第二十四章 DHT11实验
本章，我们将介绍数字温湿度传感器DHT11的使用，与前一章的温度传感器相比，该传感器不但能测温度，还能测湿度。我们将学习如何获取DHT11传感器的温湿度数据，并把数据显示在LCD上。
本章分为如下几个小节：
24.1 DHT11介绍
24.2 硬件设计
24.3 软件设计
24.4 下载验证
24.1 DHT11介绍
24.1.1 DHT11简介
DHT11是一款温湿度一体化的数字传感器，实物图如下所示。
图24.1.1.1 DHT11实物图
该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。
DHT11的技术参数如下：
l 工作电压范围：3.3V ~ 5.5V
l 工作电流：平均0.5mA
l 输出：单总线数字信号
l 测量范围：湿度5 ~ 95%RH，温度-20 ~ 60℃
l 精度：湿度±5%，温度±2℃
l 分辨率：湿度1%，温度1℃
DHT11的管脚排列如下图所示：
图24.1.1.2 DHT11管脚排列图
24.1.2 DHT11时序介绍
虽然DHT11与DS18B20类似，都是单总线访问，但是DHT11的访问，相对DS18B20来说简单很多。下面我们先来看看DHT11的数据结构。
DHT11数字温湿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，高位先处。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温度小数部分+8bit校验和。其中校验和数据为前面四个字节相加。
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读到的数据如下图所示：
图24.1.2.1 某次读取到DHT11数据
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的数据格式十分简单的，DHT11和MCU的一次通信最大为34ms左右，建议主机连续读取时间间隔不要小于2s。
下面，我们介绍一下DHT11的传输时序。DHT11的数据发送流程如下图所示。
图24.1.2.2 DHT11数据发送流程图
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（10~35us）时间，然后读取DHT11的响应，正常的话，DHT11会拉低数据线，保持t3（78~88us）时间，作为响应信号，然后DHT11拉高数据线，保持t4（80~92us）时间后，开始输出数据。
DHT11输出数字‘0’时序如下图所示。
图24.1.2.3 DHT11数字‘0’时序图
DHT11输出数字‘1’的时序如下图所示：
图24.1.2.4 DHT11输出数字‘1’时序图
DHT11输出数字‘0’和‘1’时序，一开始都是DHT11拉低数据线54us，后面拉高数据线保持的时间就不一样，数字‘0’就是23~27us，而数字‘1’就是68~74us。
通过以上了解，我们就可以通过ESP32-S3来实现对DHT11的读取了。DHT11的介绍就到这里，更详细的介绍，请参考DHT11的数据手册。
24.2 硬件设计
1. 例程功能
DHT11每隔200ms左右读取一次数据，并把温度和湿度显示在LCD上。LED闪烁用于提示程序正在运行。
2. 硬件资源
1）LED灯
LED-IO1
2）USART0
U0TXD-IO43 U0RXD-IO44
3）XL9555
IIC_SDA-IO41 IIC_SCL-IO42
4）SPILCD
CS-IO21 SCK-IO12 SDA-IO11
DC-IO40（在P5端口，使用跳线帽将IO_SET和LCD_DC相连）
PWR- IO1_3（XL9555） RST- IO1_2（XL9555）
5）DHT11
1WIRE_DQ-IO0（在P5端口，使用跳线帽将IO0和1WIRE_DQ相连）
3. 原理图
DHT11相关原理图和DS18B20原理图是一样的，这里就不再列出来了。
DHT11和DS18B20的接口是共用一个的，不过DHT11有4条腿，需要把U4的4个接口都用上，将DHT11传感器插入到这个上面就可以通过ESP32-S3来读取温湿度值了。连接示意图如图24.2.1所示：
图24.2.1 DHT11连接示意图
这里要注意，将DHT11贴有字的一面朝内，而有很多孔的一面(网面)朝外，然后插入上图所示的四个孔内就可以了。
24.3 软件设计
24.3.1 程序流程图
下面看看本实验的程序流程图：
图24.3.1 程序流程图
24.3.2 程序解析
1. DHT11驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。DHT11驱动源码包括两个文件：dht11.cpp和dht11.h。
本例程，我们直接使用ESP32底层接口函数去完成DS18B20驱动。使用到ESP32底层接口函数需要#include “esp_system.h”。
下面我们先解析dht11.h的程序。对DHT11的数据引脚做了相关定义。
#define DHT11_DQ_PIN GPIO_NUM_0
我们选择使用IO0作为DHT11数据引脚。为了后续对DQ引脚便捷的操作，我们为DQ引脚函数做了下面的定义。
