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基于stm32的太空人温湿度时钟项目——DHT11(HAL库)

    **项目介绍:**本项目属于**复合型**项目,主要包括的功能模块有**RTC时钟**,**OLED动态显示**,**DHT11温湿度传感器**。稍作修改可以作为一级菜单界面等使用,本文将会详细讲解各部分原理与编程思路,文章末尾会有**源码开源(HAL库)。**

    **硬件设备:**STM32F103C8T6,OLED,HDT11

   ** 硬件实物图:**

     **效果图:**

** 引脚连接:**

OLED:

VCC --> 3.3V

GND --> GND

SCL --> PB10

SDA --> PB11

DHT11:

DATA --> PA9

VCC --> 3.3V

GND --> GND

一、 DHT11简介

1.1 DTH11概念与介绍

    DHT11 是广州奥松有限公司生产的一款**湿温度一体**化的数字传感器。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****(DATA引脚)**,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。**(正常使用3.3V即可)

工作电压范围:3.5V-5.5V
工作电流 :平均 0.5mA
湿度测量范围:20-90%RH
温度测量范围:0-50℃
湿度分辨率 :1%RH 8 位
温度分辨率 :1℃ 8 位
采样周期 :1S
单总线结构
与 TTL 兼容(5V)

    **注意事项:**DTH11由于物理与化学结构性质,是比较容易损坏的,需要尽量远离恶劣坏境进行工作测量。如果实在不小心,对DHT1传感器造成了破坏,读者可以去网上搜索一下修复教程进行抢救一下。

实物图:

1.2 DTH11工作原理

    前文有提到:DTH11传感器只具有3根引脚,所以是**单总线**进行通讯(DATA),为了方便读者对于通讯原理与编程的同步高效率理解。关于时序的通讯方式将在本文**代码段部分**逐个详细讲解。

   ** 单片机读取数据**

** DHT11数字湿温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(5个字节=40Bit)组成。数据分小数部分整数部分**,具体格式在下面说明。一次完整的数据传输为40bit,高位先出。

校验方式:校验和数据为前四个字节相加。

    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。如果,某次从传感器中读取如下5Byte数据:

由以上数据就可得到湿度和温度的值,计算方法:
humi (湿度)= byte4 . byte3=45.0 (%RH)
temp (温度)= byte2 . byte1=28.0 ( ℃)
jiaoyan(校验)= byte4+ byte3+ byte2+ byte1=73(=humi+temp)(校验正确)
注意:DHT11一次通讯时间最大3ms,主机连续采样间隔建议不小于100ms。(这一点在时序编程的时候也会经常体现出来)

if(data[0] + data[1] + data[2] + data[3] == data[4])
{
   //执行程序
}

** ** 时序部分是笔者认为DHT11最为重要的部分,结合代码与文字描述可能会让读者有更好的理解,读者可以调至下文代码段进行学习。

二、RTC简介

    **RTC**(Real Time Clock)即实时时钟,RTC究其本质还是一个**定时器**(独立的定时器)。RTC模块拥有一个**连续计数的计数器**,在相应的软件配置下,可以提供时钟**日历的功能**。修改计数器的值可以重新设置当前时间和日期 RTC还包含用于管理**低功耗模式**的**自动唤醒单元**。

断电情况下 RTC仍可以独立运行 只要芯片的备用电源一直供电,RTC上的时间会一直走。(部分最小系统板是没有芯片备用电源的,所以不一定都可以掉电仍然计时)

    其拥有的两个 32 位寄存器包含**二进码十进数格式 (BCD)** 的秒、分钟、小时( 12 或 24 小时制)、星期几、日期、月份和年份。此外,还可提供二进制格式的亚秒值。系统可以自动将月份的天数补偿为 28、29(闰年)、30 和 31 天。

RCT特征:

● 可编程的预分频系数:分频系数高为220
● 32位的可编程计数器,可用于较长时间段的测量。
● 2个分离的时钟:用于APB1接口的PCLK1和RTC时钟(RTC时钟的频率必须小于PCLK1时钟 频率的四分之一以上)。
● 可以选择以下三种RTC的时钟源
● HSE时钟除以128;
LSE振荡器时钟;(比较常用的)
● LSI振荡器时钟

