原標題：基于 DHT11 的溫濕度檢測（原理圖+代碼）

基于 DHT11 的溫濕度檢測系統

基于 DHT11 的溫濕度檢測系統是一種成本效益高且易于實現的方案，廣泛應用于環境監測、智能家居、農業大棚等領域。它能夠實時獲取當前環境的溫度和濕度數據，并通過微控制器進行處理和顯示。本設計將詳細闡述其工作原理、核心元器件的選擇與功能、完整的硬件電路圖以及相應的軟件代碼實現。

1. DHT11 溫濕度傳感器介紹

1.1 DHT11 傳感器概述

DHT11 是一款常用的數字溫濕度復合傳感器，由一顆經過校準的數字信號輸出的溫濕度傳感器和一個單片機連接。它采用專有的數字信號采集技術和溫濕度傳感技術，確保了產品的高可靠性與長期穩定性。DHT11 具有響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等特點。

1.2 DHT11 工作原理

DHT11 內部集成了一個電容式濕度傳感器和一個 NTC（負溫度系數）熱敏電阻。

• 濕度測量： DHT11 采用電容式濕度傳感器。傳感器的濕度敏感材料在吸收水蒸氣后，介電常數會發生變化，導致電容值隨之變化。DHT11 內部的 ASIC（專用集成電路）會將這個電容值的變化轉換為數字信號輸出。

• 溫度測量： 溫度測量則利用 NTC 熱敏電阻的特性。NTC 熱敏電阻的電阻值會隨著溫度的升高而降低。DHT11 內部的 ADC（模數轉換器）會將熱敏電阻的模擬電壓信號轉換為數字信號，進而得到溫度值。

DHT11 傳感器與微控制器之間采用單總線通信方式。傳感器每次數據傳輸 40 位數據，高位在前，包括 16 位濕度數據（整數部分 8 位，小數部分 8 位）、16 位溫度數據（整數部分 8 位，小數部分 8 位）以及 8 位校驗和。校驗和用于驗證數據傳輸的正確性，即濕度整數部分 + 濕度小數部分 + 溫度整數部分 + 溫度小數部分 = 校驗和。

1.3 DHT11 主要參數

• 供電電壓： 3.3V - 5.5V

• 測量范圍：

• 濕度：20% - 90% RH (±5% RH)

• 溫度：0°C - 50°C (±2°C)

• 分辨率：

• 濕度：1% RH

• 溫度：1°C

• 響應時間： 2秒

• 功耗： 測量時約 2.5mA，待機時 100μA - 150μA

• 引腳定義：

• VCC：供電電源

• DATA：數據引腳（需要接上拉電阻）

• NC：空引腳

• GND：接地

2. 系統硬件設計與元器件選型

一個完整的基于 DHT11 的溫濕度檢測系統通常包括微控制器、DHT11 傳感器、顯示模塊以及必要的輔助電路。

2.1 微控制器（MCU）

微控制器是整個系統的核心，負責控制 DHT11 傳感器的數據讀取、處理、以及將數據顯示到屏幕上。

• 優選元器件型號： STMicroelectronics STM32F103C8T6 或 Arduino UNO (基于 ATmega328P)。

• 為什么選擇：

• STM32F103C8T6： 這是一款基于 ARM Cortex-M3 內核的 32 位微控制器，具有高性能、低功耗和豐富的外設資源，如多個定時器、UART、SPI、I2C、ADC 等。它適用于需要更高處理能力和更復雜功能的項目，且其開發生態系統成熟，資料豐富。

• Arduino UNO (ATmega328P)： 對于初學者和簡單的項目，Arduino UNO 是一個極好的選擇。它基于 ATmega328P 8 位 AVR 微控制器，易于上手，擁有龐大的社區支持和豐富的庫函數，簡化了開發過程。其集成開發環境 (IDE) 使得編程和上傳代碼變得非常方便。

• 元器件功能： 微控制器負責發送啟動信號給 DHT11，等待并接收 DHT11 返回的溫濕度數據。接收到數據后，它會進行數據解析和校驗。如果校驗通過，則將溫濕度值轉換為易于理解的格式，并驅動顯示模塊進行顯示。此外，它還可以根據需要進行數據存儲、通過串口發送數據到上位機等。

2.2 顯示模塊

顯示模塊用于直觀地顯示測量到的溫度和濕度數據。

• 優選元器件型號： LCD1602 液晶顯示屏 或 OLED 0.96 寸顯示屏 (SSD1306)。

• 為什么選擇：

• LCD1602： 這是一種經典的字符型液晶顯示屏，價格低廉，易于驅動，適合顯示簡單的文本信息。它通常采用并行或 I2C 接口與微控制器連接。對于只顯示溫度和濕度數值的應用來說，LCD1602 足以滿足需求。

