STM8單片機讀取DHT11溫濕度傳感器

一、引言

隨著物聯網技術的發(fā)展，各類傳感器在智能家居、氣象監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)控等領域得到了廣泛的應用。溫濕度傳感器是其中重要的一類傳感器，它能夠實時檢測環(huán)境的溫度和濕度數據。DHT11是一款常見的數字式溫濕度傳感器，具有體積小、功耗低、價格便宜等優(yōu)點，廣泛應用于氣象站、智能家居、倉庫環(huán)境監(jiān)控等場景。STM8系列單片機作為ST公司推出的一款低功耗、高性能的微控制器，廣泛應用于工業(yè)控制、家居自動化和物聯網設備中。本篇文章將詳細介紹如何使用STM8單片機讀取DHT11溫濕度傳感器的數據，包括硬件連接、軟件編程及其實現原理。

二、DHT11溫濕度傳感器介紹

DHT11是一款數字式溫濕度傳感器，通過單線數字信號輸出溫濕度數據。它內部集成了溫度和濕度的傳感器單元、A/D轉換器、單片機控制電路等，因此用戶只需讀取其輸出的數字信號即可獲得對應的溫度和濕度值。

DHT11的主要參數：

• 測量范圍：溫度：0-50°C，濕度：20%-90% RH

• 精度：溫度±2°C，濕度±5% RH

• 輸出形式：單總線數字信號

• 工作電壓：3.5V至5.5V

DHT11通過單總線協(xié)議與主控設備（如STM8單片機）通信，通過一根數據線發(fā)送溫濕度數據。數據傳輸時，數據包包含溫度、濕度的整數和小數部分，以及校驗和。

三、STM8單片機概述

STM8單片機是意法半導體（STMicroelectronics）推出的一系列8位微控制器，具有豐富的外設、低功耗和高性價比的特點。STM8單片機采用STM8內核，支持多種通信協(xié)議，包括I2C、SPI、UART等，且具有多個定時器、PWM輸出、模擬輸入等功能。STM8系列單片機廣泛應用于家庭自動化、工業(yè)控制、汽車電子等領域。

STM8系列單片機的關鍵特點：

• 內核：8位，時鐘頻率最大可達24MHz

• 內存：多種內存配置，從1KB Flash到64KB Flash不等

• 外設：支持I2C、SPI、UART、GPIO等多種外設接口

• 功耗：低功耗設計，適合電池供電應用

四、硬件連接

要使用STM8單片機讀取DHT11溫濕度傳感器，首先需要完成硬件連接。DHT11傳感器的工作電壓為3.5V至5.5V，而STM8單片機一般工作在3.3V或5V電壓下。為了簡化接線和避免電壓不匹配，我們可以直接將DHT11傳感器的VCC腳連接到STM8的5V引腳，GND腳連接到STM8的GND引腳，數據腳連接到STM8的GPIO引腳（如PA0）。

DHT11的引腳說明：

1. VCC：電源引腳，接5V電源

2. GND：地引腳，接地

3. DATA：數據引腳，傳輸溫濕度數據

4. NC：未連接

硬件連接如下：

• DHT11 VCC → STM8 5V引腳

• DHT11 GND → STM8 GND引腳

• DHT11 DATA → STM8 GPIO引腳（如PA0）

此外，DHT11傳感器與STM8單片機之間通過單總線協(xié)議進行數據通信，因此，數據線連接的GPIO引腳需要支持數字輸入輸出（如PA0、PB0等）。在接線過程中，建議在DHT11的數據引腳和STM8的數據引腳之間串聯一個4.7kΩ的上拉電阻，以確保數據傳輸的穩(wěn)定性。

五、軟件設計

STM8單片機讀取DHT11傳感器的數據需要通過GPIO引腳與DHT11進行通信。DHT11通過一種特殊的單總線協(xié)議與外部設備交換數據，數據傳輸包括以下幾個步驟：發(fā)送起始信號、傳輸溫濕度數據、校驗和校驗。我們將逐步解析如何通過STM8單片機編寫程序來完成這一過程。

