STM8單片機(jī)讀取DHT11溫濕度傳感器

一、引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。溫濕度傳感器是其中重要的一類傳感器，它能夠?qū)崟r(shí)檢測環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)。DHT11是一款常見的數(shù)字式溫濕度傳感器，具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)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(jī)作為ST公司推出的一款低功耗、高性能的微控制器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家居自動化和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。本篇文章將詳細(xì)介紹如何使用STM8單片機(jī)讀取DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，包括硬件連接、軟件編程及其實(shí)現(xiàn)原理。

二、DHT11溫濕度傳感器介紹

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

DHT11的主要參數(shù)：

• 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(shù)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(shè)備（如STM8單片機(jī)）通信，通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)包包含溫度、濕度的整數(shù)和小數(shù)部分，以及校驗(yàn)和。

三、STM8單片機(jī)概述

STM8單片機(jī)是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）推出的一系列8位微控制器，具有豐富的外設(shè)、低功耗和高性價(jià)比的特點(diǎn)。STM8單片機(jī)采用STM8內(nèi)核，支持多種通信協(xié)議，包括I2C、SPI、UART等，且具有多個(gè)定時(shí)器、PWM輸出、模擬輸入等功能。STM8系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于家庭自動化、工業(yè)控制、汽車電子等領(lǐng)域。

STM8系列單片機(jī)的關(guān)鍵特點(diǎn)：

• 內(nèi)核：8位，時(shí)鐘頻率最大可達(dá)24MHz

• 內(nèi)存：多種內(nèi)存配置，從1KB Flash到64KB Flash不等

• 外設(shè)：支持I2C、SPI、UART、GPIO等多種外設(shè)接口

• 功耗：低功耗設(shè)計(jì)，適合電池供電應(yīng)用

四、硬件連接

要使用STM8單片機(jī)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(jī)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)引腳，傳輸溫濕度數(shù)據(jù)

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(jī)之間通過單總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此，數(shù)據(jù)線連接的GPIO引腳需要支持?jǐn)?shù)字輸入輸出（如PA0、PB0等）。在接線過程中，建議在DHT11的數(shù)據(jù)引腳和STM8的數(shù)據(jù)引腳之間串聯(lián)一個(gè)4.7kΩ的上拉電阻，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

五、軟件設(shè)計(jì)

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

1. 初始化

在程序開始時(shí)，我們首先需要初始化STM8的GPIO引腳。以PA0為數(shù)據(jù)傳輸引腳，我們需要將其配置為輸出模式，并發(fā)送一個(gè)起始信號來啟動數(shù)據(jù)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(jī)發(fā)送一個(gè)至少18ms的低電平信號，作為起始信號。在STM8單片機(jī)上，我們可以通過延時(shí)函數(shù)實(shí)現(xiàn)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(shí)20ms
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0); // 拉高PA0引腳

3. 等待DHT11響應(yīng)

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

// 等待DHT11響應(yīng)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(shù)據(jù)

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

uint8_t ReadByte(void) {
    uint8_t byte = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        // 等待低電平結(jié)束
        while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == RESET);
        
        // 等待高電平
        TimerStart();
        while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == SET);
        
        // 計(jì)算高電平時(shí)長，判斷是0還是1
        if (TimerElapsed() > 40) { // 判斷高電平持續(xù)時(shí)間
            byte |= (1 << (7 - i)); // 設(shè)置為1
        }
    }
    return byte;
}

5. 校驗(yàn)和

DHT11數(shù)據(jù)傳輸完成后，會發(fā)送一個(gè)校驗(yàn)和，校驗(yàn)和是前面?zhèn)鬏數(shù)臐穸群蜏囟葦?shù)據(jù)字節(jié)按位相加的低8位。我們需要對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的正確性。

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

6. 完整程序

完整的程序代碼包括初始化、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)讀取和校驗(yàn)等部分。通過程序，我們可以實(shí)現(xiàn)從DHT11傳感器讀取溫度和濕度數(shù)據(jù)，并在串口輸出。

#include "stm8s.h"

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

// 讀取數(shù)據(jù)
uint8_t ReadByte(void) {
    uint8_t byte = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        // 等待低電平結(jié)束
        while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == RESET);
        
        // 等待高電平
        TimerStart();
        while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0) == SET);
        