• OLED 0.96 寸顯示屏 (SSD1306)： OLED 顯示屏具有自發光、高對比度、寬視角、低功耗的優點，顯示效果更佳。0.96 寸的尺寸小巧，適合集成到緊湊型設備中。它通常采用 I2C 或 SPI 接口，其中 I2C 接口連接線更少，更方便。

• 元器件功能： 接收微控制器發送的待顯示數據（如溫度值、濕度值），并在屏幕上以字符或圖形的形式顯示出來，為用戶提供直觀的反饋。

2.3 DHT11 溫濕度傳感器

• 優選元器件型號： AM2302 (DHT22) 或 DHT11。

• 為什么選擇：

• DHT11： 對于成本敏感或對精度要求不高的應用，DHT11 是一個經濟實惠的選擇。它足夠用于日常環境監測。

• AM2302 (DHT22)： 如果對測量精度和范圍有更高要求，AM2302 (DHT22) 是更好的選擇。它的測量精度更高（溫度 ±0.5°C，濕度 ±2% RH），測量范圍更廣（溫度 -40°C ~ 80°C，濕度 0% ~ 99.9% RH），但價格略高于 DHT11。兩者在通信協議上高度相似，代碼兼容性好。

• 元器件功能： 作為核心傳感器，負責實時采集環境的溫度和濕度數據，并通過單總線協議將數字信號傳輸給微控制器。

2.4 上拉電阻

• 優選元器件型號： 10kΩ 電阻。

• 為什么選擇： DHT11 的 DATA 引腳需要連接一個上拉電阻，通常為 4.7kΩ 到 10kΩ 之間。這是因為 DHT11 的數據線在不傳輸數據時是高電平，通過上拉電阻可以確保在數據線空閑時保持高電平狀態，避免信號浮動，提高通信的穩定性。

• 元器件功能： 提供一個穩定的高電平，確保 DHT11 的 DATA 引腳在空閑狀態下保持高電平，便于微控制器和傳感器之間的正常通信。

2.5 其他輔助元器件

• 面包板或 PCB： 用于搭建電路和固定元器件。

• 跳線： 用于連接各個元器件。

• 電源： 提供系統所需的工作電壓，通常為 5V 或 3.3V。

2.6 系統硬件電路圖

下圖展示了基于 Arduino UNO 和 DHT11 以及 LCD1602 的典型連接方式。如果使用 STM32，引腳連接方式類似，但需要根據 STM32 的具體 GPIO 定義進行調整。

              +-------------------+
              |    Arduino UNO    |
              |                   |
              |       5V   <----->   VCC (DHT11)
              |       GND  <----->   GND (DHT11)
              |    Digital Pin X <->   DATA (DHT11)  --+-- 10kΩ Resistor --+-- 5V
              |                   |
              |       5V   <----->   VCC (LCD1602)
              |       GND  <----->   GND (LCD1602)
              |    Digital Pin Y <->   RS (LCD1602)
              |    Digital Pin Z <->   EN (LCD1602)
              |    Digital Pin A <->   D4 (LCD1602)
              |    Digital Pin B <->   D5 (LCD1602)
              |    Digital Pin C <->   D6 (LCD1602)
              |    Digital Pin D <->   D7 (LCD1602)
              |       PWM Pin   <->   Backlight (LCD1602) (可選，通過電位器或數字引腳控制亮度)
              |       A0        <->   RW (LCD1602) (GND或VCC，根據LCD模塊確定)
              |       A1        <->   VO (LCD1602) (連接電位器，調節對比度)
              +-------------------+

注釋：

• DHT11 DATA 引腳的上拉電阻： DHT11 的 DATA 引腳必須連接一個 10kΩ 的上拉電阻到 VCC。這對于確保單總線通信的正確性至關重要。

• LCD1602 連接：

• 如果使用 I2C 模塊的 LCD1602，則只需要連接 SDA 和 SCL 到 Arduino 的相應 I2C 引腳（UNO 上通常是 A4 和 A5），以及 VCC 和 GND。這將大大簡化布線。

• 圖示為并聯模式下的連接，需要較多的 GPIO 引腳。

• 引腳分配： 數字引腳 X, Y, Z, A, B, C, D 均為示例，具體連接時請根據 Arduino UNO 的可用數字引腳進行選擇，并在代碼中相應配置。

3. 系統軟件設計與代碼實現

軟件部分主要包括 DHT11 傳感器的數據讀取、解析、錯誤校驗以及數據顯示。這里以 Arduino 平臺為例進行說明，因為它對 DHT11 和 LCD1602 都有成熟的庫支持，非常便于開發。

