STM32 DHT11 温湿度传感器驱动与通信协议解析

3.3 DHT11 通信时序说明

如下图为 DHT11 与微控制器 (主设备) 进行通信时的数据时序图。

3.4 主从通信步骤

主机和从机之间的通信可通过如下几个步骤完成（外设（如微处理器）读取 DHT11 的数据的步骤）。

1、DHT11 上电后等待 1s 稳定后处于输入状态，检测外部信号，此时总线空闲，默认拉高；

2、主机获取总线控制权，并拉低总线 18~30ms，随后释放总线。总线空闲，默认拉高;

3、DHT11 占据总线，拉低总线 83us，产生应答；接着拉高总线 87us，提示主机准备接收数据；

此时，对于主机来说，即检测总线是否拉低判断 DHT11 是否产生应答，接着若应答了，则继续等待 DHT1 应答信号结束，接着等待 DHT11 的拉高结束，完成响应信号的时序。

4、DHT 继续占据总线，开始连续发送 40 位数据。发送数据'0'，DHT11 先拉低总线 54us，再拉高总线 2327us；发送数据"1"，DHT11 先拉低总线 54us，再拉低总线 6874us，连续重复 40 次；

对于主机来说，即读取每一位数据，连续 8 次进而读取一字节数据，连续读取 5 次字节数据进而获取完整 40 位数据。所以理解读取一位数据的方法即可以此类推。

这个过程为：读取总线电平，等待总线拉低完成，接着延迟 30us 越过出现数据 0 的时序（便于同时进行数据 0 或 1 的接收），然后读取总线电平，若为低说明此时 DHT11 发送的确实是数据"1"，反之发送的是数据"0"，最后若为数据 1 则继续等待总线拉高完成，反之则一位数据读取结束。

5、DHT11 发送完 40 位数据后，会先拉低总线 54us 后自动释放总线，使总线空闲，默认拉高。

此时 DHT11 释放总线后，总线会处于空闲状态，此时需要等待 DHT11 内部重测温湿度数据并记录。故DHT11 产生停止信号后主机不必恢复占据空闲的总线，影响 DHT11 的数据记录以及后续的通信。此时让总线空闲，自由时序即可。

最后，主机记录好 40 位数据，并进行校验，没有问题说明接受的数据无误，串口输出数据即可。

3.5 注意事项

四、参考代码 (基于 STM32)

最后，我们基于 STM32 的寄存器方式编写一下 DHT11 的驱动代码，实现串口打印温湿度数据。

4.1 DHT11 驱动代码

1、dht11.h

/* @Descripttion: DHT11 驱动程序（寄存器方式） */
#ifndef __DHT11_H
#define __DHT11_H
#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"
#include "Delay.h"

// 数据线状态
#define DHT11_SDA_HIGH() {GPIOA->BSRR |= GPIO_BSRR_BR5;} // 拉高
#define DHT11_SDA_LOW() {GPIOA->BRR |= GPIO_BRR_BR5;}   // 拉低

// 读数据
#define DHT11_READ (GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR5) // 读电平

// 应答与非应答
#define ACK 0
#define NACK 1

// 输入输出模式
typedef enum {
    INPUT_MODE = 1,
    OUTPUT_MODE
}IOMode;

// 函数声明
void DHT11_Init(void);
void DHT11_SetIOMode(IOMode mode);
void DHT11_Start(void);
int8_t DHT11_Wait4Ack(void);
int8_t DHT11_ReadBit(void);
int8_t DHT11_ReadByte(void);
uint8_t DHT11_GetHumTemp(uint8_t *buffer);

#endif

2、dht11.c

/* @Descripttion: DHT11 驱动程序（寄存器方式） */
#include "dht11.h"

/**
 * @brief DHT11 初始化函数
 * @return None
 */
void DHT11_Init(void) {
    // 开漏输出 PA5 mode-11 cnf-01
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE5;
    GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF5_1;
    GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF5_0;
    DHT11_SDA_HIGH();
}

/**
 * @brief 设置 DHT11 引脚模式
 * @param mode: 输入模式或输出模式
 * @return None
 */
void DHT11_SetIOMode(IOMode mode) {
    switch (mode) {
        case INPUT_MODE:
            // 浮空输入
            GPIOA->CRL &= ~(GPIO_CRL_MODE5 | GPIO_CRL_CNF5_1);
            GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF5_0;
            break;
        case OUTPUT_MODE:
            // 开漏输出
            GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE5;
            GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF5_1;
            GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF5_0;
            break;
        default:
            break;
    }
}