        // 計(jì)算高電平時(shí)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(shí)20ms，DHT11要求至少18ms
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0); // 拉高PA0
        
        // 等待DHT11響應(yīng)
        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(jié)束
        
        // 讀取濕度數(shù)據(jù)
        humidity1 = ReadByte();
        humidity2 = ReadByte();
        
        // 讀取溫度數(shù)據(jù)
        temperature1 = ReadByte();
        temperature2 = ReadByte();
        
        // 讀取校驗(yàn)和
        checksum = ReadByte();
        
        // 校驗(yàn)數(shù)據(jù)
        if (checksum == (humidity1 + humidity2 + temperature1 + temperature2)) {
            // 輸出溫度和濕度數(shù)據(jù)
            printf("Humidity: %d.%d%%, Temperature: %d.%d°C
", humidity1, humidity2, 
            temperature1, temperature2);
        } else {
            // 校驗(yàn)和錯(cuò)誤，重新讀取
            printf("Data error, retrying...
");
        }
        
        // 延時(shí)1秒鐘
        Delay_ms(1000);
    }
}

六、程序解析

在上述代碼中，我們進(jìn)行了如下操作：

1. GPIO初始化：

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

• 在接收數(shù)據(jù)時(shí)，將PA0設(shè)置為輸入模式，讀取DHT11傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾獥l件。

3. 等待DHT11響應(yīng)：

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

4. 讀取數(shù)據(jù)：

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

• 為了確保數(shù)據(jù)的正確性，我們讀取濕度、溫度和校驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

5. 數(shù)據(jù)校驗(yàn)：

• 在讀取到濕度、溫度和校驗(yàn)和數(shù)據(jù)后，我們通過計(jì)算濕度和溫度字節(jié)之和，來驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性。如果校驗(yàn)和匹配，說明數(shù)據(jù)正確，可以進(jìn)行后續(xù)處理；如果校驗(yàn)和不匹配，則重新獲取數(shù)據(jù)。

6. 輸出數(shù)據(jù)：

• 如果數(shù)據(jù)驗(yàn)證成功，程序會通過串口輸出溫濕度數(shù)據(jù)。在此程序中，我們通過printf函數(shù)將結(jié)果打印到終端或調(diào)試工具。

7. 延時(shí)：

• 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(shù)據(jù)。

七、常見問題及解決方案

在實(shí)際應(yīng)用中，可能會遇到一些常見的問題，如數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、無法讀取數(shù)據(jù)或校驗(yàn)和錯(cuò)誤等。以下是一些常見問題及解決方案：

1. 數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定：

• 如果數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)丟包或錯(cuò)誤，可能是因?yàn)閭鞲衅髋cSTM8之間的連線不穩(wěn)定。檢查數(shù)據(jù)線的連接，確保DHT11的VCC和GND引腳正確連接，并且數(shù)據(jù)引腳沒有松動。

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

2. 數(shù)據(jù)校驗(yàn)失?。?/strong>

• 如果校驗(yàn)和驗(yàn)證失敗，可能是由于DHT11傳輸過程中發(fā)生了干擾或數(shù)據(jù)丟失。在這種情況下，可以嘗試增加延遲時(shí)間，或通過軟件重試機(jī)制來確保數(shù)據(jù)完整性。

3. 讀取速度過快：

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

4. 溫濕度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)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(zhǔn)確度可能會有所下降。如果需要更高精度的溫濕度數(shù)據(jù)，可以考慮使用其他傳感器，如DHT22。

八、總結(jié)

本篇文章詳細(xì)介紹了如何使用STM8單片機(jī)讀取DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)。我們從硬件連接、軟件編程、數(shù)據(jù)讀取到數(shù)據(jù)校驗(yàn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的講解。STM8單片機(jī)通過GPIO引腳與DHT11傳感器進(jìn)行單總線通信，完成了溫濕度數(shù)據(jù)的獲取與校驗(yàn)，并通過串口輸出到終端。

在實(shí)際應(yīng)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(xiàng)目。若需要更高精度的溫濕度數(shù)據(jù)，可以考慮使用DHT22、SHT21等更高性能的傳感器。通過掌握這項(xiàng)技術(shù)，您可以將STM8單片機(jī)與各種傳感器連接，構(gòu)建更多智能應(yīng)用，提升物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的效果和效率。