3.1 引入必要的庫文件

在 Arduino IDE 中，您需要安裝 DHT sensor library 和 LiquidCrystal (或 LiquidCrystal_I2C 如果使用 I2C LCD) 庫。

1. 打開 Arduino IDE。

2. 點擊 工具 -> 管理庫...。

3. 搜索 DHT sensor library 并安裝 Adafruit 公司提供的庫。

4. 搜索 LiquidCrystal (如果使用并聯 LCD) 或 LiquidCrystal_I2C (如果使用 I2C LCD) 并安裝。

3.2 代碼示例（基于 Arduino UNO + DHT11 + I2C LCD1602）

此代碼示例假設您使用 I2C 接口的 LCD1602，這樣可以節省大量的 GPIO 引腳。

#include <Wire.h> 
// 引入I2C通信庫#include <LiquidCrystal_I2C.h> 
// 引入I2C LCD庫#include <DHT.h> 
// 引入DHT傳感器庫
// 定義DHT11傳感器連接的數字引腳#define DHTPIN 2 
// 將DHT11的數據引腳連接到Arduino的數字引腳2
// 定義DHT傳感器的類型 (DHT11, DHT22, DHT21)#define DHTTYPE DHT11 
// 如果使用DHT22，請改為DHT22// 初始化DHT傳感器對象DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
// 初始化I2C LCD1602對象
// 第一個參數是LCD的I2C地址，通常為0x27或0x3F，具體取決于您的LCD模塊
// 第二個參數是LCD的列數，第三個參數是LCD的行數LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); 
// 假設I2C地址為0x27，16列2行void setup() {
  Serial.begin(9600);
   // 啟動串口通信，用于調試輸出
  Serial.println("DHT11 I2C LCD 溫濕度檢測系統啟動...");

  dht.begin(); // 初始化DHT傳感器

  lcd.init(); // 初始化LCD
  lcd.backlight(); // 打開LCD背光

  // 在LCD上顯示歡迎信息
  lcd.setCursor(0, 0); // 設置光標到第一行第一列
  lcd.print("正在初始化...");
  lcd.setCursor(0, 1); // 設置光標到第二行第一列
  lcd.print("請稍候...");
  delay(2000); // 延時2秒
  lcd.clear(); // 清空LCD屏幕}void loop() {  // DHT11傳感器兩次讀數之間至少需要2秒間隔，
  否則可能會讀到錯誤數據
  delay(2000);  // 讀取濕度數據
  float h = dht.readHumidity();  // 讀取溫度數據（攝氏度）
  float t = dht.readTemperature();  // 讀取溫度數據（華氏度）
  // float f = dht.readTemperature(true); // 如果需要華氏度

  // 檢查是否成功讀取數據
  if (isnan(h) || isnan(t)) {
    Serial.println("DHT傳感器讀取失敗！請檢查接線。");
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("讀取失敗!");
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("請檢查DHT11!");    return; // 退出當前循環，等待下次重試
  }  // 華氏度到攝氏度的轉換示例 (如果需要)
  // float hic = dht.computeHeatIndex(t, h, false);
  // float hif = dht.computeHeatIndex(f, h, true);

  Serial.print("濕度: ");
  Serial.print(h);
  Serial.print(" %	");
  Serial.print("溫度: ");
  Serial.print(t);
  Serial.println(" *C ");  // 在LCD上顯示數據
  lcd.setCursor(0, 0); // 設置光標到第一行第一列
  lcd.print("濕度: ");
  lcd.print(h, 1); // 顯示濕度，保留一位小數
  lcd.print("%   "); // 添加單位和空格，覆蓋可能殘留的字符

  lcd.setCursor(0, 1); // 設置光標到第二行第一列
  lcd.print("溫度: ");
  lcd.print(t, 1); // 顯示溫度，保留一位小數
  lcd.print((char)223); // 顯示度數符號 '°'
  lcd.print("C   "); // 添加單位和空格，覆蓋可能殘留的字符}