/**
 * @brief 发送起始信号
 * @return None
 */
void DHT11_Start(void) {
    // 1. 主机占用总线
    DHT11_SetIOMode(OUTPUT_MODE);
    // 2. SDA 拉低，发出起始信号
    DHT11_SDA_LOW();
    Delay_ms(20);
    // 3. 主机释放总线
    DHT11_SDA_HIGH();
    DHT11_SetIOMode(INPUT_MODE);
    Delay_us(20);
}

/**
 * @brief 等待 DHT11 响应
 * @return ACK 表示成功，NACK 表示失败
 * @attention 利用循环等待结束，避免延时超过或提前造成时序差错
 */
int8_t DHT11_Wait4Ack(void) {
    // 1. 出现应答信号
    if (!DHT11_READ) {
        // 2. 等待 DHT11 拉低应答完成
        while (!DHT11_READ);
        // 3. 等待 DHT11 拉高完成，准备接收数据
        while (DHT11_READ);
        return ACK;
    }
    return NACK;
}

/**
 * @brief 读取一个位的数据
 * @return 读取到的位值 (0 或 1)
 * @attention 利用循环等待结束，避免延时超过或提前造成时序差错
 */
int8_t DHT11_ReadBit(void) {
    int8_t bit = 0x00;
    // 1. 等待总线低电平结束
    while (!DHT11_READ);
    // 2. 延时后接收数据
    Delay_us(28);
    if (DHT11_READ) {
        bit = 1;
        // 3. 等待总线高电平结束
        while (DHT11_READ);
    } else {
        bit = 0;
    }
    return bit;
}

/**
 * @brief 读取一个字节的数据
 * @return 读取到的字节值
 */
int8_t DHT11_ReadByte(void) {
    int8_t byte = 0x00;
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        byte <<= 1;
        byte |= (DHT11_ReadBit() & 0x01);
    }
    return byte;
}

/**
 * @brief 获取温湿度数据
 * @param buffer: 存储数据的缓冲区
 * @return 1 表示成功，0 表示失败
 * @attention DHT11 自动释放总线，不用手动干预，且逻辑非的判断可能影响时序
 */
uint8_t DHT11_GetHumTemp(uint8_t *buffer) {
    // 发送起始信号并等待响应
    DHT11_Start();
    if (DHT11_Wait4Ack() == NACK) {
        return NACK; // 响应失败
    }
    // 读取 5 个字节的数据
    for (uint8_t i = 0; i < 5; i++) {
        buffer[i] = DHT11_ReadByte();
    }
    // 校验数据
    return (buffer[0] + buffer[1] + buffer[2] + buffer[3] == buffer[4]) ? 1 : 0;
}

4.2 主函数代码

/* @Descripttion: 串口打印 DHT11 测量的温湿度数据（基于寄存器实现） */
// DHT11 对时序要求比较严格，需要严格按照指定时序接收数据
// 时序模拟过程中尽可能减少无关指令
/* 引脚定义
DHT11: VCC ---> 3.3/5V
       DATA ---> PA5
       GND ---> GND
CH340: 5V ---> 5V
       GND ---> GND
       TX ---> PA10
       RX ---> PA9
*/
#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"
#include "dht11.h"

int main(void) {
    uint8_t DHT11_Data[5] = {0}; // 存储温湿度数据的缓冲区
    uint8_t readRes;             // 读取结果标志
    USART_Init();
    DHT11_Init();
    while (1) {
        // 读取温湿度数据
        readRes = DHT11_GetHumTemp(DHT11_Data);
        if (readRes) {
            // 数据读取成功，打印结果
            printf("Read Success!\r\n");
            printf("---------------------\r\n");
            printf("humidity: %d.%d %%RH \r\n", DHT11_Data[0], DHT11_Data[1]);
            printf("temperature: %d.%d C \r\n", DHT11_Data[2], DHT11_Data[3]);
            for (uint8_t i = 0; i < 5; i++) {
                printf("DHT11_Data[%d] = %d\n", i, *(DHT11_Data + i));
            }
            printf("CRC: 0x%02X \r\n", DHT11_Data[4]);
        } else {
            // 数据读取失败
            printf("Check Connected!\r\n");
        }
        printf("---------------------\r\n");
        // 每 3 秒读取一次
        Delay_ms(3000);
    }
}

4.3 测试效果

参考资料

DHT11 奥松-ASAIR_PDF_数据手册 | 电容式温湿度传感器模块