【STM32/HAL】嵌入式课程设计：简单的温室环境监测系统|DS18B20 、DHT11

前言

板子上的外设有限，加上想法也很局限，就用几个传感器实现了非常简单的监测，显示和效应也没用太复杂的效果。虽说很简单，但传感器驱动还是琢磨了不久，加上串口线坏了，调试了半天才发现不是代码错了而是线有问题，总而言之，课设不复杂，难度不高，凑合看吧。

电路图

系统的需求描述

温室环境监测系统的功能性需求描述如下：

1.光照监测与响应

系统对光敏电阻进行 AD 采样获取环境光照强度。当环境光照减弱至预设阈值以下时，系统会自动点亮绿灯以提供照明。同时，LED 灯闪烁报警，蜂鸣器需发出报警声。

2.温度监测与响应

系统通过 DS18B20 数字温度传感器和 DHT11 数字湿温度传感器获取温室环境温度，以两者平均值作为测量的温度。当温度低于预设的下限阈值时，系统自动启动加热装置进行加热（开发板并无加热设备，这里使用点亮红灯来模拟），直到温度上升至正常水平。当温度高于预设的上限阈值时，系统需驱动电机旋转（风扇）以进行散热。并且，温度异常（过高或过低）时，LED 灯闪烁报警，蜂鸣器需发出报警声。

3.湿度监测与响应

系统通过 DHT11 数字湿温度传感器获取环境湿度。当湿度超出预设的正常范围时， LED 灯闪烁报警，蜂鸣器需发出报警声。湿度太高时，还会亮起蓝灯。湿度太低时，会驱动电机模拟启动灌溉设备。

4.数据显示

LCD 屏幕会实时显示光照、温度和湿度的数据信息。显示要做到清楚、直观，更新频率适中。

5.串口通信

上位机和系统能通过串口进行通信，系统能够将光照、温度和湿度的采样数据实时发送给上位机，上位机可以将数据存储到本地文件或上传到云服务器，实现了环境数据的采集、传输、存储，可以为后续大数据处理提供数据支持。数据传输需稳定可靠，数据格式要遵守通信协议。

6.按键控制

管理员可以通过按键开关报警功能和手动开关全彩灯。按键操作简单直观，响应时间快，如果系统自动化调整功能失效，还可以通过手动方式调整设备。

结构图

详细设计

只说明传感器的部分

DS18B20 模块：

用于环境温度的数据采集。

DS18B20 是常用的数字温度传感器，单总线结构。该传感器体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、误差小。一般在启动传感器并与之通信前，需要先经过 ROM 检测，但是开发板上只挂载了一个 DS18B20 设备，可以在初始化总线之后直接发送 0xcc 跳过 ROM 检查。使用 Convert T 开始温度转化命令（0x44）开始温度转化之后，经过一定时间，DS18B20 会将温度转化之后的数据存储到暂存器内。通过 Read Scratchpad 读取命令(0xBE) 可以从暂存器读数据。只采集温度数据所以只用接受前两个字节，高八位的高五位是符号位，高八位的低三位和低八位的高四位表示温度的整数位，低八位的低四位表示小数位。在本系统中温度数据保留一位小数。该模块对应文件为"ds18b20.h"和"ds18b20.c"。

相关的讲解可看（这两篇文章并不是使用的stm32，主要看模块的时序）：

蓝桥杯电子类单片机学习二——DS18B20温度传感器（onewire驱动）_蓝桥杯板子用ds18b20-CSDN博客

51单片机-18B20温度传感器-CSDN博客

参考代码：

适配stm32板子、hal库

#include "ds18b20.h"
#include "tim.h"void DS18B20_IO_IN(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_2;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_INPUT;HAL_GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);
}void DS18B20_IO_OUT(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_2;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);
}void DS18B20_Rst(void)
{DS18B20_IO_OUT();DS18B20_DQ_OUT_LOW;delay_us_by_Tim(750);DS18B20_DQ_OUT_HIGH;delay_us_by_Tim(15);
}uint8_t DS18B20_Check(void)
{uint8_t retry = 0;DS18B20_IO_IN();while(DS18B20_DQ_IN && retry < 200){retry++;delay_us_by_Tim(1);}if(retry >= 200)return 1;elseretry = 0;while(!DS18B20_DQ_IN && retry < 240){retry++;delay_us_by_Tim(1);}if(retry >= 240)return 1;return 0;
}uint8_t DS18B20_Read_Bit(void)
{uint8_t data;DS18B20_IO_OUT();DS18B20_DQ_OUT_LOW;delay_us_by_Tim(2);DS18B20_DQ_OUT_HIGH;DS18B20_IO_IN();delay_us_by_Tim(12);if(DS18B20_DQ_IN)data = 1;elsedata = 0;delay_us_by_Tim(50);return data;
}uint8_t DS18B20_Read_Byte(void)
{uint8_t i,j,data;data = 0;for(i=1;i<=8;i++){j = DS18B20_Read_Bit();data = (j<<7)|(data>>1);}return data;
}void DS18B20_Write_Byte(uint8_t data)
{uint8_t j;uint8_t testb;DS18B20_IO_OUT();for(j=1;j<=8;j++){testb=data&0x01;data=data>>1;if(testb){DS18B20_DQ_OUT_LOW;delay_us_by_Tim(2);DS18B20_DQ_OUT_HIGH;delay_us_by_Tim(60);}else{DS18B20_DQ_OUT_LOW;delay_us_by_Tim(60);DS18B20_DQ_OUT_HIGH;delay_us_by_Tim(2);}}
}void DS18B20_Start(void)
{DS18B20_Rst();DS18B20_Check();DS18B20_Write_Byte(0xcc);DS18B20_Write_Byte(0x44);
}uint8_t DS18B20_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_2;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP;GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);DS18B20_Rst();return DS18B20_Check();
}short DS18B20_Get_Temperature(void)
{//uint8_t temp;uint8_t TL,TH;short temperature;DS18B20_Start();DS18B20_Rst();DS18B20_Check();DS18B20_Write_Byte(0xcc);DS18B20_Write_Byte(0xbe);TL = DS18B20_Read_Byte();TH = DS18B20_Read_Byte();if(TH>7){TH = ~TH;TL = ~TL;//	temp = 0;}
//	else
//		temp = 1;temperature = TH;temperature <<= 8;temperature += TL;temperature = (float)temperature*0.625;//0.0625*10,保留小数一位,后面处理的时候要除以10if(temperature)return temperature;elsereturn -temperature;
}