3.3 代碼詳解

1. #include <Wire.h>: 包含了 Arduino I2C 通信庫，I2C LCD 模塊需要使用此庫進行通信。

2. #include <LiquidCrystal_I2C.h>: 包含了 I2C LCD 顯示屏的庫，提供了方便的函數來控制 LCD 顯示內容。

3. #include <DHT.h>: 包含了 DHT 傳感器庫，提供了讀取 DHT11/DHT22 等傳感器數據的接口。

4. #define DHTPIN 2: 定義了 DHT11 傳感器數據引腳連接到 Arduino 的數字引腳 2。您可以根據實際接線修改此值。

5. #define DHTTYPE DHT11: 定義了所使用的 DHT 傳感器類型為 DHT11。如果您使用的是 DHT22，請將其修改為 DHT22。

6. DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);: 創建一個 DHT 對象，用于與 DHT 傳感器進行通信。

7. LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);: 創建一個 LiquidCrystal_I2C 對象，用于控制 LCD 顯示屏。

• 0x27 是 I2C LCD 模塊的默認地址，有些模塊可能是 0x3F。如果您的 LCD 不顯示，請嘗試更改此地址。

• 16 表示 LCD 有 16 列。

• 2 表示 LCD 有 2 行。

8. void setup() 函數：

• Serial.begin(9600);: 初始化串口通信，波特率為 9600 bps。這允許您通過 Arduino IDE 的串口監視器查看調試信息。

• dht.begin();: 初始化 DHT 傳感器。

• lcd.init();: 初始化 LCD 屏幕。

• lcd.backlight();: 打開 LCD 的背光。

• lcd.setCursor(0, 0); 和 lcd.print();: 在 LCD 上顯示初始歡迎信息。

9. void loop() 函數：

• delay(2000);: 這是非常重要的。DHT11 傳感器在兩次讀數之間需要至少 2 秒的間隔，否則可能會返回無效數據。

• float h = dht.readHumidity();: 讀取濕度值并存儲在 h 變量中。

• float t = dht.readTemperature();: 讀取溫度值（攝氏度）并存儲在 t 變量中。

• if (isnan(h) || isnan(t)): 檢查讀取到的數據是否為無效數字（Not-a-Number）。如果 dht.readHumidity() 或 dht.readTemperature() 返回 NaN，則表示讀取失敗，通常是由于接線錯誤或傳感器故障。

• Serial.print(...) 和 Serial.println(...): 將溫濕度數據打印到串口監視器，方便調試。

• lcd.setCursor(...) 和 lcd.print(...): 將溫濕度數據顯示到 LCD 屏幕上。

• lcd.print(h, 1);: h 是浮點數，, 1 表示保留一位小數。

• lcd.print((char)223);: (char)223 是 LCD 字符集中表示度數符號 ° 的 ASCII 值。

4. 系統測試與調試

在完成硬件連接和代碼上傳后，您需要進行測試和調試以確保系統正常工作。

1. 檢查接線： 仔細核對所有元器件的接線是否正確，特別是 DHT11 的 DATA 引腳是否連接了上拉電阻。

2. 上傳代碼： 將上述代碼通過 Arduino IDE 上傳到您的 Arduino UNO 板。

3. 串口監視器： 打開 Arduino IDE 的串口監視器（工具 -> 串口監視器），觀察是否有溫濕度數據輸出，以及是否有錯誤信息。

4. LCD 顯示： 檢查 LCD 屏幕是否正常顯示溫濕度數據。如果顯示亂碼或無顯示，請檢查 I2C 地址是否正確（對于 I2C LCD），或并聯連接是否正確（對于并聯 LCD）?？梢試L試調整 LCD 上的電位器來調節對比度。

5. 數據準確性： 將 DHT11 傳感器暴露在不同溫度和濕度的環境中，觀察數據的變化是否符合預期。例如，用手握住傳感器會使溫度升高。

5. 優化與擴展

• 數據存儲與分析： 可以將溫濕度數據存儲到 SD 卡，或通過網絡（例如 ESP8266/ESP32 Wi-Fi 模塊）上傳到云平臺，進行長期的數據記錄和分析。

• 報警功能： 根據預設的閾值，當溫度或濕度超出范圍時，可以觸發蜂鳴器、LED 燈或發送短信/郵件進行報警。

• 供電優化： 對于電池供電的應用，可以考慮使用更低功耗的微控制器和傳感器，并優化代碼以進入低功耗模式。

• 用戶界面： 可以添加按鍵，實現切換顯示模式（例如顯示最大/最小值）、校準等功能。

• 多傳感器： 如果需要監測多個區域的溫濕度，可以連接多個 DHT11 傳感器，但需要注意每個 DHT11 都需要獨立的 GPIO 引腳和數據讀取邏輯。

• 顯示升級： 如果需要更豐富的圖形界面，可以考慮使用 TFT 彩色顯示屏，但其驅動會更復雜。

6. 總結

基于 DHT11 的溫濕度檢測系統是一個典型的嵌入式應用案例，它結合了傳感器技術、微控制器編程和人機交互。通過本設計，您不僅可以實現一個實用的溫濕度監測設備，還能深入理解傳感器數據采集、數字通信協議、微控制器編程以及外部設備驅動等核心概念。選擇合適的元器件并理解其工作原理是構建穩定可靠系統的關鍵。此系統易于構建和擴展，為進一步的物聯網項目奠定了基礎。