CH32V307驱动单总线温湿度传感器DHT22

只看该作者 · 2022-12-13 22:14

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@21小跑堂
手头有一个DHT22温湿度传感器和CH32V307开发板，可玩性极强。DHT22是已校准的数字温湿度传感器，用于检测环境温湿度，采用DHT22(AM2302)，标准单总线接口。拥有比常见的DHT11更高的精度和更大的量程。

DHT22产品主要特性如下：
工作电压： 3.3V-5.5V
湿度分辨率： 0.1%RH
湿度测量范围： 0%RH ~ 99.9%RH
湿度测量误差： ±2%RH (25°C)
温度分辨率： 0.1°C
温度测量范围： -40°C ~ 80°C
温度测量误差： ±0.5℃

DHT22传感器有3个引脚，功能如下：
VCC：电源正（3.3V-5.5V）
GND：电源地
DOUT：通信端口

DHT22器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由数据线完成。单总线通常要求外接一个约 5.1kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。SDA 用于微处理器与 AM2302 之间的通讯和同步,采用单总线数据格式，一次传送 40 位数据，高位先出。具体通信时序如图所示:

DHT22通信格式说明：
起始信号: 微处理器把数据总线（SDA）拉低一段时间(至少800μs)[1]，通知传感器准备数据。
响应信号: 传感器把数据总线（SDA）拉低80μs，再接高80μs以响应主机的起始信号。
数据格式: 收到主机起始信号后，传感器一次性从数据总线（SDA）串出40位数据，高位先出。
湿度: 湿度分辨率是16Bit，高位在前；传感器串出的湿度值是实际湿度值的10倍。
温度: 温度分辨率是16Bit，高位在前；传感器串出的温度值是实际温度值的10倍；温度最高位（Bit15）等于1表示负温度，温度最高位（Bit15）等
于0表示正温度；温度除了最高位（Bit14~Bit0）表示温度值。
校验位＝湿度高位+湿度低位+温度高位+温度低位。

单总线通信时序
用户主机（MCU）发送一次起始信号（把数据总线 SDA 拉低至少 800µs）后， DHT22从休眠模式转换到高速模式。待主机开始信号结束后，DHT22发送响应信号，从数据总线 SDA 串行送出 40Bit的数据，先发送字节的高位；发送的数据依次为湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位、校验位，发送数据结束触发一次信息采集，采集结束传感器自动转入休眠模式，直到下一次通信来临。

设计一个结构体用来存放温湿度数据：

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typedef struct

{

    float hum;

    float temp;

} DHT_data;



typedef struct {

    GPIO_TypeDef *DHT_Port; 

    uint16_t DHT_Pin;       

} DHT_sensor;

外设读取步骤
主机和传感器之间的通信可通过如下三个步骤完成读取数据。
步骤一：
DHT22上电后（ DHT22上电后要等待 2S 以越过不稳定状态，在此期间读取设备不能发送任何指令），测试环境温湿度数据，并记录数据，此后传感器自动转入休眠状态。 DHT22的 SDA 数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平，此时 AM2302 的 SDA 引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。
设置CH32V307 IO为输出模式的代码如下：

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static void goToOutput(DHT_sensor *sensor)

{

   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

   lineUp();



  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = sensor->DHT_Pin;

  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;



  GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

  GPIO_Init(sensor->DHT_Port, &GPIO_InitStruct);

}

设置CH32V307 IO为上拉输入模式的代码如下：

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static void goToInput(DHT_sensor *sensor)

{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};



  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = sensor->DHT_Pin;

  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;

  GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

  GPIO_Init(sensor->DHT_Port, &GPIO_InitStruct);

}

步骤二：
微处理器的 I/O 设置为输出，同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于 800us，典型值是拉低 1MS，然后微处理器的 I/O 设置为输入状态，释放总线，由于上拉电阻，微处理器的 I/O 即DHT22的 SDA 数据线也随之变高，等主机释放总线后，DHT22发送响应信号，即输出 80 微秒的低电平作为应答信号，紧接着输出 80 微秒的高电平通知外设准备接收数据，信号传输如图所示：

步骤三：
DHT22 发送完响应后，随后由数据总线 SDA 连续串行输出 40 位数据，微处理器根据 I/O 电平的变化接收 40 位数据。位数据“0”的格式为： 50 微秒的低电平加 26-28 微秒的高电平；位数据“1”的格式为： 50 微秒的低电平加 70 微秒的高电平；位数据“0”、位数据“1”格式信号如图所示：

DHT22的数据总线 SDA 输出 40 位数据后，继续输出低电平 50 微秒后转为输入状态，由于上拉电阻随之变为高电平。同时 DHT22内部重测环境温湿度数据，并记录数据，测试记录结束，单片机自动进入休眠状态。单片机只有收到主机的起始信号后，才重新唤醒传感器，进入工作状态。
温湿度数据读取函数设计如下：

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DHT_data DHT_getData(DHT_sensor *sensor)

{

    DHT_data data = {-128.0f, -128.0f};



    goToOutput(sensor);

    lineDown();

    Delay(18);

    lineUp();

    goToInput(sensor);



    uint16_t timeout = 0;

    while(getLine())

