簡(jiǎn)易環(huán)境溫濕度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

蔡明　鄧萍　唐軍

本文利用溫濕度傳感器DHT11和STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易簡(jiǎn)易環(huán)境溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，并利用PC機(jī)上的串口調(diào)試助手軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了顯示。

1引言

在日常辦公教學(xué)中，大部分的活動(dòng)都在室內(nèi)完成，在夏天溫度較高的時(shí)候，需要對(duì)室內(nèi)開(kāi)空調(diào)進(jìn)行降溫處理，以保證教學(xué)活動(dòng)的順利進(jìn)行，故室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)于我校教室空調(diào)的使用，起到了決策依據(jù)的作用。因此，快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出環(huán)境溫濕度，具有重要意義。

本文利用溫濕度傳感器DHT11和STM32單片機(jī)進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)，并從節(jié)約成本的角度出發(fā)，考慮實(shí)際使用的便利，利用PC機(jī)上的串口調(diào)試助手完成數(shù)據(jù)顯示。

2硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用DHT11完成溫濕度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)單總線傳送到STM32單片機(jī)上，再利用STM32的USART0與PC進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)通過(guò)PC上的串口調(diào)試助手顯示出來(lái)。

DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20～90%RH，溫度0～50℃，其接口為4引腳封裝，1腳VDD供電，2腳為單總線的DATA串行數(shù)據(jù)引腳，在本設(shè)計(jì)中，DATA引腳接STM32的PE0進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，3腳為NC空腳，4腳為電源地。

STM32單片機(jī)是ST公司生產(chǎn)的Cortex-M3內(nèi)核ARM單片機(jī)，多應(yīng)用在高性能、低成本、低功耗的嵌入式設(shè)計(jì)中，本設(shè)計(jì)采用的型號(hào)為STM32F103VET6，經(jīng)過(guò)PLL的9倍頻，可以運(yùn)行在72MHz的時(shí)鐘頻率上。

由于STM32的USART0通信引腳（PA9和PA10）無(wú)法直接和PC進(jìn)行通信，因此在STM32和PC之間還需要一個(gè)串口轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)是設(shè)計(jì)DHT11的驅(qū)動(dòng)，如前所述，DHT11是單總線器件，通過(guò)DATA與STM32進(jìn)行通信，每次只能傳送1bit數(shù)據(jù)，而依據(jù)DHT11數(shù)據(jù)手冊(cè)，一次完整的通信包括40bit，即5byte數(shù)據(jù)。40bit數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)，先傳輸高位信號(hào)，再傳低位信號(hào)，當(dāng)40bit傳送完成，在STM32內(nèi)存變量中，將用5個(gè)byte變量存放其數(shù)據(jù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)組bufer[5]來(lái)存儲(chǔ)。當(dāng)一次正確的數(shù)據(jù)傳輸完成后，bufer[0]存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為濕度的整數(shù)部分，bufer[1]存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為濕度的小數(shù)部分；bufer[2]存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為溫度的整數(shù)部分，bufer[3]存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為溫度的整數(shù)部分。定義的5個(gè)字節(jié)數(shù)組還剩下了一個(gè)bufer[4]，為校驗(yàn)字節(jié)，用于指示傳送數(shù)據(jù)是否正確，其判定根據(jù)為：如果bufer[4]=buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]，那么整個(gè)流程傳送過(guò)程正確，否則錯(cuò)誤。

由于DHT11單總線傳輸數(shù)據(jù)，因此，除了設(shè)計(jì)接收好字節(jié)數(shù)據(jù)的處理之外，更重要的是依據(jù)其時(shí)序圖，設(shè)計(jì)基本的字節(jié)傳送驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

在傳輸過(guò)程中，首先由STM32發(fā)起開(kāi)始信號(hào)，開(kāi)始信號(hào)發(fā)送完成后，STM32延時(shí)等待20us～40us，再讀取DH11T的DATA單總線的回應(yīng)信號(hào)，如果讀取的值為0，即說(shuō)明DHT11發(fā)送了回應(yīng)信號(hào)，否則就判定沒(méi)有接收到DHT11的響應(yīng)信號(hào)，需重由STM32重新對(duì)DHT11發(fā)送開(kāi)始信號(hào)。下面就傳送過(guò)程中的起始信號(hào)、響應(yīng)信號(hào)、位“0”，位“1”進(jìn)行闡述。

