：

• 結束信號時，DHT11 的 DATA 引腳輸出 40 位數據後，持續 50 微秒低電位的狀態後，上拉電阻隨之拉高。

40 Bits 的數據表示溫濕度的方式如下表：如果資料傳送正確，前面四個 8 bits 資料相加會和校驗位的 8 bits 相同。

濕度整數位 (8 Bits)	濕度小數位 (8 Bits)	溫度整數位 (8 Bits)	溫度小數位 (8 Bits)	校驗位 (8 Bits)
0011 0101	0000 0000	0001 1000	0000 0000	0100 1101

上表的溫濕度整數位進行換算得到以下結果：

• 濕度：0011 0101 = 35(十六進位) = 53(十進位) %RH
• 溫度：0001 1000 = 18(十六進位) = 24(十進位) °C

校驗位將前面四個 8 bits 的資料相加：0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0000 = 0100 1101
如果和回傳的結果一樣，表示資料正確，若不相同則重新測試再傳回感測值。

[材料]

• STM32F103C8T6 主板 x 1
• OLED SSD1306 顯示器 x 1
• STLINK V2 模擬下載器 x 1
• DHT11 x 1
• 麵包板 x 1
• 連接線 x N 條

[接線與電路圖]

三個可變電阻左右兩側分別接 3.3v 及 GND，中間的接腳分別接在 STM32F103x 的 PA0、PA1 及 PA2，與 SSD1306 連接的方式如下：

STM32F103x	SSD1306 OLED	DHT11
3.3v	VDD	VCC
GND	GND	GND
B8	SCK/SCL	-
B9	SDA	-
A1	-	DATA

[程式]

#include <stm32f10x.h>
#include "oled.h"
#include "delay.h"
#include "dht11.h"
 
int main()
{
	u8 temperature, tempd;         
	u8 humidity, humid; 

	delay_init();	   	//延時函數初始化	  	
	OLED_Init();		//初始化OLED  
	DHT11_Init();       //DHT11初始化
	OLED_Clear(0);     	//清除螢幕
	
	OLED_ShowString(1, 2, "Temper. :",16);
	OLED_ShowString(1, 4, "Humidity:",16);
	while(1)
	{
		DHT11_Read_Data(&temperature,&tempd,&humidity,&humid);				 

		OLED_ShowNum(70, 2, temperature, 3, 16);	
		OLED_ShowString(94,2, ".",16);		
		OLED_ShowNum(98, 2, tempd, 1, 16);	
		
		OLED_ShowNum(70, 4, humidity, 3, 16);	
		OLED_ShowString(94,4, ".",16);				
		OLED_ShowNum(98, 4, humid, 1, 16);
		delay_ms(100);
	}
}

dht11.c 的程式如下：

#include "stm32f10x.h"
#include "dht11.h"
#include "delay.h"

// DHT11初始化，返回0：初始化成功，1：失敗
uint8_t DHT11_Init()
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DHT11_pin;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(DHT11_Port,&GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(DHT11_Port,DHT11_pin);	   		//拉高
 
	DHT11_Rst();	  
	return DHT11_Check();	
}

//重置DHT11
void DHT11_Rst()	   
{                 
	DHT11_IO_OUT(); 		//設定I/O口為輸出模式
    DHT11_DQ_OUT=0; 		//拉低DQ
    delay_ms(20);    		//拉低至少18ms
    DHT11_DQ_OUT=1; 		//DQ=1 
	delay_us(30);     		//主機拉高20~40us
}

// 檢測DHT11，傳回0:存在，返回1:未檢測到DHT11的存在
uint8_t DHT11_Check() 	   
{   
	u8 retry=0;
	DHT11_IO_IN();						//設定I/O口為輸入模式 
    while (DHT11_DQ_IN&&retry<100)		//高電平迴圈，低電平跳出，DHT11會拉低40~80us
	{
		retry++;
		delay_us(1);
	}; 
	if(retry>=100)return 1;
	else retry=0;
	
    while (!DHT11_DQ_IN && retry<100)	//DHT11拉低後會再次拉高40~80us
	{
		retry++;
		delay_us(1);
	};
	if(retry>=100)return 1;	    
	return 0;
}
 
//從DHT11讀取一個位，返回值：1或0
uint8_t DHT11_Read_Bit(void) 			 
{
 	u8 retry=0;
	while(DHT11_DQ_IN&&retry<100)	//等待變為低電平 12-14us 開始
	{
		retry++;
		delay_us(1);
	}
	retry=0;
	while(!DHT11_DQ_IN&&retry<100)	//等待變高電平 26-28us表示0,116-118us表示1
	{
		retry++;
		delay_us(1);
	}
	delay_us(40);		//等待40us
	if(DHT11_DQ_IN)return 1;
	else return 0;		   
}

//從DHT11讀取一個位元組，返回值：讀到的數據
uint8_t DHT11_Read_Byte(void)    
{        
    u8 i,dat;
    dat=0;
	for (i=0;i<8;i++) 
	{
   		dat<<=1;    			//dat的數據左移一個bit, 右邊補0
	    dat|=DHT11_Read_Bit();  //兩邊做 OR 運算，結果存到 dat
    }						    
    return dat;
}

//從DHT11讀取一次資料，返回值：0,正常;1,讀取失敗
uint8_t DHT11_Read_Data(u8 *temp,u8 *tempd, u8 *humi, u8 *humid)
{        
 	u8 buf[5];
	u8 i;
	DHT11_Rst();
	if(DHT11_Check()==0)
	{
		for(i=0;i<5;i++)	//讀取40位元數據
		{
			buf[i]=DHT11_Read_Byte();
		}
		if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4])
		{
			*humi =buf[0];
			*humid=buf[1];
			*temp =buf[2];
			*tempd=buf[3];
		}
	}
		else {
			return 1;}
		return 0;	    
}

//DHT11 輸出模式配置
void DHT11_IO_OUT()	
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=DHT11_pin;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;	 //推挽輸出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(DHT11_Port,&GPIO_InitStructure);	
}
 
//DHT11 輸入模式配置
void DHT11_IO_IN()	
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=DHT11_pin;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;	 	//上拉輸入模式
	GPIO_Init(DHT11_Port,&GPIO_InitStructure);	
}

dht11.h 程式如下：

#ifndef __dht11_H
#define __dht11_H 
#include "sys.h"
 
#define DHT11_pin 		GPIO_Pin_1 	//PA1
#define DHT11_Port 		GPIOA		//GPIO Port
#define DHT11_DQ_IN 	PAin(1)	  	//輸入
#define DHT11_DQ_OUT 	PAout(1)  	//輸出

void 	DHT11_IO_OUT(void);
void 	DHT11_IO_IN(void);
void 	DHT11_Rst(void);
uint8_t DHT11_Init(void);
uint8_t DHT11_Check(void);
uint8_t DHT11_Read_Bit(void);
uint8_t DHT11_Read_Byte(void);
uint8_t DHT11_Read_Data(u8 *temp,u8 *tempd, u8 *humi, u8 *humid);
 
#endif

完整的程式請參考 Github：11. Get DHT11 Temperature & Humidity

[結果]

[參考資料]

• STM32F103 Reference manual
• STM32F10xxx參考手冊
• DHT-11 Datasheet
• STM32學習之傳感器篇—DHT11溫濕度傳感器