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[单片机芯片] CH32V307驱动单总线温湿度传感器DHT22

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 楼主| dql2015 发表于 2022-12-13 22:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
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传感, 传感器, 单总线, 总线, 温湿度
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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:
11.png
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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  1. typedef struct
    

  2. {
    

  3.     float hum;
    

  4.     float temp;
    

  5. } DHT_data;
    


  6. 

  7. typedef struct {
    

  8.     GPIO_TypeDef *DHT_Port; 
    

  9.     uint16_t DHT_Pin;       
    

  10. } 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：
复制
  1. static void goToOutput(DHT_sensor *sensor)
    

  2. {
    

  3.    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    

  4.    lineUp();
    


  5. 

  6.   GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = sensor->DHT_Pin;
    

  7.   GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    


  8. 

  9.   GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    

  10.   GPIO_Init(sensor->DHT_Port, &GPIO_InitStruct);
    

  11. }
设置CH32V307 IO为上拉输入模式的代码如下：
复制
  1. static void goToInput(DHT_sensor *sensor)
    

  2. {
    

  3.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    


  4. 

  5.   GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = sensor->DHT_Pin;
    

  6.   GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    

  7.   GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    

  8.   GPIO_Init(sensor->DHT_Port, &GPIO_InitStruct);
    

  9. }

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：

22.png

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：

33.png

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：
复制
  1. DHT_data DHT_getData(DHT_sensor *sensor)
    

  2. {
    

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


  4. 

  5.     goToOutput(sensor);
    

  6.     lineDown();
    

  7.     Delay(18);
    

  8.     lineUp();
    

  9.     goToInput(sensor);
    


  10. 

  11.     uint16_t timeout = 0;
    

  12.     while(getLine())
    

  13.     {
    

  14.         timeout++;
    

  15.         if (timeout > DHT_TIMEOUT)
    

  16.         {
    

  17.             return data;
    

  18.         }
    

  19.     }
    

  20.     timeout = 0;
    


  21. 

  22.     while(!getLine())
    

  23.     {
    

  24.         timeout++;
    

  25.         if (timeout > DHT_TIMEOUT)
    

  26.         {
    

  27.             return data;
    

  28.         }
    

  29.     }
    

  30.     timeout = 0;
    

  31.     while(getLine())
    

  32.     {
    

  33.         timeout++;
    

  34.         if (timeout > DHT_TIMEOUT)
    

  35.         {
    

  36.             return data;
    

  37.         }
    

  38.     }
    


  39. 

  40.     uint8_t rawData[5] = {0,0,0,0,0};
    

  41.     for(uint8_t a = 0; a < 5; a++)
    

  42.     {
    

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

  44.         {
    

  45.             uint16_t hT = 0, lT = 0;
    

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

  47.             timeout = 0;
    

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

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

  50.         }
    

  51.     }
    


  52. 

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

  54.     {
    

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

  56.         if(!(rawData[2] & (1<<7)))
    

  57.         {
    

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

  59.         }
    

  60.         else
    

  61.         {
    

  62.             rawData[2] &= ~(1<<7);
    

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

  64.         }
    

  65.     }
    


  66. 

  67.     return data;
    

  68. }


DHT22传感器读单总线的流程图示意图如图所示：

44.png

主程序设计，初始化串口打印，初始化IO结构体：
复制
  1. int main(void)
    

  2. {
    

  3.     Delay_Init();
    

  4.     USART_Printf_Init(115200);
    

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


  6. 

  7.     DHT_sensor dht = {GPIOE, GPIO_Pin_6};
    

  8.     while(1)
    

  9.     {
    

  10.       DHT_data d = DHT_getData(&dht);
    

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

  12.       Delay_Ms(1000);
    

  13.     }

线路连接，将DHT22数据线连接到PE6管脚：

微信图片_20221213220621.jpg

运行结果：
屏幕截图 2022-12-13 220452.png

完整dht.h代码：
复制
  1. #ifndef DHT_H_
    

  2. #define DHT_H_
    


  3. 

  4. #include "debug.h"
    


  5. 

  6. #define DHT_TIMEOUT                 100000
    


  7. 

  8. typedef struct
    

  9. {
    

  10.     float hum;
    

  11.     float temp;
    

  12. } DHT_data;
    


  13. 

  14. typedef struct {
    

  15.     GPIO_TypeDef *DHT_Port; 
    

  16.     uint16_t DHT_Pin;       
    

  17. } DHT_sensor;
    


  18. 

  19. DHT_data DHT_getData(DHT_sensor *sensor);
    


  20. 

  21. #endif


完整dht.c代码：
复制
  1. #include "dht.h"
    


  2. 

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

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

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

  6. #define Delay(d)        Delay_Ms(d)
    


  7. 

  8. static void goToOutput(DHT_sensor *sensor)
    

  9. {
    

  10.    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    

  11.    lineUp();
    


  12. 

  13.   GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = sensor->DHT_Pin;
    

  14.   GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    


  15. 

  16.   GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    

  17.   GPIO_Init(sensor->DHT_Port, &GPIO_InitStruct);
    

  18. }
    


  19. 

  20. static void goToInput(DHT_sensor *sensor)
    

  21. {
    

  22.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    


  23. 

  24.   GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = sensor->DHT_Pin;
    

  25.   GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    

  26.   GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    

  27.   GPIO_Init(sensor->DHT_Port, &GPIO_InitStruct);
    

  28. }
    


  29. 

  30. DHT_data DHT_getData(DHT_sensor *sensor)
    

  31. {
    

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


  33. 

  34.     goToOutput(sensor);
    

  35.     lineDown();
    

  36.     Delay(18);
    

  37.     lineUp();
    

  38.     goToInput(sensor);
    


  39. 

  40.     uint16_t timeout = 0;
    

  41.     while(getLine())
    

  42.     {
    

  43.         timeout++;
    

  44.         if (timeout > DHT_TIMEOUT)
    

  45.         {
    

  46.             return data;
    

  47.         }
    

  48.     }
    

  49.     timeout = 0;
    


  50. 

  51.     while(!getLine())
    

  52.     {
    

  53.         timeout++;
    

  54.         if (timeout > DHT_TIMEOUT)
    

  55.         {
    

  56.             return data;
    

  57.         }
    

  58.     }
    

  59.     timeout = 0;
    

  60.     while(getLine())
    

  61.     {
    

  62.         timeout++;
    

  63.         if (timeout > DHT_TIMEOUT)
    

  64.         {
    

  65.             return data;
    

  66.         }
    

  67.     }
    


  68. 

  69.     uint8_t rawData[5] = {0,0,0,0,0};
    

  70.     for(uint8_t a = 0; a < 5; a++)
    

  71.     {
    

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

  73.         {
    

  74.             uint16_t hT = 0, lT = 0;
    

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

  76.             timeout = 0;
    

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

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

  79.         }
    

  80.     }
    


  81. 

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

  83.     {
    

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

  85.         if(!(rawData[2] & (1<<7)))
    

  86.         {
    

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

  88.         }
    

  89.         else
    

  90.         {
    

  91.             rawData[2] &= ~(1<<7);
    

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

  93.         }
    

  94.     }
    


  95. 

  96.     return data;
    

  97. }


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21小跑堂 打赏了 30.00 元 2022-12-19
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21小跑堂
DHT22是较为常用单总线（1-Wire）传感器，对速度要求较低且可节约IO资源，在实际设计中较为常用。作者使用CH32V307开发板轻松采集DHT22的温湿度并进行串口打印，整体实现效果较好，继续加油  发表于 2022-12-19 11:08

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