3.1起始信號(hào)、響應(yīng)信號(hào)

結(jié)合STM32程序設(shè)計(jì)來(lái)講起始信號(hào)的過(guò)程，首先將STM32對(duì)應(yīng)的端口配置為推挽輸出模式，然后將DATA端口置0，即PE0輸出0，輸出0的時(shí)間至少要為18ms以上，程序中設(shè)計(jì)選擇為20ms；延時(shí)20ms時(shí)間到了之后，將數(shù)據(jù)端口DATA置1，再延時(shí)30us，至此由STM32發(fā)出的起始信號(hào)完成，系統(tǒng)進(jìn)去等待DHT11響應(yīng)階段。

在響應(yīng)過(guò)程階段，STM32首先應(yīng)該將DATA端口PE0的端口方向改為浮空輸入，然后再去讀取端口PE0的值。DHT11正常響應(yīng)會(huì)將DATA端口數(shù)據(jù)先拉低40～80us，然后再拉高40～80us，設(shè)計(jì)STM32程序，如果檢測(cè)上上述過(guò)程，則認(rèn)為響應(yīng)信號(hào)正常，進(jìn)入信號(hào)傳輸階段，否則就認(rèn)為無(wú)響應(yīng)，返回響應(yīng)失敗標(biāo)志。

當(dāng)由STM32發(fā)出的起始信號(hào)得到DHT11正確的響應(yīng)信號(hào)后，系統(tǒng)即進(jìn)入讀取數(shù)據(jù)階段。在此階段主要是由DHT11發(fā)出的高電平脈沖時(shí)間來(lái)判定就是總線傳輸數(shù)據(jù)是0還是1，如圖5所示，如果傳送的是0，那么其高電平時(shí)間將在其高電平時(shí)間將在28us以下，如果傳送的是1，那么其高電平時(shí)間在70us左右。因此，在程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)檢測(cè)到DATA信號(hào)為1開(kāi)始計(jì)時(shí)，40us延時(shí)以后，再去讀取DATA的值，如果此時(shí)讀取的值為0，那么說(shuō)明傳送的值為0，否則為1。

這樣的操作將會(huì)連續(xù)進(jìn)行40次，將其存儲(chǔ)到bufer寄存器里邊，當(dāng)40次完成后，即可利用前述字節(jié)出來(lái)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到溫度與濕度。

由于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是采集溫濕度信息，為空調(diào)開(kāi)啟提供依據(jù)，因此，并不需要很高的精度，從化簡(jiǎn)程序出發(fā)，我們只保留了溫濕度的整數(shù)信息，即buffer[0]表示濕度，buffer[1]表示溫度。

采集到的信號(hào)通過(guò)STM32的USART1發(fā)送給PC機(jī)，USART1配置成波特率為9600，數(shù)據(jù)長(zhǎng)8bit，停止位為1bit，無(wú)校驗(yàn)位的格式。

4系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，我們利用單片機(jī)小系統(tǒng)板、DHT11傳感器模塊和PC進(jìn)行了調(diào)試，實(shí)驗(yàn)證明，可以在PC機(jī)上正確顯示出數(shù)據(jù)。

5結(jié)語(yǔ)

本文利用溫濕度傳感器DHT11，STM32小系統(tǒng)板實(shí)現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)的測(cè)量，并利用PC串口助手進(jìn)行的溫濕度信息顯示，經(jīng)過(guò)測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王志宏，白翠珍.基于DHT11的實(shí)驗(yàn)室多點(diǎn)溫濕度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2011（04）.

[2]張衛(wèi)星，張桂香，譚成午.基于STM32的環(huán)境多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014（10）.

作者簡(jiǎn)介：

蔡明（1977—），男，漢族，宜賓，宜賓市骨干教師，中教一級(jí)，長(zhǎng)期從事中學(xué)教學(xué)與管理工作，參與多項(xiàng)教學(xué)改革課題。