#define DHT11_DQ_OUT(x) gpio_set_level(DHT11_DQ_PIN, x) #define DHT11_DQ_IN gpio_get_level(DHT11_DQ_PIN) #define DHT11_MODE_IN gpio_set_direction(DHT11_DQ_PIN, GPIO_MODE_INPUT) #define DHT11_MODE_OUT gpio_set_direction(DHT11_DQ_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT)
下面我们再解析dht11.cpp的程序，首先先来看一下初始化函数dht11_init，代码如下：
/**
* @brief 初始化DHT11
* @param 无
* @retval 0：正常，1：不存在/不正常
*/
uint8_t dht11_init(void)
{
dht11_reset();
return dht11_check();
}
该函数主要调用dht11_reset函数进行软件复位，复位后，调用dht11_check函数进行检测器件是否正常。
下面介绍的是复位DHT11函数和等待DHT11的回应函数，它们的定义如下：
/**
* @brief 复位DHT11
* @param 无
* @retval 无
*/
void dht11_reset(void)
{
DHT11_MODE_OUT; /* IO模式设置为输出 */
DHT11_DQ_OUT(0); /* 拉低DQ */
delay(20); /* 拉高至少18ms */
DHT11_DQ_OUT(1); /* 拉高DQ */
delayMicroseconds(30); /* 主机拉高10~35us */
}
/**
* @brief 等待DHT11的回应
* @param 无
* @retval 0：正常，1：不存在/不正常
*/
uint8_t dht11_check(void)
{
uint8_t retry = 0;
uint8_t rval = 0;
DHT11_MODE_IN; /* IO模式设置为输入 */
while (DHT11_DQ_IN && retry < 100) /* DHT11会拉低约83us */
{
retry++;
delayMicroseconds(1);
}
if (retry >= 100)
{
rval = 1;
}
else
{
retry = 0;
while (!DHT11_DQ_IN && retry < 100) /* DHT11拉低后会再次拉高约87us */
{
retry++;
delayMicroseconds(1);
}
if (retry >= 100)
{
rval = 1;
}
}
return rval;
}
以上两个函数分别代表着前面所说的复位脉冲与应答信号，大家可以对比前面的时序图进行理解。那么在上一章DS18B20的实验中，也对复位脉冲以及应答信号进行了详细的解释，大家也可以对比理解。
DHT11与DS18B20有所不同，DHT11是不需要写函数，只需要读函数即可，下面我们看一下读函数：
/**
* @brief 从DHT11读取一个位
* @param 无
* @retval 读取到的位值: 0 / 1
*/
uint8_t dht11_read_bit(void)
{
uint8_t retry = 0;
while (DHT11_DQ_IN && retry < 100) /* 等待变为低电平 */
{
retry++;
delayMicroseconds(1);
}
retry = 0;
while (!DHT11_DQ_IN && retry < 100) /* 等待变高电平 */
{
retry++;
delayMicroseconds(1);
}
delayMicroseconds(40); /* 等待40us */
if (DHT11_DQ_IN) /* 根据引脚状态返回 bit */
{
return 1;
}
else
{
return 0;
}
}
/**
* @brief 从DHT11读取一个字节
* @param 无
* @retval 读到的数据
*/
uint8_t dht11_read_byte(void)
{
uint8_t i, data = 0;
for (i = 0; i < 8; i++) /* 循环读取8位数据 */
{
data <<= 1; /* 高位数据先输出, 先左移一位 */
data |= dht11_read_bit(); /* 读取1bit数据 */
}
return data;
}
在这里dht11_read_bit函数从DHT11处读取1位数据，大家可以对照前面的读时序图进行分析，读数字0和1的不同，在于高电平的持续时间，所以这个作为判断的依据。dht11_read_byte函数就是调用一字节读取函数进行实现。
下面介绍读取温湿度函数，其定义如下：
/**
* @brief 从DHT11读取一次数据
* @param temp: 温度值(范围:-20~60°)
* @param humi: 湿度值(范围:5%~95%)
* @retval 0, 正常.
