STM32 HAL实现DHT11采集温湿度

一、引言

在嵌入式系统开发中，温度数据的采集是一个常见的需求。DHT11 是一款低成本、易于使用的数字温湿度传感器，它可以同时测量温度和湿度，并通过单总线协议将数据传输给微控制器。STM32F407 是一款性能强大的 ARM Cortex - M4 内核微控制器，结合 STM32 的 HAL（Hardware Abstraction Layer）库，可以方便地实现与 DHT11 的通信，完成温度数据的采集。

二、DHT11 传感器介绍

2.1 基本特性

• 测量范围：温度范围为 0 - 50℃，湿度范围为 20 - 90% RH。
• 精度：温度精度为 ±2℃，湿度精度为 ±5% RH。
• 分辨率：温度和湿度的分辨率均为 1℃和 1% RH。
• 接口：单总线数字接口，通信简单。

2.2 引脚说明

DHT11 传感器通常有 4 个引脚，分别是 VCC（电源正极）、GND（电源负极）、DATA（数据传输线）和一个未使用的引脚。

2.3 数据格式

DHT11 一次传输 40 位数据，数据格式为：8 位湿度整数部分 + 8 位湿度小数部分 + 8 位温度整数部分 + 8 位温度小数部分 + 8 位校验和。在实际应用中，DHT11 的湿度小数部分和温度小数部分通常为 0。校验和用于验证数据的准确性，其值等于前 4 个 8 位数据之和的低 8 位。

三、DHT11 通信时序理解

3.1 起始信号

• 主机发送起始信号：STM32F407 作为主机，需要先发送一个起始信号来启动一次数据采集。主机将 DATA 引脚拉低至少 18ms，然后拉高 20 - 40μs。
• 传感器响应信号：DHT11 检测到起始信号后，会拉低 DATA 引脚 80μs 表示响应，然后再拉高 80μs 准备发送数据。

3.2 数据传输

• 数据位的表示：DHT11 通过 DATA 引脚的高低电平持续时间来表示数据位。高电平持续时间约为 26 - 28μs 表示逻辑 0，高电平持续时间约为 70μs 表示逻辑 1。
• 数据传输过程：DHT11 依次发送 40 位数据，主机需要在每个数据位的高电平期间进行采样，判断该位是逻辑 0 还是逻辑 1。

四、STM32F407 HAL 库配置

4.1 硬件连接

将 DHT11 的 VCC 引脚连接到 STM32F407 的 3.3V 电源，GND 引脚连接到地，DATA 引脚连接到 STM32F407 的一个 GPIO 引脚（例如 PA0）。

4.2 CubeMX 配置

• 创建新项目：打开 STM32CubeMX，选择 STM32F407 芯片型号，创建一个新的工程。
• 配置 GPIO：在 Pinout 视图中，将 PA0 引脚配置为 GPIO_Output 和 GPIO_Input（因为在通信过程中需要切换引脚的输入输出模式）。
• 配置时钟：根据需要配置系统时钟，确保系统正常运行。
• 生成代码：点击 “Project” -> “Generate Code” 生成基于 HAL 库的代码。

4.3 代码实现

4.3.1 定义宏和全局变量

#define DHT11_PIN GPIO_PIN_0
#define DHT11_PORT GPIOA

uint8_t dht11_data[5];

4.3.2 延时函数

由于 DHT11 的时序对延时要求较高，需要实现精确的延时函数。可以使用 SysTick 定时器来实现微秒级延时。

void delay_us(uint32_t us)
{
    uint32_t start = SysTick->VAL;
    uint32_t reload = SysTick->LOAD;
    uint32_t ticks = us * (SystemCoreClock / 1000000);

    while ((start - SysTick->VAL) % (reload + 1) < ticks);
}

4.3.3 发送起始信号

void dht11_start(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(DHT11_PORT, DHT11_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(20);  // 拉低至少18ms
    HAL_GPIO_WritePin(DHT11_PORT, DHT11_PIN, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(30);   // 拉高20 - 40μs
}

