DHT11单总线温湿度传感器在CW32F030C8T6开发板上的移植与驱动详解

DHT11单总线温湿度传感器在CW32F030C8T6开发板上的移植与驱动详解最近在做一个环境监测的小项目需要用到温湿度传感器DHT11这个老朋友自然就成了首选。它价格便宜、使用简单一根线就能搞定通信非常适合咱们嵌入式入门学习。这次我打算把它接到立创的CW32F030C8T6开发板上正好也带大家走一遍完整的驱动移植流程。很多刚接触嵌入式的小伙伴可能会觉得驱动一个传感器听起来很复杂又要看时序图又要写底层代码。其实只要把通信协议搞明白了剩下的就是按部就班的“翻译”工作。今天我就手把手教你怎么把DHT11的驱动代码在CW32平台上跑起来从原理到代码再到实际调试一个坑都不让你踩。1. 认识一下咱们的“主角”DHT11传感器在开始动手之前咱们先花几分钟了解一下DHT11到底是个啥以及它怎么工作。这能帮你更好地理解后面的代码。DHT11是一款数字输出的温湿度复合传感器。说人话就是它内部已经把模拟的温湿度信号转换成了数字信号咱们单片机直接读取就行不用自己再做复杂的模数转换。它的工作电压是3.3V到5.5V和咱们的开发板正好匹配。它最大的特点就是采用单总线通信。什么叫单总线就是发送数据、接收数据、甚至给传感器发指令全都通过一根数据线来完成。这根线平时必须被上拉电阻拉到高电平模块上一般已经集成了通信的时候再由主机单片机或者从机DHT11拉低来传递信号。这种设计非常节省单片机的IO口资源。它的测量范围和精度如下对于一般的室内环境监测完全够用测量参数量程分辨率精度湿度20% ~ 90% RH8 bit±5% RH温度0℃ ~ 50℃8 bit±2℃注意DHT11的湿度小数部分和温度小数部分在实际数据中湿度小数一直是0温度小数部分则有实际值。所以咱们通常看到的湿度是整数温度可能带一位小数。2. 核心原理搞懂单总线通信时序驱动DHT11最关键的就是严格按照它的“说话方式”——也就是通信时序来操作。你可以把它想象成两个人用摩斯电码对话必须遵守相同的时间规则否则就“听”不懂对方在说什么。一次完整的DHT11数据读取分为四个阶段起始信号、响应信号、数据传输和结束信号。下面我结合代码一步步拆解给你看。2.1 起始信号单片机先“打招呼”通信由单片机主机发起。首先单片机要把连接DHT11数据线的GPIO引脚配置为输出模式然后输出一个至少18毫秒的低电平。这个长时间的低电平就是告诉DHT11“我要开始读取数据了你准备好。”// 在DHT11_Read_Data函数中起始信号部分 DATA_GPIO_OUT(0); // 数据线输出低电平 delay_ms(19); // 保持低电平19ms略大于18ms确保可靠 DATA_GPIO_OUT(1); // 主机释放总线拉回高电平 delay_us(20); // 拉高后等待一小段时间这里有个细节输出完18ms低电平后主机会把引脚拉高20微秒左右然后就要立刻把引脚模式切换为输入模式准备接收DHT11的回复。这个切换动作在代码里是通过调用DHT11_GPIO_Mode_IN()函数实现的。2.2 响应信号DHT11说“收到”DHT11收到起始信号后会先拉低数据线大约80微秒作为应答意思是“我收到你的请求了”。接着它会再把数据线拉高80微秒表示“我马上要发数据了”。咱们的代码需要检测这两个电平变化DHT11_GPIO_Mode_IN(); // 数据线转为输入模式 // 等待DHT11拉低应答信号低电平 timeout 5000; while( (! DATA_GPIO_IN ) ( timeout 0 ) ) timeout--; // 等待DHT11再次拉高准备发送数据 timeout 5000; while( DATA_GPIO_IN ( timeout 0 ) ) timeout-- ;这里用了一个timeout超时变量来防止程序死等。如果超过一定时间电平还没变化就认为通信失败退出。这是一个很实用的防卡死技巧。2.3 数据传输接收40位数据这是最核心的部分。DHT11会一次性发送40位数据5个字节。每一位数据一个bit都用一种特定长度的电平组合来表示是0还是1。位数据‘0’54微秒低电平 27微秒高电平。位数据‘1’54微秒低电平 74微秒高电平。看出来了吗区分0和1的关键就在于高电平持续的时间长短。所以咱们的读取思路是等待每个bit开始的低电平过去后延时一小段时间比如28微秒再去检测此时数据线的电平状态。如果还是高电平说明高电平持续时间长是‘1’如果已经变回低电平了说明高电平持续时间短是‘0’。#define CHECK_TIME 28 // 这个时间很关键要介于27us和74us之间 for(i0; i40; i) // 循环接收40位数据 { timeout 5000; // 1. 先等待低电平过去每个bit都以54us低电平开始 while( ( !DATA_GPIO_IN ) (timeout 0) ) timeout--; // 2. 延时CHECK_TIME微秒后再采样电平 delay_us(CHECK_TIME); // 3. 判断当前电平 if ( DATA_GPIO_IN ) // 如果还是高电平说明是‘1’ { val (val 1) 1; // 左移一位末尾加1 } else // 如果是低电平说明是‘0’ { val val 1; // 左移一位末尾加0 } // 4. 等待这个bit剩余的高电平过去准备读下一位 timeout 5000; while( DATA_GPIO_IN (timeout 0) ) timeout-- ; }提示CHECK_TIME这个延时值需要根据你的单片机实际执行速度微调。