* 1, 失败
*/
uint8_t dht11_read_data(uint8_t *temp, uint8_t *humi)
{
uint8_t buf[5];
uint8_t i;
dht11_reset();
if (dht11_check() == 0)
{
for (i = 0; i < 5; i++) /* 读取40位数据 */
{
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;
}
读取温湿度函数也是根据时序图进行实现的，在发送复位信号以及应答信号产生后，即可以读取5Byte数据进行处理，校验成功即读取数据有效成功。
2. 18_dht11.ino代码
在18_dht11.ino里面编写如下代码：
#include "led.h"
#include "uart.h"
#include "xl9555.h"
#include "spilcd.h"
#include "dht11.h"
uint8_t temperature; /* 温度值 */
uint8_t humidity; /* 湿度值 */
uint8_t t = 0;
/**
* @brief 当程序开始执行时，将调用setup()函数，通常用来初始化变量、函数等
* @param 无
* @retval 无
*/
void setup()
{
led_init(); /* LED初始化 */
uart_init(0, 115200); /* 串口0初始化 */
xl9555_init(); /* IO扩展芯片初始化 */
lcd_init(); /* LCD初始化 */
dht11_init(); /* DHT11初始化 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, LCD_FONT_16, "ESP32-S3", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, LCD_FONT_16, "DHT11 TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, LCD_FONT_16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, LCD_FONT_16, "Temp: C", BLUE);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, LCD_FONT_16, "Humi: %", BLUE);
}
/**
* @brief 循环函数，通常放程序的主体或者需要不断刷新的语句
* @param 无
* @retval 无
*/
void loop()
{
if (t % 10 == 0) /* 每100ms读取一次 */
{
dht11_read_data(&temperature, &humidity); /* 读取温湿度值 */
lcd_show_num(30 + 40, 110,temperature,2,LCD_FONT_16,BLUE); /* 显示温度 */
lcd_show_num(30 + 40, 130,humidity,2,LCD_FONT_16,BLUE); /* 显示湿度 */
}
delay(10);
t++;
if (t == 20)
{
t = 0;
LED_TOGGLE(); /* LED0闪烁 */
}
}
在setup函数中，调用led_init函数完成LED初始化，uart_init函数完成串口初始化，调用xl9555_init函数完成XL9555初始化，调用lcd_init函数完成LCD屏初始化，调用dht11_init函数完成DHT11初始化，然后LCD显示实验信息。
在loop函数中，间隔100毫秒调用dht11_read_data函数获取传感器的温度和湿度数据，然后在LCD显示数据。LED灯每隔200毫秒进行闪烁。
24.4 下载验证
假定DHT11传感器已经接上去正确的位置，将程序下载到开发板后，可以看到LED0不停的闪烁，提示程序已经在运行了。LCD显示当前的温度和湿度值的内容如下图所示。
图24.4.1 DHT11实验测试图
至此，本章实验结束。大家可以将本章通过DHT11读取到的温度值和前一章通过DS18B20读取到的温度值对比一下，看看哪个更准确?