2个独立的复位类型:
● APB1接口由系统复位;
● RTC核心(预分频器、闹钟、计数器和分频器)只能由后备域复位

3个专门的可屏蔽中断
● 1.闹钟中断,用来产生一个软件可编程的闹钟中断。

 ● 2.秒中断,用来产生一个可编程的周期性中断信号(长可达1秒)。

 ● 3.溢出中断,指示内部可编程计数器溢出并回转为0的状态。

RTC时钟源:

三种不同的时钟源可被用来驱动系统时钟(SYSCLK):

    ● **HSI振荡器时钟**
     ● **HSE振荡器时钟**
     ● **PLL时钟**

CubexMX时钟树下的选择:

三、OLED简介与使用

    关于OLED的使用与原理不熟悉的笔者欢迎去笔者另一篇文章学习【强烈推荐】基于stm32的OLED各种显示实现(含动态图)_混分巨兽龙某某的博客-CSDN博客

四、CubexMX配置

** 1、RCC配置外部高速晶振(精度更高)——HSE;RTC时钟选择:LSE;**

     **2、SYS配置:Debug设置成Serial Wire**(**否则可能导致芯片自锁**);

     **3、GPIO配置:PA9设置为普通输出(DHT11的DATA接线引脚);**

    ** 4、RTC配置:年月日,时分秒;**

** 5、TIM2配置:由上面可知DHT11的使用需要us级的延迟函数,HAL库自带只有ms的,所以需要自己设计一个定时器;**

** 6、I2C2配置:作为OLED的通讯方式;**

     **7、时钟树配置**

** 8、工程配置**

五、代码部分

5.1 DTH11代码:

    要编写出DHT11温湿度传感器的程序代码,需要从**DHT11时序图**来分析:

    如下图所示,用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从**低功耗模式**转换到**高速模式**,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出**40bit的数据**,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集。**采集数据后转换到低速模式**。

总结:DHT11的代码实现总共分为6个部分

    1、DTH11——DATA引脚配置

    2、DHT11复位函数(即MCU发出起始信号)

    3、DHT11检查函数

    4、读取DHT11一位数据(返回值0/1)

    5、读取一个字节(返回值:读到的数据)

    6、读取显示温湿度传感器数据

5.1.1 配置输入输出

** 由于DHT11温湿度传感器采用了单总线通讯的方式,所以DATA引脚连接的PB9必须既要设置成输入也要设置成输出。**

/**
  * @brief  设置引脚模式
  * @param  mode: 0->out, 1->in
  * @retval None
  */
static void DHT11_GPIO_MODE_SET(uint8_t mode)
{
    if(mode)
    {
        /*  输入  */
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;                   //  9号引脚
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;             //  输入模式
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;                 //  上拉输入
        HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    }
    else 
    {
        /*  输出  */
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
        GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_9;                //  9号引脚
        GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;      //  Push Pull 推挽输出模式
        GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP;              //  上拉输出
        GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;    //  高速
        HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
    }
}

5.1.2 DHT11复位函数

    复位DHT11就是发送**DHT11起始信号**,告诉传感器通讯开始。**起始信号**要求主机MCU先将总线PB9拉为**低电平**持续**至少18ms(这里设置20ms)**,随后主机MCU将总线PB9设置为**高电平**持续**20~40us(这里取中间值30us,HAL库中没有us,这里需要TIM2定时器制作一个延迟函数)**![](https://img-blog.csdnimg.cn/bc3e59fdfbdc4b70ae9d08e465a3c581.png)​

us延迟函数:

/**
  * @brief  定时器延时us,Prescaler -> 32-1
  * @param  us: <= 65535
  * @retval None
  */
void Tims_delay_us(uint16_t nus)
{
    __HAL_TIM_SET_COUNTER(DLY_TIM_Handle, 0);
    __HAL_TIM_ENABLE(DLY_TIM_Handle);
    while (__HAL_TIM_GET_COUNTER(DLY_TIM_Handle) < nus)
    {
    }
    __HAL_TIM_DISABLE(DLY_TIM_Handle);
}

DTH11复位函数(起始):