1. 初始化

在程序開始時，我們首先需要初始化STM8的GPIO引腳。以PA0為數據傳輸引腳，我們需要將其配置為輸出模式，并發(fā)送一個起始信號來啟動數據傳輸。

// 初始化GPIO引腳為輸出模式
GPIO_Init(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_MODE_OUT_PP_LOW_FAST);

2. 發(fā)送起始信號

DHT11傳感器要求主機發(fā)送一個至少18ms的低電平信號，作為起始信號。在STM8單片機上，我們可以通過延時函數實現這一要求。

// 發(fā)送起始信號，拉低PA0引腳18ms
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0);
Delay_ms(20); // 延時20ms
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0); // 拉高PA0引腳

3. 等待DHT11響應

DHT11傳感器收到起始信號后，會等待一定時間并響應。它會通過將數據引腳拉低80微秒，然后再拉高80微秒的方式向主機發(fā)送響應信號。我們需要用STM8單片機檢測DHT11的響應信號。

// 等待DHT11響應信號
GPIO_Init(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_MODE_IN_FL_NO_IT); // 配置PA0為輸入模式
while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == RESET); // 等待引腳從低電平變?yōu)楦唠娖?br/>

4. 讀取數據

DHT11通過一系列的高低電平脈沖傳輸8位數據。每個數據位由一個50微秒的高電平和一個可變長度的低電平組成。如果低電平的時長大于26微秒，表示該位為1，否則為0。我們需要用定時器或延時函數來測量低電平的時長，判斷每一位的數據。

uint8_t ReadByte(void) {
    uint8_t byte = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        // 等待低電平結束
        while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == RESET);
        
        // 等待高電平
        TimerStart();
        while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == SET);
        
        // 計算高電平時長，判斷是0還是1
        if (TimerElapsed() > 40) { // 判斷高電平持續(xù)時間
            byte |= (1 << (7 - i)); // 設置為1
        }
    }
    return byte;
}

5. 校驗和

DHT11數據傳輸完成后，會發(fā)送一個校驗和，校驗和是前面?zhèn)鬏數臐穸群蜏囟葦祿止?jié)按位相加的低8位。我們需要對接收到的數據進行校驗，確保數據的正確性。

uint8_t checksum = humidity1 + humidity2 + temperature1 + temperature2;
if (checksum != checksum_received) {
    // 校驗失敗，重新讀取數據
}

6. 完整程序

完整的程序代碼包括初始化、數據傳輸、數據讀取和校驗等部分。通過程序，我們可以實現從DHT11傳感器讀取溫度和濕度數據，并在串口輸出。

#include "stm8s.h"

// 延時函數
void Delay_ms(uint16_t ms) {
    while (ms--) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++);
    }
}

// 讀取數據
uint8_t ReadByte(void) {
    uint8_t byte = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        // 等待低電平結束
        while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == RESET);
        
        // 等待高電平
        TimerStart();
        while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == SET);
        
        // 計算高電平時長，判斷是0還是1
        if (TimerElapsed() > 40) {
            byte |= (1 << (7 - i));
        }
    }
    return byte;
}

int main(void) {
    uint8_t humidity1,uint8_t humidity2, temperature1, temperature2, checksum;
    
    // 初始化GPIO
    GPIO_Init(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_MODE_OUT_PP_LOW_FAST); // 配置PA0為推挽輸出
    while (1) {
        // 發(fā)送起始信號
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0); // 拉低PA0
        Delay_ms(20); // 延時20ms，DHT11要求至少18ms
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0); // 拉高PA0
        
        // 等待DHT11響應
        GPIO_Init(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_MODE_IN_FL_NO_IT); // 配置PA0為輸入
        while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == RESET); // 等待PA0從低電平變?yōu)楦唠娖?br/>        while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == SET); // 等待高電平結束
        
        // 讀取濕度數據
        humidity1 = ReadByte();
        humidity2 = ReadByte();
        
        // 讀取溫度數據
        temperature1 = ReadByte();
        temperature2 = ReadByte();
        
        // 讀取校驗和
        checksum = ReadByte();
        