理想值是略大于27us‘0’的高电平时间这样当读到‘0’时延时结束后电平已经变低读到‘1’时延时结束后电平仍为高。原文中实测28us可用。2.4 结束信号与数据校验40位数据发送完毕后DHT11会拉低数据线54微秒然后释放。咱们单片机在接收完所有数据后需要把引脚模式切换回输出模式并输出一个高电平完成一次通信。DHT11_GPIO_Mode_OUT(); // 切换为输出模式 DATA_GPIO_OUT(1); // 主机释放总线输出高电平接下来就是处理收到的40位数据了。这40位数据分为5个字节字节顺序数据内容说明字节1湿度整数部分例如35 表示 35%RH字节2湿度小数部分DHT11固定为0字节3温度整数部分例如24 表示 24℃字节4温度小数部分例如4 表示 0.4℃字节5校验和前4个字节相加结果的低8位为了保证数据在传输过程中没出错DHT11提供了一个简单的校验方法把前4个字节湿度高、湿度低、温度高、温度低相加得到的结果取低8位应该等于第5个字节校验和。代码是这么实现的// val 是64位变量存储了接收到的40位数据 // 计算前4个字节的和 verify_num (val32) (val24) (val16) (val8); // 减去接收到的校验和val的低8位 verify_num verify_num - (val 0xff); if( verify_num ) // 如果不为0说明校验失败 { return 0; // 返回0表示读取失败 } else // 校验成功 { // 解析出湿度和温度值 humidity (val32) 0xff; // 湿度整数 // 湿度小数部分固定为0这里省略计算 temperature (val16) 0x0000ff; // 温度整数 small_point (val8) 0x000000ff; // 温度小数 temperature temperature small_point * 0.1; // 组合成带小数的温度 return val8; // 返回未处理的原始数据可选 }3. 在CW32F030C8T6上动手实现原理搞清楚了现在咱们就在立创的CW32开发板上把它实现出来。我建议你跟着我一起新建工程、写代码这样印象更深刻。3.1 硬件连接首先把DHT11模块和开发板连起来非常简单就三根线DHT11模块引脚连接说明连接到CW32开发板VCC电源正极 (3.3V-5V)3.3V 或 5V 引脚GND电源地GND 引脚DATA单数据线任意GPIO引脚例PB0我这里选择的是GPIOB的第0号引脚PB0作为数据线。你完全可以根据自己板子的情况换成其他空闲的引脚只需要在代码里改一下宏定义就行。3.2 新建驱动文件在你的CW32工程里新建两个文件dht11.c和dht11.h。.c文件放所有函数实现.h文件放引脚定义和函数声明。先来看头文件dht11.h该怎么写#ifndef _BSP_DHT11_H_ #define _BSP_DHT11_H_ #include board.h // 包含CW32的板级支持包头文件 /************** 引脚配置在这里修改 ****************/ #define RCC_DHT11_GPIO_ENABLE() __RCC_GPIOB_CLK_ENABLE() // 使能GPIOB时钟 #define PORT_DHT11 CW_GPIOB // 端口号为B #define GPIO_DHT11 GPIO_PIN_0 // 引脚号为0 (PB0) // 设置DHT11数据引脚输出高或低电平的宏 #define DATA_GPIO_OUT(x) GPIO_WritePin(PORT_DHT11, GPIO_DHT11, x ? GPIO_Pin_SET : GPIO_Pin_RESET) // 获取DHT11数据引脚电平状态的宏 #define DATA_GPIO_IN GPIO_ReadPin(PORT_DHT11, GPIO_DHT11) // 声明全局变量用于存储读取到的温湿度值 extern float temperature; extern float humidity; // 函数声明 void DHT11_GPIO_Init(void); // 引脚初始化 unsigned int DHT11_Read_Data(void); // 读取传感器数据核心 float Get_temperature(void); // 获取温度值 float Get_humidity(void); // 获取湿度值 #endif这个头文件的关键是开头的几个宏定义。如果你想把数据线接到PA5引脚只需要把PORT_DHT11改成CW_GPIOAGPIO_DHT11改成GPIO_PIN_5并使能GPIOA的时钟即可非常灵活。3.3 编写核心驱动函数接下来是重头戏dht11.c。咱们把前面讲的时序用代码“翻译”出来。第一步GPIO初始化与模式切换函数DHT11通信过程中数据引脚需要在输出和输入模式之间切换。