/**
  * @brief  温湿度传感器启动信号发送
  * @param  void
  * @retval None
  */
void DHT11_START(void)
{
    DHT11_GPIO_MODE_SET(0);                         //  主机设置为输出模式
    
    DHT11_PIN_RESET;                                //  主机拉低电平
    
    HAL_Delay(20);                                  //  主机等待 18 < ms > 30
    
    DHT11_GPIO_MODE_SET(1);                         //  主机设置为输入模式,等待DHT11答应
}                                                   //  因为设置了上拉输入,GPIO -> 1

5.1.3 DHT11检查函数

    **检查DHT11是否正常**,正常的话会在单片机发送起始信号完成后,**传感器返回80us低电平**,**然后发送80us高电平**。即证明DHT11工作正常,该函数工作正常返回0,否则返回1,该函数中利用了while循环检测在一定时间内的电平变化,此类用法在后面也会经常用到。(笔者这里采用了**另一种检查DHT11**是否正常的方式,就是**直接延迟40us**,虽然读取**PB9引脚**的数值,为1则正常,为0则重启DHT11即可)

/**
  * @brief  检测温湿度传感器是否存在(检测DHT11的应答信号)
  * @param  void
  * @retval 0/1
  */
unsigned char DHT11_Check(void)
{
    Tims_delay_us(40);
    if(DHT11_READ_IO == 0)                          //  检测到DHT11应答
    {
        return 1;
    }
    else                                            //  检测到DHT11不应答
    {
        return 0;
    }
}

** 5.1.4 读取DHT11一位数据**

    这里延时**40us后判断引脚电平**,来判断该位**数据为1或0**。之所以是40微秒是因为传感器数字0的信号持续时间为**26-28us。**同时,从笔者日常实验中发现,DHT11中最好不要频繁使用延迟函数取可以检验DHT11是否正常工作,**很有可能造成死机或者数据为0。**
/**
  * @brief  读取一位数据 1bit
  * @param  void
  * @retval 0/1
  */
unsigned char DHT11_READ_BIT(void)
{
    while(!DHT11_READ_IO);                          //  过度数据的低电平 
    
    Tims_delay_us(40);                              //  过度数据的高电平
    
    if(DHT11_READ_IO)                               //  此时如果还为高电平则数据为 1
    {
        while(DHT11_READ_IO);                       //  过度数据的高电平
        return 1;
    }   
    else                                            //  若此时为低则为 0
    {
        return 0;
    }
}

5.1.5 读取一个字节

    循环读入一个字节的数据,并将每一步新加入的数据放置在最低位。
/**
  * @brief  读取一个字节数据 1byte / 8bit
  * @param  void
  * @retval temp
  */
unsigned char DHT11_READ_BYTE(void)
{
    uint8_t i,temp = 0;                             //  暂时存储数据
    
    for(i=0; i<8 ;i++)
    {
        temp <<= 1;                                 
        if(DHT11_READ_BIT())                        //  1byte -> 8bit
        {
            temp |= 1;                              //  0000 0001
        }
    }
    return temp;
}

5.1.6 读取显示温湿度传感器数据

    读取数据将数据存入数组,这里仅保留了温度数据的整数位,注意数据较验方法,**校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据 +8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位**。
/**
  * @brief  读取温湿度传感器数据 5byte / 40bit
  * @param  void
  * @retval 0/1/2
  */
unsigned char DHT11_READ_DATA(void)
{
    uint8_t i;
    uint8_t data[5] = {0};
    
    DHT11_START();                                  //  主机发送启动信号
    
    if(DHT11_Check())                               //  如果DHT11应答     
    {  
        while(!DHT11_READ_IO);                      //  过度DHT11答复信号的低电平
        while(DHT11_READ_IO);                       //  过度DHT11答复信号的高电平
        
        for(i=0; i<5; i++)
        {                        
            data[i] = DHT11_READ_BYTE();            //  读取 5byte
        }
        
        if(data[0] + data[1] + data[2] + data[3] == data[4])
        {
            //显示温度
            OLED_ShowCN_STR(0,4,0,2);
            OLED_ShowStr(32,4,":",2);
            OLED_ShowNum(40,4,data[2],2,16);
            OLED_ShowCN_STR(59,4,4,1);
                    