        // 校驗數據
        if (checksum == (humidity1 + humidity2 + temperature1 + temperature2)) {
            // 輸出溫度和濕度數據
            printf("Humidity: %d.%d%%, Temperature: %d.%d°C
", humidity1, humidity2, 
            temperature1, temperature2);
        } else {
            // 校驗和錯誤，重新讀取
            printf("Data error, retrying...
");
        }
        
        // 延時1秒鐘
        Delay_ms(1000);
    }
}

六、程序解析

在上述代碼中，我們進行了如下操作：

1. GPIO初始化：

• 我們將STM8的PA0引腳設置為推挽輸出模式，用來發(fā)送信號給DHT11。

• 在接收數據時，將PA0設置為輸入模式，讀取DHT11傳輸的數據。

2. 發(fā)送起始信號：

• 通過將PA0拉低并保持20ms以上，我們向DHT11傳感器發(fā)送起始信號。這是DHT11開始數據傳輸的必要條件。

3. 等待DHT11響應：

• DHT11在收到起始信號后，會先將數據線拉低80μs，然后拉高80μs，表示準備好傳輸數據。程序通過檢測PA0的電平變化來判斷DHT11是否準備好響應。

4. 讀取數據：

• DHT11通過一系列高低電平脈沖傳輸8位數據。每個數據位的傳輸方式是：首先一個50μs的高電平，然后緊接著一個長度可變的低電平。若低電平時間超過26μs，則表示這一位是1；否則是0。

• 為了確保數據的正確性，我們讀取濕度、溫度和校驗和數據。

5. 數據校驗：

• 在讀取到濕度、溫度和校驗和數據后，我們通過計算濕度和溫度字節(jié)之和，來驗證數據的有效性。如果校驗和匹配，說明數據正確，可以進行后續(xù)處理；如果校驗和不匹配，則重新獲取數據。

6. 輸出數據：

• 如果數據驗證成功，程序會通過串口輸出溫濕度數據。在此程序中，我們通過printf函數將結果打印到終端或調試工具。

7. 延時：

• 為了防止頻繁讀取，程序每隔1秒重新讀取一次DHT11傳感器數據。

七、常見問題及解決方案

在實際應用中，可能會遇到一些常見的問題，如數據不準確、無法讀取數據或校驗和錯誤等。以下是一些常見問題及解決方案：

1. 數據傳輸不穩(wěn)定：

• 如果數據傳輸過程中出現丟包或錯誤，可能是因為傳感器與STM8之間的連線不穩(wěn)定。檢查數據線的連接，確保DHT11的VCC和GND引腳正確連接，并且數據引腳沒有松動。

• 在數據線和STM8之間添加一個4.7kΩ的上拉電阻，這對于確保穩(wěn)定的數據傳輸非常重要。

2. 數據校驗失?。?/strong>

• 如果校驗和驗證失敗，可能是由于DHT11傳輸過程中發(fā)生了干擾或數據丟失。在這種情況下，可以嘗試增加延遲時間，或通過軟件重試機制來確保數據完整性。

3. 讀取速度過快：

• DHT11每次讀取后需要一定時間的冷卻期。通常，DHT11每秒只能提供一次測量數據，因此不建議每隔太短的時間讀取傳感器數據。增加讀取間隔時間可以提高穩(wěn)定性。

4. 溫濕度數據不準確：

• DHT11的精度較低，尤其在高濕度或低溫度環(huán)境中，測量的準確度可能會有所下降。如果需要更高精度的溫濕度數據，可以考慮使用其他傳感器，如DHT22。

八、總結

本篇文章詳細介紹了如何使用STM8單片機讀取DHT11溫濕度傳感器的數據。我們從硬件連接、軟件編程、數據讀取到數據校驗等方面進行了詳細的講解。STM8單片機通過GPIO引腳與DHT11傳感器進行單總線通信，完成了溫濕度數據的獲取與校驗，并通過串口輸出到終端。

在實際應用中，DHT11傳感器具有較低的精度和測量范圍，適合用于一些低成本的項目。若需要更高精度的溫濕度數據，可以考慮使用DHT22、SHT21等更高性能的傳感器。通過掌握這項技術，您可以將STM8單片機與各種傳感器連接，構建更多智能應用，提升物聯網項目的效果和效率。