所以咱们写了三个函数// 初始化函数上电后调用一次配置引脚为输出并拉高 void DHT11_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; RCC_DHT11_GPIO_ENABLE(); // 使能时钟 GPIO_InitStruct.Pins GPIO_DHT11; GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出 GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_HIGH; GPIO_Init(PORT_DHT11, GPIO_InitStruct); DATA_GPIO_OUT(1); // 初始化为高电平 } // 切换为输出模式用于发送起始信号和结束信号 void DHT11_GPIO_Mode_OUT(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; GPIO_InitStruct.Pins GPIO_DHT11; GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_HIGH; GPIO_Init(PORT_DHT11, GPIO_InitStruct); } // 切换为输入模式用于接收响应和数据 void DHT11_GPIO_Mode_IN(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; GPIO_InitStruct.Pins GPIO_DHT11; GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_INPUT_PULLUP; // 上拉输入模式 GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_HIGH; GPIO_Init(PORT_DHT11, GPIO_InitStruct); }注意输入模式选择了GPIO_MODE_INPUT_PULLUP上拉输入。这是因为单总线要求空闲时为高电平使用内部上拉可以省去外部上拉电阻虽然模块上通常已经有了。第二步核心数据读取函数DHT11_Read_Data这个函数完整实现了我们之前分析的四个时序阶段。代码较长但结构很清晰发送起始信号输出低电平19ms。切换输入模式等待并检测DHT11的响应信号。循环40次读取每一位数据并组合成一个40位的数值。切换回输出模式释放总线。校验数据校验通过则解析出温湿度值存入全局变量并返回原始数据或成功标志。注意原文提供的代码中用于延时的delay_ms()和delay_us()函数需要你自己实现或者使用CW32固件库中提供的系统滴答定时器Systick延时函数。这是移植时常见的一个“坑”务必确保你的工程里有可用的微秒和毫秒级延时函数。第三步数据获取函数读取函数执行成功后温湿度值已经保存在全局变量temperature和humidity中了。我们提供两个简单的函数来获取它们float Get_temperature(void) { return temperature; } float Get_humidity(void) { return humidity; }4. 在主程序中调用与测试驱动写好了最后就是在主函数里调用它。思路很简单初始化 - 循环读取 - 打印显示。#include board.h #include stdio.h #include bsp_uart.h // 串口驱动头文件用于打印 #include dht11.h int32_t main(void) { board_init(); // 开发板初始化系统时钟、外设等 uart1_init(115200); // 初始化串口1波特率115200用于printf输出 DHT11_GPIO_Init(); // 初始化DHT11的GPIO引脚 delay_ms(1000); // 上电后等待传感器稳定 printf(DHT11 Demo Start\r\n); while(1) { // 读取一次传感器数据 if(DHT11_Read_Data()) // 如果读取成功返回值非0 { // 获取并打印温度、湿度值 printf(Temperature %.2f C\r\n, Get_temperature()); printf(Humidity %.2f %%RH\r\n, Get_humidity()); } else { printf(DHT11 Read Error!\r\n); } delay_ms(2000); // 每隔2秒读取一次 } }把代码编译下载到CW32开发板打开串口助手比如Putty、XCOM设置好对应的串口号和115200波特率你就能看到每隔2秒打印出来的温湿度数据了。5. 调试中可能遇到的坑与心得第一次移植成功你可能会很有成就感。但实际项目中可能会遇到数据读不出来或者读数不准的情况。这里分享几个我踩过的坑时序精度问题这是最大的坑。DHT11对时序要求比较严格尤其是微秒级的延时。delay_us(28)这个28微秒是关键。如果发现数据全是0或者校验总失败可以尝试微调这个值比如26或30。最好用逻辑分析仪或者示波器抓一下波形看看单片机实际产生的延时是多少。电源干扰DHT11对电源纹波比较敏感。如果电源质量不好可能导致通信失败。可以在VCC和GND之间加一个0.1uF的滤波电容。读取间隔DHT11两次测量之间需要至少1秒的间隔。如果你在循环里不停地调用DHT11_Read_Data()会发现后续的读取很容易失败。所以代码里我加了delay_ms(2000)保证每次读取间隔2秒以上。上拉电阻虽然模块自带了一个上拉电阻通常5-10K但如果通信距离较长或者干扰较大可以尝试在单片机引脚外部再串联一个几百欧姆的小电阻有助于改善信号质量。最后驱动传感器就像和它“对话”理解了它的“语言”时序剩下的就是耐心和细心。希望这篇教程能帮你顺利点亮DHT11当你看到串口里跳出正确的温湿度值时那种感觉是非常棒的。