            //显示湿度
            OLED_ShowCN_STR(0,6,2,2);
            OLED_ShowStr(32,6,":",2);
            OLED_ShowNum(40,6,data[0],2,16);
            OLED_ShowStr(59,6,"HR",2);
            return 1;                               //  数据校验通过
        }
        else
        {
            return 0;                               //  数据校验失败
        }
    }
    else                                            //  如果DHT11不应答
    {
        return 2;
    }
}

DHT11.C总代码:

#include "dht11.h"
#include "oled.h" 
 
/**
  * @brief  温湿度传感器主函数
  * @param  void
  * @retval None
  */
void DHT11(void)
{
    DHT11_READ_DATA();
    HAL_Delay(50);                       // 预设一定缓冲
}
 
/**
  * @brief  温湿度传感器启动信号发送
  * @param  void
  * @retval None
  */
void DHT11_START(void)
{
    DHT11_GPIO_MODE_SET(0);                         //  主机设置为输出模式
    
    DHT11_PIN_RESET;                                //  主机拉低电平
    
    HAL_Delay(20);                                  //  主机等待 18 < ms > 30
    
    DHT11_GPIO_MODE_SET(1);                         //  主机设置为输入模式,等待DHT11答应
}                                                   //  因为设置了上拉输入,GPIO -> 1
 
/**
  * @brief  读取一位数据 1bit
  * @param  void
  * @retval 0/1
  */
unsigned char DHT11_READ_BIT(void)
{
    while(!DHT11_READ_IO);                          //  过度数据的低电平 
    
    Tims_delay_us(40);                              //  过度数据的高电平
    
    if(DHT11_READ_IO)                               //  此时如果还为高电平则数据为 1
    {
        while(DHT11_READ_IO);                       //  过度数据的高电平
        return 1;
    }   
    else                                            //  若此时为低则为 0
    {
        return 0;
    }
}
 
/**
  * @brief  读取一个字节数据 1byte / 8bit
  * @param  void
  * @retval temp
  */
unsigned char DHT11_READ_BYTE(void)
{
    uint8_t i,temp = 0;                             //  暂时存储数据
    
    for(i=0; i<8 ;i++)
    {
        temp <<= 1;                                 
        if(DHT11_READ_BIT())                        //  1byte -> 8bit
        {
            temp |= 1;                              //  0000 0001
        }
    }
    return temp;
}
 
/**
  * @brief  读取温湿度传感器数据 5byte / 40bit
  * @param  void
  * @retval 0/1/2
  */
unsigned char DHT11_READ_DATA(void)
{
    uint8_t i;
    uint8_t data[5] = {0};
    
    DHT11_START();                                  //  主机发送启动信号
    
    if(DHT11_Check())                               //  如果DHT11应答     
    {  
        while(!DHT11_READ_IO);                      //  过度DHT11答复信号的低电平
        while(DHT11_READ_IO);                       //  过度DHT11答复信号的高电平
        
        for(i=0; i<5; i++)
        {                        
            data[i] = DHT11_READ_BYTE();            //  读取 5byte
        }
        
        if(data[0] + data[1] + data[2] + data[3] == data[4])
        {
            //显示温度
            OLED_ShowCN_STR(0,4,0,2);
            OLED_ShowStr(32,4,":",2);
            OLED_ShowNum(40,4,data[2],2,16);
            OLED_ShowCN_STR(59,4,4,1);
                    
            //显示湿度
            OLED_ShowCN_STR(0,6,2,2);
            OLED_ShowStr(32,6,":",2);
            OLED_ShowNum(40,6,data[0],2,16);
            OLED_ShowStr(59,6,"HR",2);
            return 1;                               //  数据校验通过
        }
        else
        {
            return 0;                               //  数据校验失败
        }
    }
    else                                            //  如果DHT11不应答
    {
        return 2;
    }
}
 
/**
  * @brief  检测温湿度传感器是否存在(检测DHT11的应答信号)
  * @param  void
  * @retval 0/1
  */
unsigned char DHT11_Check(void)
{
    Tims_delay_us(40);
    if(DHT11_READ_IO == 0)                          //  检测到DHT11应答
    {
        return 1;
    }
    else                                            //  检测到DHT11不应答
    {
        return 0;
    }
}
 