4.3.4 等待传感器响应

uint8_t dht11_wait_response(void)
{
    uint8_t timeout = 0;

    // 等待传感器拉低
    while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == GPIO_PIN_SET)
    {
        delay_us(1);
        timeout++;
        if (timeout > 100)
            return 1;  // 超时
    }

    timeout = 0;
    // 等待传感器拉高
    while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == GPIO_PIN_RESET)
    {
        delay_us(1);
        timeout++;
        if (timeout > 100)
            return 1;  // 超时
    }

    return 0;
}

4.3.5 读取一位数据

uint8_t dht11_read_bit(void)
{
    uint8_t timeout = 0;

    // 等待高电平
    while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == GPIO_PIN_RESET)
    {
        delay_us(1);
        timeout++;
        if (timeout > 100)
            return 0;  // 超时
    }

    delay_us(40);  // 等待40μs

    if (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == GPIO_PIN_SET)
    {
        // 等待高电平结束
        while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == GPIO_PIN_SET)
        {
            delay_us(1);
            timeout++;
            if (timeout > 100)
                return 0;  // 超时
        }
        return 1;
    }
    else
    {
        return 0;
    }
}

4.3.6 读取一个字节数据

uint8_t dht11_read_byte(void)
{
    uint8_t byte = 0;
    uint8_t i;

    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        byte <<= 1;
        byte |= dht11_read_bit();
    }

    return byte;
}

4.3.7 读取 DHT11 数据

uint8_t dht11_read_data(void)
{
    uint8_t i;
    uint8_t checksum;

    dht11_start();
    if (dht11_wait_response())
        return 1;  // 响应超时

    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        dht11_data[i] = dht11_read_byte();
    }

    checksum = dht11_data[0] + dht11_data[1] + dht11_data[2] + dht11_data[3];
    if (checksum != dht11_data[4])
        return 1;  // 校验和错误

    return 0;
}

4.3.8 主函数

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();

    while (1)
    {
        if (dht11_read_data() == 0)
        {
            uint8_t temperature = dht11_data[2];
            // 处理温度数据
            // ...
        }
        HAL_Delay(2000);  // 每2秒采集一次数据
    }
}

五、代码解释

5.1 延时函数

delay_us 函数使用 SysTick 定时器来实现微秒级延时。通过计算 SysTick 定时器的计数值和时钟频率，实现精确的延时。

5.2 起始信号发送

dht11_start 函数将 DATA 引脚拉低至少 18ms，然后拉高 20 - 40μs，启动一次数据采集。

5.3 响应等待

dht11_wait_response 函数等待 DHT11 的响应信号，检测 DATA 引脚的高低电平变化。如果超时，则返回错误。

5.4 数据读取

dht11_read_bit 函数读取一位数据，通过检测高电平的持续时间判断该位是逻辑 0 还是逻辑 1。dht11_read_byte 函数读取一个字节数据，通过循环调用 dht11_read_bit 函数实现。

5.5 数据校验

dht11_read_data 函数读取 40 位数据，并计算校验和。如果校验和不匹配，则返回错误。

六、注意事项

• 电源稳定性：DHT11 对电源稳定性要求较高，建议在 VCC 和 GND 之间添加一个 0.1μF 的去耦电容。
• 通信速率：DHT11 的通信速率较低，建议每次采集数据的间隔时间不少于 2 秒。
• 抗干扰：在实际应用中，可能会受到外界干扰，导致数据读取错误。可以通过增加滤波电容、使用屏蔽线等方式提高抗干扰能力。

七、总结

通过以上步骤，我们可以基于 STM32F407 HAL 库实现 DHT11 温度数据的采集。理解 DHT11 的通信时序是实现数据采集的关键，通过精确的延时和引脚操作，可以确保数据的准确读取。同时，在实际应用中需要注意电源稳定性、通信速率和抗干扰等问题，以提高系统的可靠性。

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