DHT11 模块：

用于环境温度和湿度的数据采集。

DHT11 数字湿温度传感器采用单总线数据格式。即，单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。一次完整的数据传输为 40bit，高位先出，数据格式为：8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit 校验和，校验和数据为前四个字节相加。

DHT11 传输时序为：总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待 DHT11 响应（总线拉低必须大于 18 毫秒，保证 DHT11 能检测到起始信号），主机发送开始信号结束后，延时等待 20-40us，DHT11 接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送 80us（一般存在误差，20-100us 都可以认为是正常响应时间）低电平响应信号。如果读取总线为低电平,说明 DHT11 发送响应信号，如果读取总线为高电平,则 DHT11 没有响应。DHT11 发送响应信号后，再把总线拉高，准备发送数据，每 1bit 数据都以 50us 低电平时隙开始，告诉主机开始传输一位数据了。当 50us 低电平时隙过后拉高总线，高电平持续 26~28us 表示数据“0”；持续 70us 表示数据“1”。由于存在误差，程序中在延时 40us 后检测总线状态，为高说明该位数据为“1”，为低说明该位数据为“0”。当最后 1bit 数据传送完毕后，

DHT11 拉低总线 50us，表示数据传输完毕，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。该模块对应文件为"dht11.h"和"dht11.c"。

该模块可从下面博客移植：

HAL库：

STM32F103ZET6——DHT11温湿度传感器（hal库）_dht11stm32f103-CSDN博客

标准库（主要参考其的时序讲解）：

DHT11详细介绍（内含51和STM32代码）-CSDN博客

基于STM32的温湿度传感器（DHT11）+OLED屏显示(超详细)_stm32控制dht11-CSDN博客

参考代码

（注意这里的延时函数命名成了delay_us_by_Tim()）：

#include "dht11.h"
#include "tim.h"void DHT11_IO_IN(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_3;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_INPUT;HAL_GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);
}void DHT11_IO_OUT(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_3;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);
}//复位DHT11
void DHT11_Rst(void)	   
{                 DHT11_IO_OUT(); 	//设置为输出DHT11_DQ_OUT_LOW; 	//拉低DQHAL_Delay(20);    	//拉低至少18msDHT11_DQ_OUT_HIGH; 	//DQ=1 delay_us_by_Tim(30);     	//主机拉高20~40us
}//等待DHT11的回应
//返回1:未检测到DHT11的存在
//返回0:存在
uint8_t DHT11_Check(void) 	   
{   uint8_t retry=0;DHT11_IO_IN();      //设置为输出	 while (DHT11_DQ_IN&&retry<100)//DHT11会拉低40~80us{retry++;delay_us_by_Tim(1);};	 if(retry>=100)return 1;else retry=0;while (!DHT11_DQ_IN&&retry<100)//DHT11拉低后会再次拉高40~80us{retry++;delay_us_by_Tim(1);};if(retry>=100)return 1;	    return 0;
}//从DHT11读取一个位
//返回值：1/0
uint8_t DHT11_Read_Bit(void) 			 
{uint8_t retry=0;while(DHT11_DQ_IN&&retry<100)//等待变为低电平{retry++;delay_us_by_Tim(1);}retry=0;while(!DHT11_DQ_IN&&retry<100)//等待变高电平{retry++;delay_us_by_Tim(1);}delay_us_by_Tim(40);//等待40usif(DHT11_DQ_IN)return 1;else return 0;		   
}//从DHT11读取一个字节
//返回值：读到的数据
uint8_t DHT11_Read_Byte(void)    
{        uint8_t i,dat;dat=0;for (i=0;i<8;i++) {dat<<=1; dat|=DHT11_Read_Bit();}						    return dat;
}//从DHT11读取一次数据
//temp:温度值(范围:0~50°)
//humi:湿度值(范围:20%~90%)
//返回值：0,正常;1,读取失败
uint8_t DHT11_Read_Data(uint16_t *temp,uint16_t *humi)    
{        uint8_t buf[5];uint8_t i;DHT11_Rst();if(DHT11_Check()==0){for(i=0;i<5;i++)//读取40位数据{buf[i]=DHT11_Read_Byte();}if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4]){*humi=(buf[0]<<8) + buf[1];*temp=(buf[2]<<8) + buf[3];}}else return 1;return 0;	    
}//初始化DHT11的IO口 DQ 同时检测DHT11的存在
//返回1:不存在
//返回0:存在     	 
uint8_t DHT11_Init(void)
{ DHT11_Rst();return DHT11_Check();
}