/**
  * @brief  设置引脚模式
  * @param  mode: 0->out, 1->in
  * @retval None
  */
static void DHT11_GPIO_MODE_SET(uint8_t mode)
{
    if(mode)
    {
        /*  输入  */
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;                   //  9号引脚
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;             //  输入模式
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;                 //  上拉输入
        HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    }
    else 
    {
        /*  输出  */
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
        GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_9;                //  9号引脚
        GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;      //  Push Pull 推挽输出模式
        GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP;              //  上拉输出
        GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;    //  高速
        HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
    }
}
 
/**
  * @brief  定时器延时us,Prescaler -> 32-1
  * @param  us: <= 65535
  * @retval None
  */
void Tims_delay_us(uint16_t nus)
{
    __HAL_TIM_SET_COUNTER(DLY_TIM_Handle, 0);
    __HAL_TIM_ENABLE(DLY_TIM_Handle);
    while (__HAL_TIM_GET_COUNTER(DLY_TIM_Handle) < nus)
    {
    }
    __HAL_TIM_DISABLE(DLY_TIM_Handle);
}

DTH11.H代码:

#ifndef __DHT11_H__
#define __DHT11_H__
 
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "gpio.h"
#include "stdio.h"
#include "tim.h"
#include "stm32f1xx.h"
 
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
#define DHT11_PIN_SET   HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_SET)                                            //  ??GPIO??
#define DHT11_PIN_RESET HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_RESET)                                          //  ??GPIO??
#define DHT11_READ_IO   HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_9)                                                          //  DHT11 GPIO??
 
#define DLY_TIM_Handle (&htim2)                                                                                     //  ?????
 
 
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
 
/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
 
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void DHT11(void);
void DHT11_START(void);
unsigned char DHT11_READ_BIT(void);
unsigned char DHT11_READ_BYTE(void);
unsigned char DHT11_READ_DATA(void);
unsigned char DHT11_Check(void);
static void DHT11_GPIO_MODE_SET(uint8_t mode);
void Tims_delay_us(uint16_t nus);
void delay_us(uint16_t nus);
    
#endif

5.2 RTC代码:

void RTC_display()                //RTC显示函数
      /* Get the RTC current Time */
      HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &GetTime, RTC_FORMAT_BIN);
      /* Get the RTC current Date */
      HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &GetData, RTC_FORMAT_BIN);
    
        /* Display date Format : yy/mm/dd */
        OLED_ShowNum(0,0,2000+GetData.Year,4,16);            //year
        OLED_ShowStr(35,30,".",2);
        OLED_ShowNum(45,0,GetData.Month,2,16);                //month
        OLED_ShowStr(60,30,".",2);
        OLED_ShowNum(70,0,GetData.Date,2,16);                //date
    
        /* Display time Format : hh:mm:ss */
        OLED_ShowNum(0,2,GetTime.Hours,2,16);                //hour
        OLED_ShowStr(20,2,":",2);    
        OLED_ShowNum(30,2,GetTime.Minutes,2,16);            //min
        OLED_ShowStr(47,2,":",2);    
        OLED_ShowNum(58,2,GetTime.Seconds,2,16);            //seconds
}

5.3 OLED代码:

    篇幅有限如果大家不熟悉,这里推荐大家取看一下本人另一篇文章【强烈推荐】基于stm32的OLED各种显示实现(含动态图)_混分巨兽龙某某的博客-CSDN博客

5.4 main函数代码:

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C2_Init();
  MX_RTC_Init();
  MX_TIM2_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
    OLED_Init();
    OLED_CLS();
    HAL_Delay(1000);           //★这里的延迟务必加上,这是为了等待DHT11信号稳定,一定要加!!!
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
        
        RTC_display();        //RTC显示函数
        DHT11();
        OLED_DrawGIF(75,2,127,8,36,370,BMP2);            
        
  }

六、项目效果

太空人RTC与温湿度DTH11显示

代码开源:

** 链接:https://pan.baidu.com/s/192-91-wpF6vWSILJJerf2w 提取码:8uyc**

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