    {

        timeout++;

        if (timeout > DHT_TIMEOUT)

        {

            return data;

        }

    }

    timeout = 0;



    while(!getLine())

    {

        timeout++;

        if (timeout > DHT_TIMEOUT)

        {

            return data;

        }

    }

    timeout = 0;

    while(getLine())

    {

        timeout++;

        if (timeout > DHT_TIMEOUT)

        {

            return data;

        }

    }



    uint8_t rawData[5] = {0,0,0,0,0};

    for(uint8_t a = 0; a < 5; a++)

    {

        for(uint8_t b = 7; b != 255; b--)

        {

            uint16_t hT = 0, lT = 0;

            while(!getLine() && lT != 65535) lT++;

            timeout = 0;

            while(getLine()&& hT != 65535) hT++;

            if(hT > lT) rawData[a] |= (1<<b);

        }

    }



    if((uint8_t)(rawData[0] + rawData[1] + rawData[2] + rawData[3]) == rawData[4])

    {

        data.hum = (float)(((uint16_t)rawData[0]<<8) | rawData[1])*0.1f;

        if(!(rawData[2] & (1<<7)))

        {

            data.temp = (float)(((uint16_t)rawData[2]<<8) | rawData[3])*0.1f;

        }

        else

        {

            rawData[2] &= ~(1<<7);

            data.temp = (float)(((uint16_t)rawData[2]<<8) | rawData[3])*-0.1f;

        }

    }



    return data;

}

DHT22传感器读单总线的流程图示意图如图所示：

主程序设计，初始化串口打印，初始化IO结构体：

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int main(void)

{

    Delay_Init();

    USART_Printf_Init(115200);

    printf("SystemClk:%d\r\n",SystemCoreClock);



    DHT_sensor dht = {GPIOE, GPIO_Pin_6};

    while(1)

    {

      DHT_data d = DHT_getData(&dht);

      printf("Temp %2.1f°C, Hum %2.1f%%\r\n", d.temp, d.hum);

      Delay_Ms(1000);

    }

线路连接，将DHT22数据线连接到PE6管脚：

运行结果：

完整dht.h代码：

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#ifndef DHT_H_

#define DHT_H_



#include "debug.h"



#define DHT_TIMEOUT                 100000



typedef struct

{

    float hum;

    float temp;

} DHT_data;



typedef struct {

    GPIO_TypeDef *DHT_Port; 

    uint16_t DHT_Pin;       

} DHT_sensor;



DHT_data DHT_getData(DHT_sensor *sensor);



#endif

完整dht.c代码：

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#include "dht.h"



#define lineDown()      GPIO_ResetBits(sensor->DHT_Port, sensor->DHT_Pin)

#define lineUp()        GPIO_SetBits(sensor->DHT_Port, sensor->DHT_Pin)

#define getLine()       GPIO_ReadInputDataBit(sensor->DHT_Port, sensor->DHT_Pin)

#define Delay(d)        Delay_Ms(d)



static void goToOutput(DHT_sensor *sensor)

{

   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

   lineUp();



  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = sensor->DHT_Pin;

  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;



  GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

  GPIO_Init(sensor->DHT_Port, &GPIO_InitStruct);

}



static void goToInput(DHT_sensor *sensor)

{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};



  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = sensor->DHT_Pin;

  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;

  GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

  GPIO_Init(sensor->DHT_Port, &GPIO_InitStruct);

}



DHT_data DHT_getData(DHT_sensor *sensor)

{

    DHT_data data = {-128.0f, -128.0f};



    goToOutput(sensor);

    lineDown();

    Delay(18);

    lineUp();

    goToInput(sensor);



    uint16_t timeout = 0;

    while(getLine())

    {

        timeout++;

        if (timeout > DHT_TIMEOUT)

        {

            return data;

        }

    }

    timeout = 0;



    while(!getLine())

    {

        timeout++;

        if (timeout > DHT_TIMEOUT)

        {

            return data;

        }

    }

    timeout = 0;

    while(getLine())

    {

        timeout++;

        if (timeout > DHT_TIMEOUT)

        {

            return data;

        }

    }



    uint8_t rawData[5] = {0,0,0,0,0};

    for(uint8_t a = 0; a < 5; a++)

    {

        for(uint8_t b = 7; b != 255; b--)

        {

            uint16_t hT = 0, lT = 0;

            while(!getLine() && lT != 65535) lT++;

            timeout = 0;

            while(getLine()&& hT != 65535) hT++;

            if(hT > lT) rawData[a] |= (1<<b);

        }

    }



    if((uint8_t)(rawData[0] + rawData[1] + rawData[2] + rawData[3]) == rawData[4])

    {

        data.hum = (float)(((uint16_t)rawData[0]<<8) | rawData[1])*0.1f;

        if(!(rawData[2] & (1<<7)))

        {

            data.temp = (float)(((uint16_t)rawData[2]<<8) | rawData[3])*0.1f;

        }

        else

        {

            rawData[2] &= ~(1<<7);

            data.temp = (float)(((uint16_t)rawData[2]<<8) | rawData[3])*-0.1f;

        }

    }



    return data;

}

CH32V307驱动单总线温湿度传感器DHT22

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